Untersuchungen zur Biofilmbildung: Proteinadsorption auf Dentalmaterialien und Modelloberflächen

Proteinadsorption als Grundlage der Biofilmbildung ist in vielen Bereichen der Medizin und Materialwissenschaften ein wichtiges Thema. Ziel der vorliegenden Arbeit war ein größeres Verständnis der molekular ablaufenden Prozesse bei der Proteinadsorption. Da die Adsorption der Proteine von vielen komplexen Parametern abhängt, wurde versucht mit Hilfe des Rasterkraftmikroskops und der dynamischen Kontaktwinkelanalyse verschiedene Bereiche in der Wechselwirkung Protein­ Oberfläche zu beleuchten.

Den Schwerpunkt dieser Arbeit bilden Adhäsionskraftmessungen zwischen einem Protein und einer Oberfläche mittels Rasterkraftspektroskopie. Dazu wurden Proteine an den Messsensor spezifisch gebunden und Kraftabstandskurven in Abhängigkeit verschiedener Parameter wie Kontaktzeit und pH-Wert der Flüssigkeit aufgenommen und ausgewertet. Ein wichtiger Punkt war dabei eine neue Proteinfixierung durch Silanisierung (3-Aminopropyltriethoxisilan (APTES)) zu testen und zu optimieren. Als nächster Schritt wurden die Adhäsionskräfte von Amylase auf einer nativen und einer mit Octadecyltrichlorosilan (OTS) belegten Siliziumschicht verglichen. Beide Oberflächen dienen als Modelloberfläche hinsichtlich ihrer Hydrophobie bzw. Hydrophilie, um die entropischen bzw. enthalpischen Beiträge zur Abrisskraft herausfiltern zu können. Danach wurden zwei Prototypen von Zahnfüllungsmaterialien (FAP und FAPS), die sich durch einen zusätzlichen Prozessschritt bei einer der Proben unterscheiden, miteinander verglichen. Hierfür wurden die Proben rasterkraftmikroskopisch untersucht, die chemische Zusammensetzung mittels Flugzeitmassenspektrometer verglichen und anschließend die Abrisskräfte von Amylase auf den Oberflächen gemessen. Um einen direkten Vergleich zwischen Imitation und Natur zu erhalten, wurde das kommerziell erhältliche Zahnfüllungsmaterial Dyract AP mit Rinderzahnschmelz verglichen. Dafür wurde die Topologie der Materialien mittels Rasterkraftmikroskopie untersucht und die Abrisskräfte bestimmt. In einem weiteren Schritt wurde ein in vivo gebildeter 60-Minuten-Pellikel auf diesen Oberflächen untersucht. Zum Abschluss wurden Protein-Protein-Wechselwirkungen zwischen Amylase und drei Proteinschichten (Lysozym, Rinderserumalbumin und Amylase) in Abhängigkeit der isoelektrischen Punkte der drei Proteine untersucht. Alle untersuchten Systeme zeigten ein wechselwirkungszeitabhängiges Verhalten, das durch Konformationsänderungsprozesse des Proteins bei Kontakt der Oberfläche erklärt werden kann. Im Rahmen eines dazu passenden kinetischen Modells wurde die Reaktionskinetik für die unterschiedlichen Protein-Oberfläche-Systeme betrachtet. Die Messungen bei verschiedenen pH-Werten zeigten, dass für bestimmte Oberflächen/Proteinschichten die elektrostatischen Wechselwirkungen eine große Rolle spielen.

Bei dynamischen Kontaktwinkelmessungen (Wilhelmy-Waage) wurden die Fortschreit- und Rückzugswinkel für Aussagen bezüglich der pH-Wert-Abhängigkeit der Proteinschichten Lysozym, BSA und Amylase verwendet. Zusätzlich wurden mehrzyklische Adsorptionsexperimente mit Lysozym und BSA auf den zwei Modelloberflächen Siliziumdioxid und OTS durchgeführt. Die Oberflächen zeigen eine zunehmende Homogenisierung bei Proteinadsorption.