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Fragestellung: Aktuell existieren nur wenige wissenschaftliche Arbeiten, die langfristig Oberflächenersatzendoprothesen nachuntersuchen. Zumeist sind diese Studien sehr heterogen, operiert von einem Operateur zumeist ohne Beachtung der Metallionen im Blut. Ziel dieser Studie war die Langzeitverlaufsbeobachtung[zum vollständigen Text gelangen Sie über die oben angegebene URL], Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2019)

Fragestellung: Patienten, die an einer Metallallergie leiden, fragen oft nach hypoallergenen Implantaten. In der Knieendoprothetik ist die Beschichtung von Standard-Implantaten die häufigste Lösung. Obwohl in In-vitro-Tests für beschichtete Prothesen eine Reduktion von Metallionenfreisetzung[zum vollständigen Text gelangen Sie über die oben angegebene URL], Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2018)

Fragestellung: Metallionenkonzentrationen sind Surrogatparamter für Probleme im Sinne einer Adverse Reaction to Metal Debris (ARMD) beim Oberflächenersatz (OFE) des Hüftgelenkes. Die Literatur beschreibt einen Abfall der Metallionenkonzentrationen nach einer initialen Einlaufphase ("Running-in").[zum vollständigen Text gelangen Sie über die oben angegebene URL], Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2017)

Fragestellung: Neben der Freisetzung von Abriebpartikeln kommt es bei metallischen Implantatmaterialien zu Korrosionsprozessen und Ionenfreisetzung, wodurch chemisch aktive Proteinverbindungen entstehen. Bislang ist wenig über den Einfluss von Metallionen auf knochenauf- und -abbauende Zellen bekannt.[zum vollständigen Text gelangen Sie über die oben angegebene URL], Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2016)

Fragestellung: Die Verbesserung der körperlichen Aktivität ist ein wesentliches Ziel nach Hüft-Endoprothese vor allem junger Patienten. Dem gegenüber stehen Untersuchungen die belegen, dass erhöhte Belastungen des Implantates zu Abrieb, Osteolysen und aseptischen Lockerungen[zum vollständigen Text gelangen Sie über die oben angegebene URL], Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2015)

Fragestellung: Metallionenfreisetzung durch orthopädische Implantate können lokale und systemische Schäden und Allergien verursachen. Um diese Probleme zu verhindern wurde eine neue 7-lagige Zirkonium Beschichtung für Kobalt-Chrom Implantate entwickelt, die in-vitro die Metallionenfreisetzung[for full text, please go to the a.m. URL], Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2013)

Fragestellung: Künstliche Gelenkimplantate sind kontinuierlichen Verschleiß- und Korrosionsprozessen ausgesetzt, die zu einer Freisetzung von Abriebpartikeln und Ionen führen mit bislang unbekannten Langzeitfolgen. Im Vergleich zur Metall-Metall-Gleitpaarung der Hüftendoprothetik[for full text, please go to the a.m. URL], Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2013)

Fragestellung: Künstliche Gelenkimplantate mit Cobalt-Chrom-Molybdän Legierungen werden routinemäßig eingesetzt. Die Freisetzung von Metallionen aus diesen Implantaten und deren Akkumulation im Organismus wurde bereits nachgewiesen. Dies kann zu Komplikationen wie Pseudotumoren, [for full text, please go to the a.m. URL], Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2013)

An understanding of electrostatic interactions in biomolecular systems is crucial for many applications in molecular biology. This thesis focuses on the theoretical modeling of two effects: first, the change in the dielectric properties of water due to hydrogen bond formation and second, the reentrant condensation of proteins induced by protein-metal ion complexation. A nonlocal response theory is necessary to describe the dielectric effects of hydrogen bond formation. Correctly formulating this theory for a solvated biomolecule is challenging, because the biomolecule's cavity poses an obstacle for the water network. We develop a theory explicitly incorporating boundary conditions to describe the water network on the molecular surface. We implement an accurate and efficient finite difference solver, which offers the possibility to easily investigate different physically motivated boundary effects. A detailed analysis of different nonlocal models reveals that, for the macroscopic behavior, the boundary conditions are of minor importance, while for a detailed understanding of the electrostatics near the molecular surface the correct modeling of the hydrogen bond formation is crucial. Recent experimental findings describe a reentrant condensation of proteins in solutions of varying metal ion concentration. We present a heuristic model to account for the metal ion binding on the molecular surface which qualitatively and quantitatively explains the phase diagram of this condensation effect. In der vorliegenden Arbeit konzentrieren wir uns auf die Beschreibung elektrostatischer Phänomene in biomolekularen Systemen. Zuerst untersuchen wir den Einfluss von Wasserstoffbrückenbindungen auf die dielektrischen Eigenschaften von Wasser. Dafür ist die Einführung eines nichtlokalen dielektrischen Operators notwendig. Die nichtlokale Reaktion des Wassers wird durch das gelöste Protein und der damit entstandenen Kavität maßgeblich beeinflusst.Wir entwickeln ein Differentialgleichungssystem, welches Veränderungen der dielektrischen Eigenschaften an der Moleküloberfläche explizit berücksichtigt. Um diese Randeffekte genauer zu analysieren und um unsere Modellgleichungen auf ionische Lösungen zu erweitern, implementieren wir ein modifiziertes Finite-Differenzen-Verfahren, welches sich, neben Effizienz, durch hohe Genauigkeit auszeichnet. Mit diesem Lösungsverfahren untersuchen wir erstmals verschiedene Wassermodelle. Die Analyse zeigt, dass die Veränderungen der Randbedingung an der Moleküloberfläche auf makroskopische Größen von untergeordneter Bedeutung sind, jedoch einen signifikanten Einfluss auf das elektrostatische Potential in der Nähe des Moleküls hat. Des Weiteren betrachten wir einen kürzlich entdeckten Effekt in Proteinlösungen: die Bindungsaffinität von gelösten Metallionen induziert die Bildung von Protein-Metallionen-Komplexen. Diese können in Abhängigkeit der gelösten Ionenkonzentration kondensieren und wieder in Lösung gehen. In Analogie zu Protonierungsmodellen entwickeln wir eine Theorie zur Beschreibung der Komplexbildung. Erste Vergleiche mit Experimenten zeigen, dass das vorgeschlagene Modell den Kondensationseffekt qualitativ und quantitativ erklären kann.

Bei der Implantation eines metallischen Hüftprothesenschafts in den Oberschenkelknochen kommt es zum Austritt von Metallionen in das umliegende Gewebe. Der Vorgang der mit der Osteointegration einhergehenden Knochenneubildung erfolgt also in einem metallionenhaltigen Milieu. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der Metalle Titan, Vanadium, Kobalt, Chrom und Aluminium auf die Mineralisation des wichtigen Knochenminerals Hydroxylapatit untersucht, die in einem vereinfachten chemischen Modellsystem simuliert wurde. Zusätzliche Versuche mit einem komplexeren, den physiologischen Bedingungen angenäherten Modellsystem dienten der Verifizierung der erhaltenen Resultate. Die mit verschiedenen Metallzusätzen hergestellten Apatite wurden mit Hilfe der Röntgendiffraktometrie hinsichtlich ihrer kristallographischen Eigenschaften und ihrer Phasenzusammensetzung untersucht. Dabei konnte die durch Metallionen induzierte Bildung zusätzlicher Kalziumphosphate und die Inkorporation von Metallionen in die apatitische Phase belegt werden.