Biomaterial structure in deep-sea bamboo coral (Anthozoa: Gorgonacea: Isididae): perspectives for the development of bone implants and templates for tissue engineering

Natural structural biomaterials of marine origin including mollusc shells, sponges and corals not only provide an abundant source of novel bone and cartilage replacements but also inspire investigations to develop nano-sized biomimetic composites. This study presents a characterisation of the ultrastructure of the deep-sea Bamboo coral (Anthozoa: Gorgonacea: Isididae) and the nanostructure of some interstitial surfaces with respect to biomineralization phenomena. The skeletons of the corals examined exhibit jointed axes of large bony calcareous structures alternated with smaller proteinaceous nodes of gorgonin, giving the skeletal remains of the organism a digitated appearance, like terrestrial bamboo. To test the hypothesis that bamboo coral internodes exhibit bone-like mechanical and biochemical properties, structural and biochemical analyses of these natural biomineral composites and separation of proteinaceous components was performed. Due to its high potential for colonization with both human osteoblasts and osteoclasts, the organic matrix, composed of an acidic fibrillar protein framework, proved to be a very successful model for possible applications in tissue engineering. The material properties of the calcareous internodes correlate well with the material property charts for materials used in orthopedic surgery, though denser and stronger than bone. Results of the present study also clearly indicate the quinonproteinaceous nature of the gorgonin. On the basis of the high biomimetic potential of the results obtained, the use of Isididae corals as “living bone implants” as well as their biotechnological aquacultural cultivation seems to be promising for the near future. Biomaterialstrukturen in der Tiefsee-Bambuskoralle (Anthozoa: Gorgonacea: Isididae): Perspektiven fur die Entwicklung von Knochenimplantaten und Templaten fur das Tissue-Engineering Naturlich strukturierte Biomaterialien marinen Ursprungs, z. B. Schalen von Weichtieren, Schwamme und Korallen, stellen nicht nur eine uppige Quelle von Knochen- und Knorpelersatzmaterial dar, sondern auch eine Inspiration fur die Entwicklung biomimetischer Komposite im Nanobereich. Die vorliegende Publikation stellt die Charakterisierung der Ultrastruktur der Tiefsee-Bambuskoralle (Anthozoa: Gorgonacea: Isididae) sowie der Nanostruktur innerer Oberflachen im Zusammenhang mit Biomineralisationsphanomenen vor. Die untersuchten Korallenskelette haben lange, verbundene knochenartige Kalkstrukturen, die sich mit kleineren, aus dem Protein Gorgonin bestehenden, Nodi abwechseln, was dem Ganzen ein segmentiertes Aussehen gibt, wie beim Bambus. Um die Annahme zu prufen, dass die Internodien der Bambuskoralle knochenahnliche mechanische und biochemische Eigenschaften aufweisen, wurden Struktur- und biochemische Untersuchungen an den naturlichen Biomineralkompositen vorgenommen sowie der Proteinanteil separiert und gesondert untersucht. Aufgrund der gezeigten guten Eignung als Substrat fur die Besiedlung mit humanen Osteoblasten und Osteoklasten ist diese organische Matrix, bestehend aus einem sauren fibrillaren Proteinnetzwerk, ein aussichtsreiches Modell fur Anwendungen im Tissue Engineering. Die Materialeigenschaften der kalkartigen Internodien korrelieren gut mit denen von Materialien wie sie in der orthopadischen Chirurgie Verwendung finden, sie sind sogar dichter und fester als Knochen. Die Resultate der vorliegenden Untersuchungen zeigen weiterhin klar die Natur des Grogonin als ein Chinoprotein. Angesichts des grosen biomimetischen Potentials, das sich aus den erhaltenen Ergebnissen ergibt, erscheint eine Verwendung der Isididae-Korallen als „lebende Knochenimplantate” und deren Zucht in biotechnologischer Aquakultur fur die nahe Zukunft aussichtsreich.