Onyenso, GabrielGabrielOnyenso2026-08-052026-08-052026-07-21https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/9643Implantatassoziierte Infektionen und eine unzureichende Gewebeintegration stellen nach wie vor zentrale Herausforderungen bei der Entwicklung multifunktionaler Biomaterialien dar. Diese Herausforderungen haben dazu geführt, dass sich moderne Implantatsysteme von ursprünglich bioinerten Bauteilen hin zu regenerativen Werkzeugen für das Tissue Engineering weiterentwickelt haben. Es ist allgemein anerkannt, dass die Implantatoberfläche eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung dieser Herausforderungen spielt. Dementsprechend wurden erhebliche Forschungsanstrengungen unternommen, um Implantatoberflächen zu optimieren und ihre biologische Leistungsfähigkeit zu verbessern. In diesem Zusammenhang haben nanostrukturierte Metalloxide als Beschichtungen für Implantatoberflächen großes Interesse geweckt. Zunehmende wissenschaftliche Erkenntnisse zeigen, dass derartige Nanotopographien zelluläre Reaktionen fördern und gleichzeitig als Reservoirs für eine kontrollierte Wirkstofffreisetzung dienen können. Ziel dieser Dissertation ist die Entwicklung und Untersuchung von auf Zirkoniumdioxid-Nanoröhren (ZrNTs) basierenden Oberflächenbeschichtungen als multifunktionale Implantatgrenzflächen mit besonderem Fokus auf die kontrollierte Wirkstofffreisetzung, antibakterielle Funktionalität sowie Wechselwirkungen mit Wirtszellen. ZrNTs mit gezielt eingestellten Morphologien wurden durch elektrochemische Anodisation hergestellt, wobei die Anodisierungsparameter systematisch variiert wurden. Darüber hinaus wurden mehrere einfache, aber neuartige strukturelle und chemische Modifikationen der hergestellten ZrNTs vorgenommen, um deren Wirkstofffreisetzungseigenschaften, antibakterielle Wirksamkeit und Zellinteraktionsverhalten zu verbessern. Die strukturelle und chemische Charakterisierung erfolgte hauptsächlich mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) sowie Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS). Zu den wesentlichen Ergebnissen dieser Arbeit zählt die erfolgreiche Entwicklung von ZrNTs mit moduliertem Durchmesser in Form einer flaschenhalsartigen Struktur. Diese Struktur ermöglichte die Verringerung des anfänglichen Burst-Release-Effekts und führte zu einem verlängerten Freisetzungsprofil. Darüber hinaus führte die Integration von Silbernanopartikeln durch die einfache Anodisation von Zr-Ag-Legierungen zur Herstellung von ZrNTs mit breit wirksamer antibakterieller Aktivität. Untersuchungen zur Proteinadsorption zeigten, dass sowohl die Oberflächenchemie – insbesondere die Funktionalisierung mit Hydroxylapatit – als auch die Morphologie die Orientierung und Denaturierung adsorbierter Proteine beeinflussen, was wiederum die Zell-Oberflächen-Wechselwirkungen maßgeblich bestimmt. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen neuartige, einfache und zugleich effektive Ansätze zur Optimierung der Grenzfläche zwischen Implantatoberfläche und Wirtsumgebung, um die wesentlichen Anforderungen an Biokompatibilität und antibakterielle Eigenschaften zu erfüllen. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung intelligenter, multifunktionaler Biomaterialien für eine verbesserte Implantatleistung. Darüber hinaus verdeutlicht sie das Potenzial von Zirkoniumdioxid-Nanoröhren als vielseitige und gezielt anpassbare Beschichtung für bioaktive Implantatoberflächen mit kontrollierter Wirkstofffreisetzung.Implant-associated infections and insufficient tissue integration remain central challenges in the development of multifunctional biomaterials. These challenges have driven the need for modern implant systems to evolve from initially bioinert devices into regenerative tools for tissue engineering. It is well established that the implant surface plays a critical role in addressing these challenges. Consequently, significant research efforts have been directed toward optimizing implant surfaces to improve biological performance. The use of nanostructured metal oxides as coatings on implant surfaces has attracted considerable interest in this regard. Increasing evidence suggests that such nanotopographies can enhance cellular responses and act as reservoirs for controlled drug release. This thesis aims to develop and investigate zirconia nanotubes (ZrNTs) based surface coatings as multifunctional implant interfaces, with a focus on controlled drug delivery, antibacterial functionality, and host cell response interactions. ZrNTs with designed morphologies were fabricated via electrochemical anodization by systematically varying anodization parameters. Several simple yet novel structural and chemical modifications were made to the fabricated ZrNT to improve drug-delivery performance, antibacterial properties, and cell-interaction behavior. Structural and chemical characterization was performed using mainly scanning electron microscopy (SEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and time of flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). The main results of this dissertation include ZrNT with a modulated diameter (i.e., a bottleneck-like structure), which was successfully developed to mitigate initial burst drug release and enable an extended-release profile. Incorporation of silver nanoparticles via straightforward anodization of Zr-Ag alloys resulted in ZrNTs with broad–spectrum antibacterial activity. Protein adsorption studies revealed that surface chemistry (specifically, functionalization with hydroxyapatite) and morphology influence protein orientation and denaturation, which, in turn, affect cell–surface interactions. The findings of this thesis demonstrate novel, simple, yet effective approaches toward optimizing the interface between the implant surface and the host environment to meet the critical requirements of biocompatibility and antibacterial properties. This work contributes to the design of smart, multifunctional biomaterials for improved implant performance. It introduces the potential of zirconia nanotubes as a versatile, tunable coating for bioactive, controlled drug-releasing implant surfaces.en540 ChemistryZirconia nanotubesBiomaterialImplantAnodizationControlled drug releaseZirkonoxid-NanoröhrchenBiomaterialEloxierenKontrollierte WirkstofffreisetzungDoctoral ThesisKillian, Manuela S.urn:nbn:de:hbz:467-96433