Die vorliegende Erfindung betrifft anorganisch-organische Nanokomposite, Verfahren zur Herstellung von Beschichtungen aus den Nanokompositen, sowie Sensoren, die die

Nanokomposite zwischen zumindest 2, bevorzugt 4 elektrischen Kontakten aufweisen, wobei die Nanokomposite optional als ein dreidimensionaler Formpressling geformt sind oder als eine Beschichtung auf einen Träger aufgebracht sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung der Nanokomposite als Katalysator, sowie die Nanokomposite oder aus anorganischen Nanopartikeln gesinterte Sintermaterialien, optional auf einen Träger gesintert, zur Verwendung als Implantat bzw. Medikament bei der medizinischen Behandlung von Defektstellen in Hartgewebe, insbesondere in Knochen oder Knorpel von Säugetieren, insbesondere Menschen. Die Nanokomposite weisen einen anorganischen Nanopartikel mit daran gebundenen organischen Liganden auf oder bestehen daraus, wobei die organischen Liganden eine erste funktionelle Gruppe aufweisen, die durch chemische Bindung, z.B.

ionische Bindung, kovalente Bindungen, van-der-Waals-Bindung oder Komplexbindung, an die Nanopartikel bindet und bevorzugt eine zweite funktionelle Gruppe aufweisen, mittels derer die organischen Liganden chemische Bindungen zu anderen Spezies bilden, insbesondere zu einander, z.B. miteinander und/oder mit organischen Liganden eines Trägers polymerisieren können.

Stand der Technik

Dreyer et al, Nature Materials 522-529 (2016), beschreiben die Herstellung von

gattungsgemäßen anorganisch-organischen Nanokompositen durch thermische Zersetzung von FeO(OH) in Mischung mit Ölsäure in 1-Octadecen bei 320 °C, die einen anorganischen Magnetit-Nanopartikel mit einem Durchmesser von ca. 15 nm mit daran gebundener Ölsäure aufwiesen. Diese Nanokomposite wurden aus einer Suspension in Tetrahydrofuran (THF) durch Verdampfenlassen des THF zu einem Pellet mit geordneter Struktur geformt und anschließend gepresst, optional auf bis zu 1000 °C erwärmt. Bei 350 °C können die ungesättigten Bindungen der Ölsäure polymerisieren und die Festigkeit des Pellets erhöhen.

Schürmann et al, Stern Cell Research 98-110 (2014), beschreiben, dass die Struktur nanoporöser Titanoberflächen ausreicht, um Stammzellen zu Knochenzellen differenzieren zu lassen.

Gonzalez-McQuire et al., J. Mater. Chem 2277-2281 (2004), beschreiben stäbchenförmige Nanopartikel aus Hydroxyapatit, an die Aminosäuren chemisorbiert wurden. Die

Nanopartikel konnten durch Polymerisieren der Aminosäuren vernetzt werden.

Jiang et al, Nature Materials 912-918 (2015), beschreiben die Assoziation von

Goldnanopartikeln mit einer Schicht aus Dodecanthiol zu einer Monoschicht auf einer Wasseroberfläche und induzieren die Biegung dieser Monoschicht mittels Elektronenstrahlen.

Dedourkovä et al, Procedia Engineering 42 (2012), 1816-1821, beschreiben die de novo Synthese von Nanopartikeln aus Hydroxyapatit zur Verwendung als Knochenersatz.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine alternative Beschichtung für Träger, die bevorzugt metallisch, metalloxidisch oder Polymere, z.B. Kunststoffe sind, ein alternatives Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung und Implantate mit der Beschichtung sowie eine alternative Masse oder Implantate zur Verwendung in der medizinischen Behandlung von Defektstellen in Hartgewebe bereitzustellen. Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung löst die Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche und zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass Nanokomposite, die einen anorganischen Nanopartikel mit daran gebundenen organischen Liganden aufweisen, wenn sie auf einem Träger aufgebracht sind, eine Beschichtung bilden, in der die Nanokomposite unregelmäßig oder regelmäßig angeordnet sind. Die Anordnung der Nanokomposite, die unregelmäßig oder regelmäßig sein kann, bildet zum einen eine Beschichtung, die durch die Wechselwirkung der organischen Liganden, insbesondere durch chemische Bindung der organischen Liganden untereinander und optional chemische Bindung mit dem Träger Festigkeit aufweist, wobei die enthaltenen Nanopartikel die mechanische Beständigkeit und die optischen sowie elektrischen

Eigenschaften der Beschichtung mitbestimmen. Zum anderen definiert die Anordnung der Nanokomposite in der Beschichtung Zwischenräume, deren Struktur und Größe für das An- und Einwachsen von Zellen des Hart- und Weichgewebes, insbesondere von Osteoblasten, geeignet ist. Es hat sich gezeigt, dass die Nanokomposite aufgrund ihrer Größe und engen Größenverteilung als auch ggf. aufgrund ihrer organischen Liganden sowohl in

unregelmäßiger wie auch in regelmäßiger Anordnung die beschriebenen Wirkungen und Eigenschaften aufweisen. Die organischen Liganden sind mittels einer ersten funktionellen Gruppe an die Nanopartikel gebunden. Dabei ist generell bevorzugt, dass die organischen Liganden mittels einer zweiten funktionellen Gruppe miteinander vernetzt bzw. polymerisiert sind, um eine stabile Beschichtung zu bilden. Für die chemische Bindung mit den organischen Liganden der Nanokomposite kann der Träger selbst reaktive Gruppen aufweisen, die mit den zweiten funktionellen Gruppen der organischen Liganden der Nanokomposite vernetzbar ist, oder der Träger kann gebundene Liganden aufweisen, die organische Liganden sein können, wobei die Liganden eine funktionelle Gruppe aufweisen, die mit den zweiten funktionellen Gruppen der organischen Liganden der Nanokomposite vernetzbar ist. Generell können die Liganden, die an den Träger gebunden werden, gleich den organischen Liganden der

Nanokomposite sein.

Es hat sich auch gezeigt, dass aus einer Beschichtung mit den Nanokompositen auf einem Träger durch Erwärmen auf eine Temperatur, bei der die organischen Liganden entfernt werden, z.B. zersetzt werden, und bei der sich die Nanopartikel sich mit dem Träger verbinden, z.B. oberflächlich verschmelzen können, ein Träger mit regelmäßiger

Beschichtung mit oder aus Nanopartikeln erzeugt werden kann, deren Struktur für das An- und Einwachsen von Zellen des Hart- und Weichgewebes geeignet ist und bevorzugt auch zur Induzierung der Differenzierung von somatischen Stammzellen zu Hartgewebezellen, z.B. zu Osteoblasten, geeignet ist.

In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung ein durch Sintern von Nanopartikeln, die aus Keramik bestehen, hergestelltes Implantat, das Zwischenräume, auch als Poren bezeichnet, aufweist, die für das Einwachsen von Osteoblasten geeignet sind, wobei die Osteoblasten bevorzugt allein durch die Anwesenheit des Implantats in einem Säugetier aus dessen

Stammzellen differenziert sind. In dieser Ausführungsform besteht das Implantat bevorzugt aus den gesinterten Nanopartikeln. In Ausführungsformen mit einem Träger können

Nanopartikel, z.B. aus Keramik oder Metall bzw. Metalloxid, durch Sintern auf dem Träger mit diesem stofflich verbunden bzw. oberflächlich und optional durch Halsbildung unmittelbar verbunden sein.

Es hat sich generell gezeigt, dass ein weiteres Sintern, das zu Kornwachstum und Verdichtung der Partikel führt, zur Verkleinerung des Porendurchmessers führt. Daher kann ein

Sintermaterial mit regelmäßigen Poren, die einen statistischen Durchmesser von 30 - 40 nm aufweisen, durch längeres Sintern eines aus anorganischen Partikeln mit einem Durchmesser größer als 150 nm oder größer als 160 nm gepressten Grünlings hergestellt werden, z.B. aus anorganischen Partikeln mit einem mittleren Durchmesser größer als 182 nm. Die zur Erzeugung des Porendurchmessers erforderliche Dauer des Sinterns von Partikeln einer Größe kann empirisch ermittelt werden.

Es wird gegenwärtig angenommen, dass die Poren von 30 bis 40 nm des anorganischen Sintermaterials als regelmäßige Poren das topologische Motiv darstellen, das Stammzellen, z.B. ITSC, als Signalfaktor für eine Differentiation in Osteoblasten dient und deren

Biomineralisation von natürlichem Knochenmaterial stimuliert.

In einer besonderen Ausführungsform stellt die Erfindung eine Masse, die die Nanokomposite enthält oder aus diesen besteht, zur Verwendung bei der Behandlung von Defektstellen in Hart- oder Weichgewebe, insbesondere in Knochen oder Knorpel, bereit. In allen

Ausführungsformen weisen die Nanokomposite, z.B. mit organischen Liganden einer Kettenlänge von zumindest 6 C- Atomen, insbesondere 16 bis 24 C- Atomen, z.B. mit 18 C- Atomen auf, die gesättigt oder zumindest einfach ungesättigt sind, und bilden plastisch verformbare Massen, die z.B. in Defektstellen einbringbar sind, z.B. zum Auffüllen in Defektstellen gedrückt werden können oder eine Beschichtung bilden können. Die Struktur der Nanokomposite und von gesinterten Nanopartikeln ist besonders zum Einwachsen von Zellen des Hart- oder Weichgewebes in diese geeignet. Die Verwendung bei der Behandlung von Defektstellen kann daher die Verwendung als Medikament zum Auffüllen von

Defektstellen, insbesondere in Hartgewebe, sein. Dabei hat die Masse aus den

Nanokompositen bevorzugt Poren, die eine Größe von 25 bis 40 nm, bevorzugter von ca. 30 nm aufweisen. Dieses Material kann zur medizinischen Behandlung, z.B. als Füllmaterial für Defektstellen in Weichgewebe und/oder Hartgewebe, das z.B. Knochen oder Knorpel oder Zahnschmelz oder Sehne ist, Verwendung finden

Die Anordnung der Nanokomposite, die regelmäßig oder ungeordnet sein kann, und die Vernetzung ihrer organischen Liganden miteinander macht die Nanokomposite zur

Verwendung als Anstrichmasse geeignet, insbesondere für metallische Träger, z.B. aus Stahl, Aluminium, Titan oder für eine Zinkschicht oder Zinkphosphatschicht, oder für

nichtmetallische Träger aus Kunststoff oder metalloxidische (keramische) Träger.

Insbesondere in diesen Ausführungsformen können die Nanopartikel der Nanokomposite Farbpigmente sein. Die Nanokomposite könnten aber auch Verwendung als antibakterielle, sensorische, abriebfeste oder strahlungsadsorbierende bzw. -reflektierende Anstrichmasse bzw. Beschichtung finden.

Die Vernetzung der organischen Liganden durch Reaktion ihrer zweiten funktionellen Gruppen kann durch Erwärmen, z.B. im Vakuum oder in Inertgasatmosphäre, durch

Bestrahlen, z.B. mit elektromagnetischer Strahlung oder Elektronenstrahlen, das Erzeugen von Radikalen oder den Zusatz eines Radikalstarters oder eines Katalysators bzw.

Polymerisationsstarters ausgelöst werden. Als Radikalstarter kann Sauerstoff, Schwefel, AIBN oder ein Peroxid verwendet werden.

In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von

Implantaten, die aus Keramik oder Metall bestehen und Poren aufweisen, die ein Einwachsen bzw. Anwachsen von Osteoblasten begünstigen. Solche Implantate, die insbesondere mit dem Verfahren erhältlich sind, sind zur Verwendung in Defektstellen bzw. als Auffüllmaterial für Defektstellen geeignet, insbesondere für Knochen oder Knorpel als Hartgewebe. Dabei werden anorganische Nanopartikel ohne organische Liganden oder Nanokomposite, die z.B. einer Suspension abgetrennt wurden und eine plastische Masse bilden, zu einem Grünling gepresst und anschließend teilweise gesintert, so dass anorganischen Partikel unmittelbar miteinander verbunden werden, bzw. bei Nanokompositen die organischen Bestandteile zersetzt werden und sich die anorganischen Partikel direkt miteinander verbinden. Bevorzugt bestehen die anorganischen Nanopartikel aus Keramik, z.B. Metalloxid, insbesondere Si0 ₂ . In jedem Falle bilden die anorganischen Partikel dabei Hälse aus, die sich zwischen unmittelbar aneinander angrenzenden Partikeln erstrecken, oder die anorganischen Partikel sind an aneinanderliegenden Oberflächen unmittelbar miteinander verschmolzen. Das erhaltene Material besteht aus anorganischen, miteinander verbundenen Partikeln, die zwischen sich Poren einfassen, die z.B. zu zumindest 80%, bevorzugter zumindest 90% der Partikelanzahl eine Größe von 25 bis 40 nm, bevorzugt von z.B. ca. 30 nm aufweisen. Es hat sich gezeigt, dass diese Poren eine geeignete Größe und Form aufweisen, um Stammzellen, z.B. adulte humane Stammzellen, zur Differenzierung in Osteoblasten anzuregen. Das erhaltene Material kann auch als anorganisches Sintermaterial mit regelmäßigen Poren bezeichnet werden, die bevorzugt eine Größe von 25 bis 40 nm, bevorzugter von ca. 30 nm aufweisen. Dieses Material kann zur medizinischen Behandlung, z.B. als Füllmaterial für Defektstellen in Hartgewebe, das z.B. Knochen oder Knorpel oder Zahnschmelz oder Sehne ist, Verwendung finden. Dieses Material hat den Vorteil einer hohen mechanischen Stabilität. Bevorzugt weisen die anorganischen Partikel zu zumindest 80%>, bevorzugter zumindest 90%> der Partikelanzahl einen Durchmesser von 130 bis 160 nm, bevorzugt 140 bis 150 nm auf, der z.B. aus TEM-Aufnahmen als wahrscheinlicher Durchmesser bestimmt ist.

In einer weiteren Ausführungsform werden Sensoren bereitgestellt, deren sensorisches Element durch die Nanokomposite gebildet wird, die als Masse vorliegen können und z.B. nicht flächig auf einem Träger aufgebracht sind, oder durch eine Sensorfläche, die auf einem dielektrischen Träger aufgetragene Nanokomposite aufweist. Das sensorische Element bzw. die Sensorfläche ist mit zwei oder vier beabstandeten Kontakten elektrisch angeschlossen. In dieser Ausführungsform können optional die Liganden nicht miteinander vernetzt sein und daher können die Liganden frei von einer zweiten reaktiven Gruppe sein bzw. nur eine erste reaktive Gruppe aufweisen. Optional können die organischen Liganden miteinander vernetzt sein. In der Ausführungsform, in der das sensorische Element des Sensors durch eine Masse der Nanokomposite gebildet wird, kann die Masse in eine dreidimensionale Form gepresst sein und einen Formling bilden, der von elektrischen Kontakten kontaktiert ist. Ein sensorisches Element, das durch eine Masse der Nanokomposite gebildet wird, kann z.B. nur durch die daran angebrachten elektrischen Kontakte gehalten sein. Die Nanokomposite können metallische (Oxidationsstufe 0) oder metalloxidische Nanopartikel, z.B. Si0 ₂ , aufweisen und die Nanopartikel können daraus bestehen.

Metalloxidische Nanopartikel können Si0 ₂ aufweisen oder daraus bestehen und können generell als Keramik bezeichnet werden. An die organischen Liganden und/oder an die Nanopartikel können zusätzlich für Analyten spezifische Bindemoleküle gebunden sein, z.B. Antikörper zum Nachweis von Antigenen, Antigene zum Nachweis von Antikörpern, Oligonukleotide zum Nachweis komplementärer Nukleinsäuremoleküle und/oder Lewis- Donatoren zum Nachweis von Lewis- Akzeptoren und/oder Lewis- Akzeptoren zum Nachweis von Lewis-Donatoren, insbesondere Lewis- Akzeptoren zum Nachweis von Kationen, insbesondere von Metallionen. Ein Sensor ist insbesondere als Sensor für elektrische und/oder magnetische Felder sowie als Kraftmesssensor oder als chemischer Sensor geeignet. Für einen Sensor für elektrische und/oder magnetische Felder sind die Nanopartikel optional magnetisch oder paramagnetisch, bevorzugt superparamagnetisch.

Die mechanische Belastung des Trägers, ein anliegendes elektrisches bzw. magnetisches Feld, bzw. die Anordnung von Analyten an die Nanokomposite, insbesondere die Bindung oder Einlagerung eines Analyten in die Zwischenräume der Nanokomposite, führt zu einer

Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Sensorfläche, z.B. zur Veränderung von deren Widerstand oder Kapazität, die als Maß für die Belastung, für das anliegende Feld bzw. für den Analyten gemessen werden können.

Es hat sich gezeigt, dass die Kontakte nach Auftragen der Nanokomposite auf einen Träger oder auf einen Formling aus den Nanokompositen mit oder ohne deren Vernetzung auf diese aufgelötet werden können, um einen elektrischen Kontakt herzustellen. Alternativ können die Nanokomposite auf den Träger aufgetragen werden, in dem beabstandete vorgefertigte Kontakte angeordnet sind, z.B. bündig mit der Oberfläche des Trägers, auf die die

Nanokomposite als Sensorfläche aufgetragen werden.

Generell kann das Auftragen der Nanokomposite durch Aufschmieren mittels Druck und Relativbewegung oder durch Aufsprühen einer Masse der Nanokomposite auf den Träger erfolgen, wobei die Masse aus Nanokompositen besteht oder Nanokomposite in Mischung mit einem Verdünnungsmittel enthält. Alternativ kann generell das Auftragen durch Bewegen des Trägers durch eine Flüssigkeitsgrenzschicht erfolgen, in der eine Schicht der Nanokomposite angeordnet ist. Eine Anordnung der Nanokomposite an einer Flüssigkeitsgrenzschicht kann dadurch in ihrer Schichtdicke eingestellt werden, dass die Konzentration der Nanokomposite so eingestellt wird, dass sich diese in der gewünschten Schichtdicke anordnen oder dadurch, dass die Fläche der Flüssigkeitsgrenzschicht nach Anordnen der Nanokomposite darin eingestellt wird, z.B. zur Erhöhung der Schichtdicke aus den Nanokompositen verkleinert wird, insbesondere durch Bewegen von Begrenzungsflächen entlang der

Flüssigkeitsgrenzschicht. Alternativ kann das Auftragen der Nanokomposite dadurch erfolgen, dass der Träger in einer Suspension der Nanokomposite angeordnet ist und die Flüssigphase verdampft wird, so dass sich, z.B. entlang des Flüssigkeitsmeniskus, eine Schicht aus den Nanokompositen auf dem Träger abscheidet.

Die Nanopartikel haben generell bevorzugt eine sphärische Gestalt und eine mittlere Größe im Bereich von 4 nm bis 500 nm, bevorzugt 15 nm, weiter bevorzugt mit einer engen

Größenverteilung, z.B. von unter 10% Standardabweichung.

Zur Verwendung der Nanokomposite als Anstrichmasse für einen Träger, die optional ein Verdünnungsmittel enthält, weisen die Nanokomposite bevorzugt Nanopartikel einer Größe von 4 bis 30 nm, z.B. 12 oder 14 bis 19 oder bis 17 nm oder 4 bis 9 nm oder 19 bis 30 nm auf, z.B. mit organischen Liganden einer Länge von zumindest C6, bevorzugt C16 bis C20, z.B. C18. Für eine durch Aufschmieren geeignete Masse aus Nanokompositen haben deren Nanopartikel bevorzugt eine Größe von 4 bis 9 nm, für eine hohe mechanische Festigkeit bevorzugt eine Größe von 12 bis 17 nm, für eine hohe mechanische Härte bevorzugt eine Größe von 19 bis 30 nm. Die mechanische Festigkeit einer Schicht solcher Nanokomposite kann z.B. mittels eines Nanoindentor-Zugversuchs an einem auf das Nanokomposit aufgeklebten flat punch oder mittels eines Schwickerath Dreipunktbiegeversuchs an einer Träger-Nanokomposit-Träger-Schichtstruktur als Messverfahren bestimmt werden und die mechanische Härte kann mittels der Nanoindentation mit Berkovich-Tip bestimmt werden.

Für Nanokomposite zur Verwendung als Medikament zum Auffüllen von Defektstellen von Hartgewebe haben deren Nanopartikel z.B. eine Größe von 80 bis 130 nm.

Für Nanokomposite, die als Schicht auf einem Träger einen Sensor bilden, haben deren Nanopartikel z.B. eine Größe von 10 bis 25 nm. Der organische Ligand weist zumindest eine erste funktionelle Gruppe, bevorzugt zwei oder drei funktionelle Gruppen, die jeweils gleich oder unterschiedlich sein können, auf, um zumindest einfach, bevorzugt zweifach oder dreifach an einen Nanopartikel zu binden. Bevorzugt ist die zumindest eine erste funktionelle Gruppe endständig am Liganden angeordnet. Die Nanopartikel und die zumindest eine erste funktionelle Gruppe können z.B. die folgenden Kombinationen sein:

Die zumindest eine zweite funktionelle Gruppe kann für die Nanokomposite jeweils gleich oder verschieden sein.

Optional können Nanokomposite in Mischung zumindest zweier Sorten, z.B. als zumindest eine erste Sorte und zumindest eine zweite Sorte vorliegen, wobei für jede Sorte die

Nanopartikel jeweils eine gleiche oder verschiedene Zusammensetzung aufweisen können, verschiedene Sorten organische Liganden mit gleichen oder verschiedenen ersten

funktionellen Gruppen, verschiedene Sorten organische Liganden mit gleichen oder verschiedenen zweiten funktionellen Gruppen, verschiedene Sorten verschiedene organische Liganden und/oder Nanopartikel verschiedener Materialien und/oder Größen aufweisen. Bei verschiedenen Sorten, die in Mischung aus zumindest einer ersten Sorte Nanokomposite und zumindest einer zweiten Sorte Nanokomposite bestehen, wobei der organische Ligand der ersten Sorte eine zweite funktionelle Gruppe aufweist, die sich von der zweiten funktionellen Gruppe des organischen Liganden der zweiten Sorte unterscheidet, , ist bevorzugt, dass diese verschiedenen zweiten funktionellen Gruppen sich miteinander verbinden können, z.B. als zweite funktionelle Gruppe eine erste Sorte von Nanokompositen Amingruppen oder Hydroxylgruppen aufweist und eine zweite Sorte von Nanokompositen Carbonsäuregruppen, jeweils optional mit Schutzgruppe.

Zweite funktionelle Gruppen, die jeweils in den Nanokompositen gleich sind, können z.B. polymerisierbare Gruppen sein, z.B. Ethylengruppen (-C=C-).

Beispiele für mögliche Kombinationen von zweiten funktionellen Gruppen der organischen Liganden, die gleich oder verschieden sind, sowie und die Reaktionen der zweiten funktionellen Gruppen sind:

Polymerisation Alken Peroxid/Epoxid/Azid NP-Rl -CH ₂ -CH ₂ -R2-NP

Ester Alkohol Carbonsäure NP-Rl -C(0)-0-CH-R2-NP

Halbactatalbildung Alkohol Carbonsäure NP-Rl -CH(OH)-0-R2-NP

Epoxid- Ethylenoxid Alkohol NP-Rl -C(0)-R2-NP Ringöffnung

Epoxid- Ethylenoxid Amin NP-Rl -NH-CH2-CH(OH)- Ringöffnung R2-NP

Urethan Alkohol Isocyanat NP-Rl -NH-C(0)-0-R2-NP

Peptid Amin Carbonsäure NP-Rl -NH-C(0)-R2-NP

Vulkanisation Alken Schwefel NP-Rl -(S)„-R2-NP

Thio 1-en-Reaktion Alken Thiol NP-Rl -S-CH ₂ -R2-NP

1,3-Dipolare- Alkin z.B. Azid NP-Rl -C ₂ N ₃ -R2-NP Cycloaddition

Metallorganische Halogenid / Metallorganische NP-Rl -CH ₂ -CH ₂ -R2-NP Kopp lungsreaktion Aldehyd Verbindung

Komplexbildung Akzeptor Donator NP-Rl -A...B-CH ₂ -R2-NP

NP = Nanopartikel; Rl, R2 jeweils unabhängig gesättigt oder zumindest einfach ungesättigt Cl - bis C12- Alkyl, A = Akzeptor, B = Donator

Zweite funktionelle Gruppen, die in zwei Sorten von Nanokompositen unterschiedlich sind, wobei zumindest zwei Sorten von Nanokompositen in Mischung vorliegen, können z.B. die vorgenannten Paarungen zweiter funktioneller Gruppen für eine erste Sorte und eine zweite Sorte aufweisen.

Generell bevorzugt sind die Liganden der Nanokomposite mit dem Träger verbunden, z.B. durch Bindung der zweiten funktionellen Gruppe, die im Liganden enthalten ist, an den

Träger. Z.B. kann die zweite funktionelle Gruppe für die Bindung an einen Träger sein:

(-OCN), Isocyant (-CNO), Thioisocyant

(-CNS), Silangruppe (-O ₃ S1 ),

Brenzcatechingruppe (-C ₆ H ₃ (OH) ₂ ) wasserunlösliche Salze (z.B. Hydroxyapatit) Phosphatgruppe (-OPO ₃ H), Sulfongruppe

(-S0 ₃ H), Carbonsäuregruppe (-COOH), Ammoniumgruppe (-NH ₃ +), Cyanidgruppe (-CN), Cyanat (-OCN), Isocyant (-CNO), Thioisocyant (-CNS), Brenzcatechingruppe (-C ₆ H ₃ (OH) ₂ )

Metall der Oxidationsstufe 0 (z.B. Eisen, Carbonsäuregruppe (-COOH), Amingruppe Kobalt, Silber, Gold) (-R-NH ₂ ), Thiolgruppe (-SH), Sulfongruppe

(-S0 ₃ H), Phosphatgruppe (-OP0 ₃ H), Phosphangruppe (-PR ₂ ), Phosphatoxidgruppe (-PR ₂ 0), Cyanidgruppe (-CN), Cyanat (-OCN), Isocyant (-CNO), Thioisocyanat (-CNS), Brenzcatechingruppe (-C ₆ H ₃ (OH) ₂ )

Die organischen Liganden weisen bevorzugt eine lineare Kette von 6 bis 24 Atomen auf, die bevorzugt C-Atome sind, z.B. lineare C ₆ - bis C ₂ 4-Kohlenstoffketten, die gesättigt oder zumindest einfach oder mehrfach ungesättigt sein können. Die organischen Liganden sind z.B. die folgenden Verbindungen: gesättigte oder zumindest einfach oder mehrfach ungesättigte Fettsäuren, z.B. Ölsäure, Linolsäure, Linolensäure, 10-Undecensäure, α,ω- Polybutadiendicarbonsäure, Ölamin.

Generell bevorzugt weisen die Nanopartikel in jeder Ausführungsform eine einheitliche Größe auf, z.B. zu zumindest 70%, bevorzugter zu zumindest 75%, bevorzugter zu zumindest 80%o, zu zumindest 85%, zu zumindest 90% oder zumindest 95% oder 99% der

Partikelanzahl, wobei weiter bevorzugt eine einheitliche Größe eine Größe mit einer maximalen Abweichung von 30%, 25%, 20%, 15% oder 10%, bevorzugter von 5% oder von 2% der Größe ist. Weiter generell bevorzugt weisen die Partikel Kugelform auf.

Die Erfindung wird nun genauer anhand von Beispielen mit Bezug auf die Figuren beschrieben, die in Figur 1 a TEM- Aufnahmen von SiCh-Nanopartikeln und deren Größenverteilung,

- Figur lb Photos von Si02-Nanopartikeln, bei 50 °C bei 390 MPa gepresst,

Durchmesser 4 mm, Höhe 1 bis 3 mm,

- Figur 1 c SEM- Aufnahmen von SiC -Nanopartikeln aus der Suspension und die per SEM bestimmte Größenverteilung,

Fig. 2 a) bis c) SEM-Aufnahmen von erfindungsgemäß hergestelltem Sintermaterial aus Keramik mit regelmäßigen Poren in verschiedenen Vergrößerungen,

Fig. 3 in Fig. 3a ein Photo eines erfindungsgemäßen Sensors auf einer Glasplatte als

Träger, in Fig. 3b schematisch die Nanokomposite und deren Reaktion bei 350 °C und in Anwesenheit des Beispielanalyten Cr ¹ , in Fig. 3c den Verlauf des gemessenen elektrischen Widerstands in Anwesenheit des Analyten und in Fig. 3d die Änderung des magnetoresistiven Verhaltens in Abhängigkeit von einem Magnetfeld,

Figur 4a einen mit einer Schicht aus Nanokompositen beschichteten Träger als Sensor,

Figur 4b bis 4e elektronenmikroskopische Aufnahmen in verschiedenen

Vergrößerungen der graphisch markierten Ausschnitte der Schicht von Figur 4a und

- Figur 4f den elektrischen Widerstand einer Beschichtung aus Nanokompositen auf einem Träger aus Isoliermaterial abhängig von einem äußeren Magnetfeld zeigen.

Beispiel 1 : Herstellung einer Beschichtung aus Nanokompositen auf einem metallischen Träger zur Verwendung als Implantat

Als Beispiel für einen Träger wurde ein Implantat aus Titan mit Nanokompositen beschichtet. Die Nanokomposite bestanden aus Nanopartikeln aus Eisenoxid mit daran gebundener Ölsäure als organischem Ligand und wurden durch thermische Zersetzung bei 320 °C einer Lösung in 1-Octadecen aus FeO(OH) in Mischung mit Ölsäure entsprechend Dreyer et al. (2016) hergestellt, indem Eisenoleat als thermo labiler Vorläufer aus Eisen(III)oxid-hydroxid (FeO(OH)) in heißer Ölsäure- 1 -Octadecen-Lösung in situ hergestellt wurde und schließlich bei 320 °C zersetzt wurde. Die Nanopartikel aus Magnetit wiesen eine als Durchmesser in der Transmissions-Elektronenmikroskopie bestimmte Größe von 15 nm auf und daran mittels der Carbonsäuregruppe als erster funktioneller Gruppe gebundene Ölsäure, die eine Hülle um die Nanopartikel bildete. Die so erhaltenen Nanokomposite waren in 1-Octadecen suspendiert und konnten nach Abtrennung in THF oder Toluol suspendiert werden.

Alternativ wurden die Nanokomposite aus separat hergestellten metallischen Nanopartikeln hergestellt. Dazu wurden Nanopartikel aus Kobalt einer Größe von 10 nm mit einer Standardabweichung von 4 nm mit dem folgenden Verfahren hergestellt: In eine 185 °C heiße Lösung aus Trioctylphosphanoxid (TOPO) in 1.2-Dichlorbenzol wird eine konzentrierte Lösung von Dicobaltoctacarbonyl schnell injiziert. Die entstandenen Partikel werden durch Zentrifugation vom Reaktionsmedium getrennt und mit einer Ölsäure- 1.2-Dichlorbenzol- Lösung versetzt und redispergiert, anschließend mit Acetonitril versetzt und die Partikel durch Zentrifugation erneut abgetrennt. Dieser Vorgang wird mehrmals wiederholt. Auf diese Weise wird das TOPO von der Partikeloberfläche vollständig verdrängt und durch Ölsäure ersetzt.

Weiter alternativ wurden die Nanokomposite aus separat hergestellten Hydroxyapatitpartikeln hergestellt. Dazu wurde eine wässrige Lösung aus Calciumnitrat und

Kaliumdihydrogenphosphat (Ca/P -Verhältnis: 1,67) und Cetylammoniumbromid (CTAB) mit Ammoniumhydroxid-Lösung auf einen pH Wert von 9 gebracht. Die Partikel werden durch Zentrifugation abgetrennt und in einer Lösung aus Natriumlaurylsulfat (SDS) dispergiert.

Weiter alternativ wurden die Nanokomposite aus separaten hergestellten magnetischen Kobalt mit Ölsäure und Nanokomposit aus Cadmiumselenid mit Oleylamin hergestellt, gemischt und als Schicht ausgeformt und thermisch induziert miteinander verbunden. Die Nanokomposite wurden in Hexan suspendiert und diese Suspension wurde auf Acetonitril als untere Phase geschichtet, das sich nicht mit Hexan mischt und in dem die Nanokomposite nicht

suspendierbar bzw. unlöslich sind. In der Folge lagerten sich die Nanokomposite an der Flüssigkeitsgrenzschicht nebeneinander an, bei höherer Konzentration auch übereinander. Die Dicke dieser Schicht konnte durch Bewegen von Begrenzungsflächen entlang der

Flüssigkeitsgrenzschicht erhöht werden. Solche Begrenzungsflächen waren Leisten aus Kunststoff (PTFE) oder Glas, die sich über die Grenzschicht erstrecken und

gegenüberliegende Flächen eines Rahmens um die Grenzschicht bilden. Die

Begrenzungsflächen wurden aufeinander zu bewegt und schoben die Nanokomposite entlang der Grenzschicht zu einer dickeren Schicht zusammen, die auf der unteren Phase schwimmt.

Das als Träger verwendete Implantat wurde in der unteren Phase platziert und nach Entfernen der oberen Phase, z.B. durch Abdampfen, durch die Schicht aus Nanokompositen bewegt. Dabei legte sich die Schicht aus Nanokompositen als ein Film auf den Träger. Dies zeigt, dass die Schicht aus Nanokompositen, die auf der unteren Phase gebildet ist, eine Elastizität und einen Zusammenhalt aufweist, die zur Ausbildung einer kontinuierlichen Beschichtung des Trägers mit einer Dicke ausreichen, die zumindest die Dicke der Schicht aus Nanokompositen auf der Grenzschicht aufweist.

Optional wurde der Träger mit einem organischen Liganden versehen, der am Träger bindet und mit dem organischen Liganden der Nanokomposite vernetzen kann. Als ein solcher organischer Ligand konnte nach Anätzen des Trägers zur Bindung mit den Nanokompositen, deren organischer Ligand Ölsäure war, Ölsäure daran gebunden werden. Dies führte zu einer stärkeren Haftung der Nanokomposite am Träger.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wurde der mit den Nanokompositen beschichtete Träger Bedingungen unterworfen, bei denen die organischen Liganden der Nanokomposite untereinander bzw. mit den am Träger gebundenen organischen Liganden vernetzen. Im Falle der Ölsäure waren diese Bedingungen eine Erwärmung in Inertgasatmosphäre bzw. im

Vakuum auf 350 °C, z.B. in einem Ofen oder durch Mikrowellenbestrahlung mit einer Frequenz von 2,45 GHz, einer Leistung von 850 W für ca. 1,2 min, die zu einer

Polymerisierung der ethylenisch ungesättigten Bindungen der gebundenen Ölsäure führte.

Als Alternative wurde eine erste Sorte und eine zweite Sorte von Nanokompositen hergestellt, deren organische Liganden sich jeweils in der zweiten funktionellen Gruppe unterschieden und die miteinander eine chemische Bindung eingehen können. Die Nanopartikel wurden aus Tetraethoxysilan (TEOS) im Sol-Gel-Prozess in ammoniak-alkalischer wässriger Lösung als Vorläuferverbindung synthetisiert, wobei als erster organischer Ligand

Aminopropyltriethoxysilan als Oberflächenfunktionalisierung zugesetzt war, von dem die Silangruppe als erste funktionelle Gruppe an die Nanopartikel bindet. In einer separaten Reaktion wurde dieselbe Vorläuferverbindung eingesetzt, wobei als zweiter organischer Ligand Glycidoloxytrimethoxysilan als Mittel zur Oberflächenfunktionalisierung zugesetzt war, von dem ebenfalls die Silangruppe als erste funktionale Gruppe an die Nanopartikel bindet. Der erste organische Ligand weist eine Amingruppe als zweite funktionelle Gruppe auf, der zweite organische Ligand eine Epoxidgruppe als zweite funktionelle Gruppe auf. Beide Partikelsorten wurden gemischt, getrocknet und als dreidimensionaler Körper ausgeformt und durch thermische Behandlung wird die Kopplungsreaktion ausgelöst.

Alternativ kann die erste und die zweite Sorte von Nanopartikeln in einer gemeinsamen Suspension in einem Lösungsmittel, z.B. Hexan oder Chloroform, gemischt werden, die als obere Phase auf Acetonitril oder Wasser als untere Phase geschichtet wurde. Die Nanokomposite ordneten sich an der Grenzschicht zwischen den Phasen an. Nach Entfernen der oberen Phase konnte die Schicht aus Nanokompositen durch Bewegen eines Trägers durch die Grenzschicht bzw. die Schicht aus Nanokompositen auf den Träger aufgebracht werden.

Als Alternative wurde die Mischung der Nanokomposite aus der Suspension abgetrennt und als Masse auf einen Träger aufgestrichen.

Bevorzugt wurde vor dem Beschichten mit der Mischung der Nanokomposite kein oder Glycidoloxytrimethoxysilan als Ligand auf den Träger aufgetragen. Die optionale

Polymerisierung der zweiten funktionellen Gruppen der beiden Sorten von Nanokompositen miteinander bzw. mit dem an dem Träger gebundenen Liganden wurde durch eine thermische Behandlung bei 150°C ausgelöst.

Eine Polymerisierung, die auch als Vernetzung bezeichnet werden kann, führte generell zu einer höheren Festigkeit und Beständigkeit der Beschichtung aus Nanokompositen und zu einer stärkeren Bindung der Beschichtung an den Träger, insbesondere wenn der Träger einen gebundenen organischen Liganden aufweist, der eine chemische Bindung mit dem

organischen Liganden der Nanokomposite eingeht.

Der mit Nanokompositen beschichtete Träger, wobei bevorzugt der Träger einen gebundenen Liganden mit einer zweiten funktionellen Gruppe aufwies, die mit der zweiten funktionellen Gruppe der organischen Liganden der Nanokomposite vernetzbar ist, und weiter bevorzugt die organischen Liganden der Nanokomposite und ggf. des Trägers miteinander vernetzt waren, wurde als Implantat eingesetzt. Dieses Implantat wurde in Zellkultur effektiv von Stammzellen (inferior turbinate stem cells (ITSC) besiedelt. Bei Implantation des Implantats in ein Versuchstier angrenzend an einen Knochen zeigt sich ein Anwachsen des Knochens an das Implantat.

Beispiel 2: Verwendung der Nanokomposite zur Behandlung von Defektstellen in

Hartgewebe

Die in Beispiel 1 hergestellten Nanokomposite konnten aus der Suspension abgetrennt werden und bildeten eine plastische Masse, die zur medizinischen Behandlung von Defektstellen in Hartgewebe, das z.B. Knochen oder Knorpel oder Zahnschmelz oder Sehne ist, Verwendung findet. Dazu kann die Masse aus Nanokompositen in die Defektstelle eingebracht werden, um die zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, aufzufüllen. Optional können die

Nanokomposite mittels ihrer zweiten funktionellen Gruppen vernetzt werden, z.B. durch Zusatz eines Starters zu der Masse. Es hat sich gezeigt, dass die Masse in vitro in Zellkultur und in vivo nach Implantation in eine Defektstelle von Zellen des Hartgewebes besiedelt wird. Dies wird darauf zurückgeführt, dass die Nanokomposite in ihrer Anordnung

Zwischenräume bilden, die zum Einwachsen von Zellen des Hartgewebes geeignet sind.

Beispiel 3: Herstellung einer Beschichtung aus Nanopartikeln mittels Nanokompositen auf einem metallischen Träger zur Verwendung als Implantat

Entsprechend Beispiel 1 hergestellte Beschichtungen aus Nanokompositen auf einem keramischen Implantat aus Zirkoniumdioxid oder einem metallischen Implantat aus Titan, das optional eine native Oxidschicht aufweist und/oder mit gebundenen organischen Liganden beschichtet war, wurden unter Inertgasatmosphäre auf ca. 800 °C bis 1000 °C erwärmt.

Dadurch wurden die organischen Bestandteile der Nanokomposite zersetzt und die darin enthaltenen Nanopartikel wurden fest mit dem Träger verbunden. Die Nanopartikel waren z.B. oberflächlich angeschmolzen und direkt mit dem Träger verbunden oder mittels einer Graphitschicht oder Metallcarbidschicht mit dem Träger verbunden. Diese Nanopartikel wiesen auf dem Träger die Anordnung auf, die sie vor der Erwärmung in der Schicht aus Nanokompositen aufwiesen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die Oberfläche des Trägers fest mit einer Anordnung von Nanopartikeln verbunden ist und die Nanopartikel eine Anordnung aufweisen, die wie die Beschichtung aus Nanokompositen eine Struktur aufweist, die für das Einwachsen bzw. Anwachsen von Zellen des Hartgewebes geeignet ist.

Beispiel 4: Verwendung eines aus Nanokompositen durch Ansintern hergestellten

anorganischen Sintermaterials mit regelmäßigen Poren als Implantat

Als Beispiel für anorganische Partikel, die direkt miteinander zu einem anorganischen Sintermaterial mit regelmäßigen Poren verbunden sind und zwischen sich Hälse ausbilden, die sich zwischen unmittelbar aneinander angrenzenden Partikeln erstrecken, und in dem die die anorganischen Partikel an aneinanderliegenden Oberflächen unmittelbar miteinander verschmolzen waren, wurden Si0 ₂ -Partikel als Keramik eingesetzt. Dazu wurden Si0 ₂ - Partikel im Sol-Gel- Verfahren hergestellt. Entgastes Ethanol (20,0 mL, 0,34 mol) und Wasser (6,0 mL, 0,33 mol) werden in einem Schwenkkolben gemischt. Ammoniumhydroxid-Lösung (0,8 mL, 25 Gew.-%, 5,2 mmol) wird zugegeben und die Lösung im verschlossenen Kolben auf 63±2 °C aufgeheizt. Unter starkem Rühren wird Tetraethylorthosilicat (TEOS, 2,0 mL, 98 Gew.-%, 8,8 mmol) mittels einer Spritze schnell in die Lösung injiziert. Nach einer 4- stündigen Reaktionszeit wird eine trübe Partikellösung mit einem Si0 ₂ -Massenkonzentration von 21 mg-mL ^"1 erhalten. Der wahrscheinlichste Partikeldurchmesser wurde mittels statistischer Auswertung von transmissionselektronenmikroskopischen (TEM) Aufnahmen zu 146±36 nm bestimmt (Fig. la).

Zur Herstellung des anorganischen Sintermaterials mit regelmäßigen Poren wurden 3,0 mL der unbehandelten, stabilen Si0 ₂ -Partikellösung in eine abgedichtete Pressmatrize

(Innendurchmesser: 4 mm) eingefüllt und das Lösungsmittel bei 50 °C in einem

Trockenschrank langsam über eine Woche verdampft. Das erhaltene Partikelsediment am Boden der Pressmatrize wird im Vakuum vollständig getrocknet, bevor es bei 50 °C und 390 MPa Pressdruck über 40 Minuten zu einem kompakten Festkörper verdichtet wird (Fig. lb). Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen (SEM) des anorganischen gepressten Grünlings zeigen Bereiche mit hochgeordneter als auch mit ungeordneter

Partikelüberstruktur. In beiden Bereichen ergibt sich durch die Zusammenlagerung von drei Partikeln eine Pore mit einem statistischen Durchmesser von 34=1=14 nm (Fig. lc).

Bevorzugt wird der gepresste Grünling gesintert. Das Sintern erfolgte bei 950 °C in Luft oder im Vakuum bzw. in Inertgas in einem Korundtiegel für eine Dauer, die zur Ausbildung von oberflächlichen direkten Verbindungen zwischen den anorganischen Partikeln und bevorzugt zur Ausbildung von Sinterhälsen zwischen benachbarten Partikeln ausreichte. Dabei wurde bei 950 °C nach 1 h oberflächliche Inhomogenitäten der anorganischen Partikel geglättet und organische Bestandteile entfernt und unmittelbar aneinander angrenzende Partikel wurden durch oberflächliches Verschmelzen durch sogenannte Kontaktsinterung direkt miteinander verbunden, nach maximal 4 h wurden Sinterhälse zwischen benachbarten anorganischen Partikeln ausgebildet (sog. Sinterhalsbildung). Dabei weist das Sintermaterial mit

regelmäßigen Poren eine nur wenig geringere Porosität als der gepresste Grünling auf, bevorzugt bleiben die Poren im Wesentlichen erhalten, bevorzugt mit einem statistischen Durchmesser von 30 - 40 nm. Generell ist für Partikel, die eine Größe von mehr als 182 nm aufweisen, eine längere Dauer des Sinterns erforderlich, um die Porengröße herzustellen, die zur Differenzierung zu Osteoblasten bzw. zum Einwachsen von Osteoblasten in das Implantat führt. Beispiel 5: Implantat aus Sintermaterial aus SiO? mit regelmäßigen Poren als Füllmaterial für Defektstellen in Knochen

Die Verträglichkeit und Wirkung des Sintermaterials mit regelmäßigen Poren, das nach Beispiel 4 hergestellt wurde, auf vaskularisiertes Weichgewebe, wird mit Hilfe einer

Rückenhautkammer in Mäusen untersucht. Die flexible Haut am Rücken der Maus wird in eine Falte gelegt. Die eine Seite der Hautfalte wird chirurgisch geöffnet, das

gegenüberliegende vaskularisierte subkutane Weichgewebe freigelegt und die Hautfalte in einen Metallrahmen mit Deckglas fixiert. Das Deckglas schützt das darunterliegende

Weichgewebe vor Umwelteinflüssen, bewahrt dessen Vitalität und gestatte dessen optische Untersuchung. Zwischen das vaskularisierte Weichgewebe und das Deckglas werden zum einen das Sintermaterial mit regelmäßigen Poren und zum anderen als Vergleich nicht- nanostrukturierte Implantate aus massivem Si0 ₂ , die jeweils eine Dicke von weniger als 1 mm und einen Durchmesser von 3-4 mm aufweisen, gelegt.

Die Entwicklung der Mikrozirkulation und die Gefäßbildung (Angiogenese) unter dem Einfluss der Implantate wird über einen Zeitraum von ca. 3 Wochen repetitiv im selben Versuchstier mikroskopisch untersucht. Die Analysen zur Biokompatibilität, Histologie und Immunhistochemie zeigen, dass das erfindungsgemäße Sintermaterial mit regelmäßigen Poren die Mikrozirkulation im Weichgewebe nicht stört. Die Neubildung von Gefäßen erfolgt bis unmittelbar an die nanostrukturierte Oberfläche heran. Das Sintermaterial mit

regelmäßigen Poren wird gut in das Weichgewebe eingebunden. Immunologische

Abstoßungsreaktionen sind nicht erkennbar.

Aufgrund der unterschiedlichen Bildungsprozesse von Knochen wird das

Knochenaufbaupotential von Implantaten aus dem erfindungsgemäßen Sintermaterial mit regelmäßigen Poren, das nach Beispiel 4 hergestellt wurde, sowohl am desmalen

Femurknochen (Oberschenkelknochen) als auch am chondralen Schädelknochen vergleichend untersucht. Dazu wird sowohl die Haut über dem Schädelknochen als auch über dem

Oberschenkelknochen einer Maus chirurgisch geöffnet und das darunterliegende Hartgewebe freigelegt. Ein Metallrahmen wird in der Hautöffnung eingesetzt und dieser mittels Schauben am Knochen fixiert. Chirurgisch wird ein kerbförmiger Defekt im Hartgewebe geschaffen und das Implantat aus dem Sintermaterial mit regelmäßigen Poren wird in den Defekt mit oder ohne direkten Kontakt zum Hartgewebe des Defekts positioniert. Ein eingefügtes Deckglas im Metallrahmen schützt das darunterliegende Gewebe vor Umwelteinflüssen, erhält dessen Vitalität und gestatte die optische Beobachtung der Knochenheilung über einen Zeitraum von ca. 3 Wochen repetitiv im selben Versuchstier. Zum Vergleich wurde ein nicht- nanostrukturiertes Implantat aus massivem Si0 ₂ , derselben Dimensionierung eingesetzt.

Im Vergleich zum nicht-nanostrukturierten massiven Implantat zeichnet sich ein spaltfrei eingesetztes Implantat aus dem erfindungsgemäßen Sintermaterial mit regelmäßigen Poren in der histologischen Analyse durch eine schnellere und spaltfreie Einheilung aus. Das erfindungsgemäße Sintermaterial aus Si0 ₂ mit regelmäßigen Poren wird sehr gut in das Hartgewebe eingebunden. Eine Abkapselung des Implantats durch das umgebene Hartgewebe wird nicht nachgewiesen.

Im Fall von Implantaten aus dem erfindungsgemäßen Sintermaterial mit regelmäßigen Poren, die ohne direkten Kontakt zum Hartgewebedefekt eingesetzt wurden, kann bei Abständen von ca. 1 mm eine beidseitige Knochenneubildung, auch ausgehend von der Oberfläche des erfindungsgemäßen Sintermaterials mit regelmäßigen Poren, beobachtet werden. Dies führt zu einer schnelleren und/oder mechanisch festeren Einheilung des Implantats.

Die mechanisch festere Einheilung des erfindungsgemäßen Implantats lässt sich auch durch Auszugs- und Biegeversuche belegen. Bei Auszugversuchen wird das Implantat in mechanischen Zugmaschinen mit steigender Kraft aus dem fixierten Knochen bis zum Versagen gezogen. Höhere maximale Zugkräfte bei den Implantaten aus dem

erfindungsgemäßen Sintermaterial mit regelmäßigen Poren im Vergleich zu den nicht- nanostrukturierten Implantaten belegen eine bessere mechanische Einheilung des

erfindungsgemäßen Sintermaterials mit regelmäßigen Poren. Bei den Biegeversuchen wird aus dem Knochen ein kleiner Balken präpariert, der in seiner Mitte das eingewachsene Implantat enthält. In einer Vier-Punkt-Biegemaschine wird der präparierte Balken mit dem eingewachsenen Implantat an einer Unterseite mit steigender Biegelast bis zu dessen

Versagen belastet. Höhere maximale Biegelasten bei den Implantaten aus dem

erfindungsgemäßen Sintermaterial mit regelmäßigen Poren im Vergleich zu den nicht- nanostrukturierten Implantaten belegen wiederum eine bessere mechanische Einheilung des erfindungsgemäßen Sintermaterials mit regelmäßigen Poren.

Es wird gegenwärtig angenommen, dass im Empfänger des Implantats vorhandene

Stammzellen in dem Implantaten aus dem erfindungsgemäßen Sintermaterial mit regelmäßigen Poren ein natürliches aber verletztes Knochengewebe erkennen und daher zur Differenzierung zu Knochenzellen angeregt werden. Das neu gebildete Knochengewebe wächst direkt auf dem Implantat aus dem erfindungsgemäßen Sintermaterial mit

regelmäßigen Poren auf. Auf diese Weise wird eine Spaltbildung zwischen Implantat und Hartgewebe verringert oder vermieden und die Wahrscheinlichkeit einer Periimplantitis effektiv gesenkt.

Beispiel 6: Sensoren aus Nanokompositen auf einem nichtmetallischen Träger

Chrom ³⁺ -Sensor

Als Beispiel für Nanokomposite wurden FesC -Nanopartikel, die mit Terephthalsäure beschichtet waren, durch Reiben auf einen Objektträger aus Glas aufgetragen und elektrisch kontaktiert. Die Terephthalsäure besitzt freie COOH-Gruppen. Diese können bei 350 °C decarboxylieren und vernetzen (Fig. 3: 350°C) oder mit Cr ³⁺ -Ionen komplexieren (Donor- Akzeptor-Reaktion) (Fig. 3: Cr ³⁺ ), wie dies schematisch in Fig. 3b dargestellt ist. Diese chemischen Reaktionen führen zur strukturellen Veränderungen in der Tunnelbarriere und damit zur deutlich messbaren Änderung des elektrischen Wiederstandes (Fig. 3c), sowie des magnetoresistiven Verhaltens (TMR) (Fig. 3d) des Nanokomposits, z.B. als Sensor für Magnetfelder bzw. Magnetfeldänderungen. In Fig. 3c lag bei der Messung kein Magnetfeld an (H=0Oe), die Probe AD009 350C war entsprechend Fig. 3b bei 350°C vernetzt, die Probe AD009_Cr3+ war nicht vernetzt und mit Cr ³⁺ kontaktiert. Dieses Ergebnis zeigt, dass generell für einen Sensor für chemische Stoffe, insbesondere ionische Stoffe, bevorzugt ist, dass die Nanokomposite nicht vernetzt sind, sondern bevorzugt aus den Nanopartikeln mit

organischen Liganden bestehen, die jeweils nur an einen Nanopartikel gebunden sind. Das Ergebnis von Fig. 3d zeigt, dass sowohl die bei 350°C vernetzte Probe (AD009 350C) aus den Nanokompositen von Fig. 3a-b als auch die nicht vernetzte Probe mit zugesetztem Cr ³⁺ (AD009_Cr3+) eine Veränderung des magnetoresistiven Verhaltens (TMR) in Abhängigkeit vom angelegten Magnetfeld (Oe) zeigen. Entsprechend können bei Sensoren, die

Magnetfeldsensoren sind, die organischen Liganden der Nanokomposite vernetzt sein oder nicht vernetzt sein und optional kann in jeder Ausführungsform ein Metallion, z.B. Cr ³⁺ , in Kontakt mit den Nanokompositen vorliegen.

Oligonukleotid- S ensor

Gold-Nanopartikel können mittels einer reduktiven bottom-up-Synthese hergestellt werden, z.B. gemäß Grabar et al., J. Analyt. Chem. 67, 735, 1995. Dazu werden in einem 500 mL- Rundkolben mit Rückflusskühler, die zuvor mit aqua regia gereinigt, mit destilliertem Wasser gespült und im Ofen getrocknet wurden, 250 mL 0,01 Gew.-% Tetrachlorogoldsäure-Lösung (HAuC ) unter starkem Rühren zum Sieden erhitzt. In diese Lösung werden 3,75 mL 1 Gew.- % Natriumcitrat-Lösung mit Hilfe einer Spritze schnell injiziert und die Reaktionslösung weitere 15 min am Sieden gehalten. Der Farbwechsel der Reaktionslösung von gelb nach blau und rot-violett zeigt die Bildung von Gold-Nanopartikeln an. Der Feststoffanteil in der Partikellösung beträgt rund 0,06 g'L ^"1 . Der wahrscheinlichste Partikeldurchmesser wurde mittels statistischer Auswertung von transmissionselektronenmikroskopischen Aufnahmen zu 18±5 nm bestimmt.

Mittels einer Festphasensynthese wurde das am 3' Terminus mit Hexylthiol (HS-C ₆ Hi ₂ -) funktionalisierten Oligonukleotid 3'-HS-C ₆ Hi ₂ -TTTGCTGA hergestellt. Zum Zwecke des Austausches der synthesebedingten Citrat-Molekülbelegung der Gold-Partikeloberflächen gegen das Oligonukleotid wird die Gold-Partikellösung (150 μί, 17 nmol-L ^"1 , 0,5 nmol) mit einer Lösung des Oligonukleotids (46 μί, 3,75 μιηοΐ-ί ^"1 , 0,2 nmol) versetzt und 24 Stunden bei Raumtemperatur gerührt, wie von Mirkin et al, Nature 382, 602, 1996 beschrieben.

Anschließend werden die Partikel durch Zentrifugation aus der Lösung abgetrennt, der Überstand durch reines destilliertes Wasser ersetzt und die Partikel im Ultraschallbad redispergiert. Der erfolgreiche Austausch kann mit Hilfe der ATR-IR-Spektroskopie kontrolliert und bei Misserfolg die Austauschreaktion ggf. nochmals wiederholt werden.

Geschlossene Schichten dieser Oligonukleotid-funktionalisierten Gold-Nanopartikel auf einem elektrisch nicht- leitenden Substrat lassen sich auf unterschiedlichste Art und Weise erzeugen. Praktisch bewährt haben sich dabei beispielsweise das mehrmalig Auftropfen und Eindampfen der Partikellösung auf dem Träger, das Ein- bzw. Auftauchen des Trägers in bzw. aus einer Partikellösung, sowie das Ab- oder Verreiben des Nanokompositmaterials aus getrockneten und gepressten Nanokompositmaterial auf dem Träger. Mit Hilfe von Silberlot werden elektrische Kontakte im Abstand von etwa einem Millimeter auf der erzeugten geschlossenen Partikelschicht angebracht.

Zwischen den elektrischen Kontakten auf der Oligonukleotid-fünktionalisierten Gold- Nanopartikelschicht auf einem Objektträger aus Glas werden 5 μΐ _^ einer wässrigen

Natriumchlorid-Lösung (0,1 mol-L ^"1 ), die mit Hilfe eines Phosphatpuffers (10 mmo l-L ^"1 ) auf pH 7 eingestellt wurde, aufgetropft. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels wird der Tunnelstrom in Abhängigkeit der angelegten Spannung bzw. der elektrische Widerstand der Partikelschicht bestimmt. Dieser Messwert dient als Nullabgleich.

Werden anschließend erneut 5 μΐ, einer Lösung, die das komplementäre Oligonukleotid AAACGACT enthält, aufgetropft, so führt das Lösen des getrockneten Natriumchlorids und Phosphatbuffers zu Bedingungen, die eine Hybridisierung der Oligonukleotide ermöglichen. Durch die Anlagerung des komplementären Oligonukleotids an die Partikel verändert sich die Geometrie der organischen Tunnelbarriere zwischen den Gold-Partikeln, wie Höhe, Breite und Asymmetrie der Barriere. Dieses führt zu einer messbaren Änderung des

spannungsabhängigen Tunnelstroms bzw. des elektrischen Widerstands der gesamten Partikelschicht. Daher eignet sich ein solcher Sensor zum Nachweis eines komplementären Oligonukleotids, das Bestandteil eines bakteriellen oder viralen Krankheitserregers ist, und entsprechend zum Nachweis dieses Krankheitserregers durch den Sensor.

Beispiel 7: Herstellung einer Beschichtung aus Nanokompositen auf einem nichtmetallischen Träger zur Verwendung als Sensor

Die in Beispiel 1 hergestellten Nanokomposite konnten aus der Suspension abgetrennt werden und bildeten eine plastische Masse, die durch Pressen der Masse in eine dreidimensionale Form und Aufpressen und Bewegen dieser gepressten Masse auf eine Glasplatte als Träger aufgetragen bzw. aufgeschmiert wurde. Elektrische Kontakte aus Silberdraht konnten ohne weiteres direkt auf die aufgetragene Schicht aufgelötet werden. Die Nanopartikel waren aus superparamagnetischem Fe ₃ 0 ₄ . Die Figur 4a zeigt ein Foto mehrerer solcher Schichten nebeneinander auf dem Glasträger mit jeweils aufgelöteten Kontakten.

Die Figuren 4b bis 4e zeigen elektronenmikroskopische Aufnahmen eines Ausschnitts der Schicht von Figur la und machen deutlich, dass auch bei dieser Auftragsweise die

Nanokomposite regelmäßig angeordnet sind und einen Verbund bilden.

Der Sensor von Figur 4a wurde einem Magnetfeld ausgesetzt und es wurde der elektrische Widerstand zwischen zwei Kontakten gemessen. Die Messwerte sind in Figur 4f gezeigt und machen deutlich, dass auch ein Magnetfeld die elektrischen Eigenschaften einer Schicht aus den Nanokompositen auf einem nichtleitenden Träger messbar beeinflusst und einen Sensor bildet. In Ausführungsformen der Schicht aus Nanokompositen auf einem nichtleitenden Träger können die Nanokomposite ohne Vernetzung miteinander vorliegen.

Optional können die Nanokomposite vernetzt sein, z.B. um die Beständigkeit der

Beschichtung gegen Abrieb oder Flüssigkeiten zu erhöhen. Dabei ist optional der Träger selbst nicht mit den Nanokompositen vernetzt und weist entsprechend keine gebundenen organischen Liganden auf, die mit den Nanokompositen vernetzt sind. Alternativ kann der Träger gebundene organische Liganden aufweisen, bevorzugt mit einer langen linearen Kettenlänge, z.B. zumindest C ₁₈ oder zumindest C ₂₂ , die mit den Nanokompositen verbunden sind, z.B. nur durch van-der-Waals-Bindungen, ionische Bindungen oder kovalente

Bindungen. Weiter ist dabei bevorzugt, dass der organische Ligand der Nanokomposite eine lange lineare Kettenlänge aufweist, z.B. zumindest C ₆ , bevorzugt C ₁₈ oder zumindest C ₂₂ , um den Nanokompositen eine gewisse Beweglichkeit zu geben.

Wenn der Träger elastisch ist, z.B. aus einem dehnbaren nichtleitenden Kunststoff, kann der Sensor als Kraftmesssensor oder Dehnungsmesssensor verwendet werden. In dieser

Ausführung ist bevorzugt, dass die Nanokomposite kovalent mit dem Träger verbunden sind, der z.B. mit einen gebundenen organischen Liganden aufweist, der mit den Nanokompositen chemisch verbunden ist.

Zur Verwendung als chemischer Sensor für einen Analyten können die Nanokomposite, die die Schicht auf dem nichtleitenden Träger bilden, spezifische Bindemoleküle aufweisen. Solche Bindemoleküle können z.B. an den organischen Liganden angebunden sein. Als Beispiel für Bindemoleküle wurden Antikörper aus einem ELISA- Kit an die als organischen Liganden gebundene Ölsäure von Nanokompositen nach Beispiel 1 gebunden.

Bei Kontaktieren dieses Sensors, bei dem die Nanokomposite mit gebundenen Antikörpern als Schicht auf einem Träger aufgebracht und mit elektrischen Kontakten versehen waren, mit dem Antigen in wässriger Lösung konnte zwischen den Kontakten eine Veränderung des Widerstands und/oder der Kapazität gemessen werden.

Ohne besonderes Bindemolekül kann eine Schicht aus den Nanokompositen auf einem nichtleitenden Träger, die optional miteinander und/oder mit auf dem Träger gebundenen organischen Liganden vernetzt waren, als Sensor für Ionen in wässrigen Zusammensetzungen verwendet werden. Dabei wird bevorzugt die Leitfähigkeit bzw. der Widerstand zwischen den Elektroden gemessen. Beispielsweise wurden Nanokomposite aus Nanopartikeln aus Fe ₃ 0 ₄ mit Terephthalsäure als organischem Liganden als Schicht auf einem Glasträger aufgebracht und mittels Silberlot mit Kupferdrähten an zwei beabstandeten Stellen kontaktiert. Das Auftropfen von Chrom(III)-ionen in THF auf die Schicht aus Nanokompositen führte zu einem messbar geringeren Widerstand zwischen den Kontakten, insbesondere nach dem Trocknen der aufgetropften Lösung bei Umgebungsbedingungen. Es wird angenommen, dass eine der Carbonsäuregruppen (Lewis-Donator) der Terephthalsäure an die Nanopartikel bindet und die andere Carbonsäuregruppe mittels Wasserstoffbrückenbindungen die Schicht aus den Nanokompositen zusammenhält und die Kontaktierung dieser Schicht mit

Metallionen zu einer Lewis- Akzeptor-Donor-Bindung (Komplexbindung) führt, die die Geometrie der organischen Liganden ändert, was wiederum eine Änderung des Tunnelstroms bzw. des elektrischen Widerstands bewirkt.

Als generelle Alternative zu einer Sensorfläche aus Nanokompositen, die auf einen Träger aufgebracht sind, wurden Nanokomposite, die zu einem dreidimensionalen Formling gepresst waren, als Sensor zwischen zwei, bevorzugt vier beabstandeten elektrischen Kontakten angebracht. Optional wurden diese dreidimensionalen gepressten Formlinge, die auch als Sensorkörper bezeichnet werden können, durch elektrische Kontakte, die gegen die

Oberfläche des Sensorkörpers gepresst und/oder gelötet waren, gehalten. Die

dreidimensionale Form war z.B. ein flaches Rechteck, ein runder Stab oder eine Kugel, mit Kantenmaßen im Bereich von z.B. 0,5 bis 10 mm Länge. Für eine höhere Festigkeit, z.B. für einen Kraftmesssensor, wurde die Vernetzungsreaktion in den Formlingen gestartet.

Beispiel 8: Verwendung von Nanokompositen als Anstrichmasse

Nanokomposite, die nach Beispiel 1 de novo aus löslichen Vorläuferverbindungen oder aus vorgefertigten Nanopartikeln hergestellt wurden, wurden als Anstrichmasse für

Metalloberflächen, insbesondere Stahl, mit Zink oder Zinkphosphat beschichteten Stahl oder Aluminium, oder für Kunststoffoberflächen als Träger verwendet. Optional wurden diese Träger zuvor mit einem Liganden verbunden, der mit dem organischen Liganden der

Nanokomposite vernetzbar ist. Nach dem Auftragen der Nanokomposite, die als

Anstrichmasse Verwendung finden, auf den Träger bzw. auf den mit einem Liganden verbundenen Träger, wurde die Vernetzung der zweiten funktionellen Gruppe der organischen Liganden untereinander und mit dem Liganden des Trägers ausgelöst, z.B. durch Erwärmen oder Zusatz eines Radikalstarters zu den Nanokompositen. Im Falle von ethylenisch ungesättigten und besonders bei mehrfach ungesättigten Gruppen als zweiten funktionellen Gruppen kann Sauerstoff den Radikalstarter bilden.

Die Nanopartikel können generell und insbesondere in dieser Ausführungsform anorganische Farbpigmente, harte, selbstreinigende oder antibakterielle Partikel sein, z.B. Eisenoxid, Zirkoniumdioxid, Titandioxid oder Silber- bzw. Kupfernanopartikel oder eine Mischung von zumindest zweien dieser. Die organischen Liganden können als erste funktionelle Gruppe, die an Farbpigmente bindet, z.B. Carbonsäuren-, Silan- oder Thiolgruppen aufweisen.

Es zeigt sich, dass ein Auftrag von Nanokompositen auf einem Träger nach der Vernetzung der zweiten funktionellen Gruppen der organischen Liganden der Nanokomposite, bevorzugt zusätzlich mit auf dem Träger gebundenen organischen Liganden, eine dauerhafte

Beschichtung bildet, deren optische, mechanische, reinigende oder antibakterielle

Eigenschaften auch durch die Nanopartikel bestimmt wird.