Hierarchically structured biphasic scaffolds mimicking osteochondral tissue

• Applicant: Professor Dr. Michael Gelinsky
• Subject Area: Biomaterials
• Term: from 2010 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 182455002

Ziel des interdisziplinären Projekts ist es, künstliches osteochondrales Gewebe zu entwickeln, das die anisotrope, hierarchische Struktur des natürlichen Gewebes möglichst gut abbildet. Hierfür wurden biphasische Materialien entwickelt, die aus Alginatgelen und verschiedenen Komponenten der extrazellulären Matrix von Knochen- und Knorpelgewebe bestehen und verschiedene Merkmale beider Gewebe sowohl im nm- als auch im micrometer-Bereich nachbilden. Durch gerichtete ionotrope Gelbildung werden parallel ausgerichtete Kanalporen erzeugt, die zu einer anisotropen Scaffoldstruktur führen, ähnlich der Faserorientierung im hyalinen Gelenkknorpel und in den Osteonen. Die Dimensionen der finalen Scaffolds befinden sich im cm-Bereich, so dass eine Anwendung in der Regeneration osteochondraler Defekte möglich wird.Während der 1. Förderperiode wurden die Herstellungsparameter der biphasischen Scaffolds systematisch erforscht und auf milde Gelierungsbedingungen eingestellt, die die Einbettung lebender Zellen bereits während der Gel- und Porenbildung erlauben. Die Auswirkung verschiedener Parameter (Sterilisation der Ausgangsbiopolymere, Art der gelbildenden Ionen, Medium der Gelbildung, Additive) auf Porenbildung und mechanische Eigenschaften wurde systematisch untersucht. In vitro-Untersuchungen mit eingebetteten humanen Zellen (Chondrozyten und Mesench. Stammzellen) wurden sowohl im Knorpel- als auch im Knochenteil der Konstrukte durchgeführt. Erste Untersuchungen zum Effekt von Perfusion auf die Zellvitalität in den Hydrogelscaffolds erbrachten vielversprechende Ergebnisse.Während der 2. Förderperiode sollen gezielte Modifikationen im Knochenteil der osteochondralen Scaffolds zu einer erhöhten Stabilität führen und eine Umgebung schaffen, die besser für die Adhäsion und osteogene Differenzierung geeignet ist. Eine zusätzliche poröse Phase aus mineralisiertem Kollagen soll in den Knochenteil integriert werden, um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern und die Zelladhäsion zu erleichtern. Diese Scaffolds bestehen aus drei verschiedenen Schichten, ähnlich den drei Phasen des osteochondralen Gewebes: hyaliner Knorpel, mineralisierter Knorpel und Knochen. Zellen in verschiedenen Differenzierungsstadien (Osteoprogenitor, Osteoblast, Osteozyt) sollen als biologische Sensoren eingesetzt werden, um die Umgebung im mehrphasischen Scaffold zur Unterstützung der Knochenneubildung zu untersuchen und die osteogene Differenzierung von hMSC im Knochenteil besser verstehen zu können. Weiterhin werden die Eigenschaften des Knorpelteils noch näher an die des natürlichen Knorpels anpasst, indem Mikroaggregate mit weniger als 50 Zellen in die Matrix eingebettet und somit Chondonen-ähnliche Strukturen imitiert werden. Die Untersuchungen zur Perfusionskultur werden nun auch unter mechanischer Stimulation weitergeführt. Die am besten geeignete Scaffoldmodifikation (+/- autolog. Zellen) wird zur Untersuchung der osteochondralen Regeneration im Kaninchenmodell eingesetzt.

• DFG Programme: Research Grants