Hybrid-Scaffolds aus Chitosanfasern als dreidimensionale Trägerstrukturen für das Knochen-Tissue Engineering
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der ersten Projektphase ist es erstmals gelungen, biokompatible Chitosan-Garne für biomedizinische Anwendungen zu entwickeln. Diese konnten mithilfe von verdünnter Essigsäure als Bindungssystem im Net-Shape-Nonwoven-Verfahren erstmals zu dreidimensionalen, einfach strukturierten Scaffolds mit geometrisch beschreibbaren Geometrien aufgebaut werden. Auf Basis der entwickelten Fasern und des kohäsiven Bindungssystems konnten zudem, mithilfe verschiedener Funktionalisierungsmethoden, Hybridscaffolds umgesetzt und auf ihre Eignung als 3D-Trägerstrukturen für das TE von Knochen in vitro untersucht werden. Aufbauend auf den umfangreichen und aussichtsreichen Ergebnissen der ersten Förderphase könnten in der zweiten Förderphase neuartige komplex strukturierte und funktionalisierte NSN-Hybridscaffolds mit lokal einstellbaren Porositäten entwickelt werden, um einen Scaffold zu generieren, der ähnliche Struktur und Materialzusammensetzung wie das Knochengewebe aufweist. Um Zusammenhänge zwischen eingesetzten Fasertypen, Fertigungsparametern und Beschichtungen und der daraus resultierenden Strukturen und Porositäten vorherzusagen und Entwurfsrichtlinien für NSN-Hybridscaffolds ableiten zu können, wurden die komplexen NSN-Strukturen rechnergestützt mittels Software Geodict modelliert. Für die Realisierung dieser komplex strukturierten NSN-Hybridscaffolds wurde eine durchgehende Prozesskette geschaffen, welche die Fertigung von NSN-Hybridscaffolds unter Einsatz der im Materialmodell entwickelten Algorithmen erlaubte und somit Trial and Error-Versuche weitestgehend vermeidet. Die für das Zellverhalten vorteilhafte Kollagenbeschichtung zur Generierung von Porengradienten zu nutzen, erfordert eine weiterführende Erforschung der Einflussparameter bei der Beschichtung der NSN- Hybridscaffolds. Die gezielte Mineralisierung der NSN-Hybridscaffolds sowie deren Funktionalisierung mit einem Modellprotein auf Nanofaserebene verbesserten die Zelladhäsion, Proliferation und Differenzierung erheblich. Es wurde festgestellt, dass die überkritische CO2-Sterilisation im Vergleich zur Gammasterilisation die Degradation der Chitosanfasern beschleunigt. Die Degradation der NSN- Hybridscaffolds sowie die Bioresorption in Gegenwart der knochenabbauenden Osteoklasten wurden intensiv studiert, um Rückschlüsse auf das in vivo-Abbauverhalten zu erhalten. Die Ergebnisse der Zellkulturversuche in Monokulturen zeigten, dass sich die osteogene Differenzierung der hMSC durch Kollagenfunktionalisierung und Mineralisierung im Vergleich zu den nicht funktionalisierten Scaffolds um das Dreifache erhöht. Ferner erhöhten sich auch die Anzahl der Zellkerne pro Osteoklast und somit die Zellgröße. In Vorbereitung auf künftige in vivo-Studien wurde der Einfluss der verschiedenartigen Funktionalisierung auf die Angiogenese von Endothelzellen untersucht. Auf den mineralisierten Scaffoldvarianten deuteten sich unter Zugabe von VEGF prävaskulare Strukturen an. Auf Grundlage der in beiden Projektphasen erzielten Ergebnisse wurde ein Modell-NSN-Scaffold entworfen und erfolgreich realisiert. Um dem strukturellen Aufbau des natürlichen Knochengewebes zu entsprechen, wurde eine Scaffoldstruktur in Form eines Kegelstumpfes mit einem Kern hoher Porosität und einem Mantel geringer Porosität zur Nachbildung des spongiösen und kompakten Knochens entwickelt, charakterisiert und erfolgreich besiedelt. Damit wurde die notwendige Basis geschaffen, um in vivo-Studien durchführen zu können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Chitosan/gelatin micro/nanofiber 3D composite scaffolds for regenerative medicine, Composite Interfaces 21 (2014) 4, S. 301-308
Hild, M.; Toskas, G.; Aibibu, D.; Wittenburg, G.; Meissner, H.; Cherif, Ch.; Hund, R.D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1080/15685543.2014.852016) - Net Shape Nonwoven: a novel technique for porous three-dimensional nonwoven hybrid scaffolds. In: Textile Research Journal 84 (2014) 10, S. 1084-1094
Hild, M.; Brünler, R.; Jäger, M.; Laourine, E.; Scheid, L.; Haupt, D.; Aibibu, D.; Cherif, Ch.; Hanke, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1177/0040517513515315) - Flexible fiber-based rapid prototyping technology for implants with structural gradings for regenerative medicine. Tissue Engineering Part A 21(2015), Supp. 1, S. 354
Brünler, R.; Aibibu, D.; Cherif, Ch.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1089/ten.tea.2015.5000.abstracts) - Simulationsgestützte Entwicklung und Herstellung maßgeschneiderter, mineralisierter Scaffolds für die Knochenregeneration. 54th Dornbirn Man-made Fibers Congress , Dornbirn (Österreich), 16.-18. September 2015
Brünler, R., Heinemann, C., Aibibu, D., Hanke, T., Cherif, Ch.
- Balancing osteoblast/osteoclast ratio by means of chitosan scaffolds either surficial sulphated or modified by hemocyanins and calcium phosphate phases. 10th Worlds Biomaterials Congress, 17.05.-22.05.2016, Montreal (Kanada)
Heinemann, C.; Farack, J.; Kruppke, B.; Höhne, S.; Brünler, R.; Weil, S.; Aibibu, D.; Sagi, A.; Hanke, T.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.3389/conf.FBIOE.2016.01.00769) - Electric field-assisted formation of organically modified hydroxyapatite (ormoHAP) spheres in carboxymethylated gelatin gels, Acta Biomaterialia 44 (2016), S. 135-143
Heinemann, C.; Heinemann, S.; Kruppke, B.; Worch, H.; Thomas, J.; Wiesmann, H.P.; Hanke, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actbio.2016.08.024) - Fiber-based hybrid structures as scaffolds and implants for regenerative medicine. In: Vladan Koncar (Hrsg): Smart Textiles and Their Applications. Cambridge: Woodhead Publishing, 2016. - ISBN: 978-0-08-100574-3, S. 241-256
Brünler, R.; Hild, M.; Aibibu, D.; Cherif, Ch.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100574-3.00012-6) - Modelling and Additive Manufacturing of Scaffolds and Implants from Biopolymers as a precision medicine approach. Bioprinting & 3D Printing in the Life Sciences, Singapur, 21.-23. Juli 2016
Brünler, R., Aibibu, D., Cherif, Ch.
- Modelling and additive manufacturing of scaffolds for bone tissue engineering as a precision medicine approach. Jahrestagung der DGBM, Aachen, 22.-24. September 2016
Brünler, R., Heinemann, C., Aibibu, D., Hanke, T., Cherif, Ch.
- In silico modeling of structural and porosity properties of additive manufactured implants for regenerative medicine. In: Materials Science and Engineering: C 76 (2017), S. 810-817
Brünler, R.; Aibibu, D.; Wöltje, M.; Anthofer, A.M.; Cherif, Ch.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.msec.2017.03.105)
