Neue funktionelle Materialien basierend auf selbstassemblierten Proteinnanofasern (PNNF): Abbaudynamik von PNNFs/hybrid PNNFs und Erzeugung von PNNF/hybrid PNNF basierenden Mikro-Scaffolds (Projektschritt 2)

• Antragsteller: Professor Dr. Klaus D. Jandt
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 252901784

Aufgrund hervorragender Biokompatibilität und Festigkeit haben Proteinnanofasern (PNNFs) großes Potenzial für Anwendungen in Materialwissenschaft und Biomedizintechnik. In diesem schrittweisen Projekt (3 Projektschritte mit je 2 Jahren Laufzeit) wollen wir die PNNF-Bildungsmechanismen verstehen und diese Erkenntnisse nutzen, um neuartige PNNF-basierte Mikrogerüste (MS) als Bausteine für größere Strukturen in der Geweberegeneration und das Drug Delivery zu schaffen.Im erfolgreich abgeschlossenen ersten Projektschritt haben wir i) neuartige Hybrid-PNNFs (hPNNFs) aus zwei Plasmaproteinen erzeugt, ii) ein Modell der PNNF-Selbstorganisation entwickelt, das die Ergebnisse erklärt und Vorhersagen für die Bildung neuer PNNFs ermöglicht, iii) PNNFs erzeugt, die für mindestens 4 Wochen in Lösung stabil sind, und iv) die gewünschte mechanische PNNF-Steifigkeit aufweisen. Die Ergebnisse bilden eine vielversprechende Grundlage für den zweiten Projektschritt.Der zweite Projektschritt fokussiert sich auf das Verständnis der PNNF- und MS-Degradation. Dies trägt zu dem zukünftigen Ziel bei, die Stabilität von Biomaterialien an die erforderliche Regenerationskinetik von Geweben anzupassen. Zwei Hypothesen werden getestet: Erstens, dass MSs aus PNNFs und neuen hPNNFs mittels Schicht-für-Schicht (LBL) und Mikrokontaktdruck (μCP) erzeugt werden können und zweitens, dass basierend auf dem Verständnis der PNNF und MS Degradation, MS mit der gewünschten Zieldegradation erzeugt werden können.Unsere Forschungsziele für Projektschritt 2 sind daher, i) die unbekannten Degradationsmechanismen der MS-Bausteine (PNNFs/hPNNFs) zu verstehen, ii) neue Strategien zur Herstellung neuartiger MS auf der Grundlage der selbstorganisierten PNNFs/hPNNFs anzuwenden.Dazu werden wir zunächst die Degradationsdynamik von PNNFs und hPNNFs mit AFM in Flüssigkeit und QCM, unter Berücksichtigung von Knochenregenerationsbedingungen, untersuchen. Die Ergebnisse dieser Experimente werden uns ermöglichen, den PNNF-Degradationsmechanismus, sowie den Einfluss des zweiten Proteins in hPNNFs und der PNNF/hPNNF-Dimensionen auf die Degradation zu verstehen. Diese sind wichtig, um den Abbau der PNNF/hPNNF-basierten MSs einzustellen. Danach werden PNNF/hPNNF-basierte Einzel- und Doppelschichten als wichtiger Zwischenschritt zur Herstellung von 3D MS mit LBL-Tauchbeschichtung erzeugt.Schließlich werden wir 3D-MS durch Kombination von LBL und μCP-Techniken erzeugen, um die Degradationseigenschaften der MS durch Wahl der PNNF/hPNNF-Dimensionen und MS-Struktur zu verstehen und anzupassen.Im späteren, dritten Projektschritt (letzte 2 Jahre) werden wir den Abbau, die mechanischen Eigenschaften und die zelluläre Antwort auf die MSs maßschneidern.Wir erwarten, dass die Ergebnisse das Verständnis von PNNFs maßgeblich voranbringen und sich aufgrund der Flexibilität der PNNF- und MS-Eigenschaften wesentliche Auswirkungen auf die Anwendung von MSs als Biomaterialien für die Geweberegeneration ergeben werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen