Hybride Kollagenmaterialien für biomedizinische Anwendungen

BMWi INNO-KOM-Ost MF 150076 | Laufzeit: 02.2016 – 07.2018 Marit Baltzer, Ina Prade, Michael Meyer, FILK Freiberg
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  • Biomaterialien
  • Kollagen

Ausgangssituation

Für das Tissue Engineering werden Formkörper zur Besiedelung mit unterschiedlichen Zelltypen benötigt. Um komplexe Gewebestrukturen nachzubilden, sind bislang keine Bewuchskörper verfügbar, welche vollständig aus Kollagen bestehen und mit verschiedenen Bewuchselementen ausgestattet sind.

Projektziel

Inhalt und Ziel des Projektes war es, resorbierbare Formkörper herzustellen, in denen alle Einzelelemente, d. h. die Poren, Kanäle und Membranen, aus reinem, nativem Kollagen bestehen. Damit soll die Mikroumgebung für verschiedene Zelltypen bereitgestellt werden, um eine gezielte Geweberegeneration zu erreichen.

Lösungsweg

Alle Einzelelemente wurden auf Basis einer porcinen Kollagendispersion gefertigt und zu multistrukturellen Formkörpern zusammengesetzt. Definierte Poren wurden durch die gerichtete Gefriertrocknung, d. h. den definierten Entzug von Wärme beim Einfrieren, eingestellt. Dabei nehmen im Wesentlichen der Kollagengehalt, der pH-Wert sowie das Lösungsmittel der Kollagendispersion Einfluss auf die Ausformung der Poren. Gleichzeitig dient die Dispersion zum Einbetten der Hohlkanäle. Diese wurden durch Extrusion des Materials durch eine Düse mit einem definierten Kern hergestellt. Der Strang wurde direkt in ein Lösungsmittelbad hinein extrudiert, wobei dieser stark entwässert und gleichzeitig stabilisiert wurde. In Abhängigkeit vom Trockensubstanzgehalt und dem Kerndurchmesser der Düse kann die Wandstärke der Hohlfäden eingestellt werden. Folien bzw. Membranen wurden durch konvektive Trocknung hergestellt. Um an den Formkörpern geschlossene Oberflächen zu erzeugen, können die Formkörper ebenfalls konvektiv vorbehandelt werden.

Ergebnisse

Reines, natives Kollagen ist als Trägermaterial hervorragend geeignet, da es die extrazelluläre Matrix als natürliche Umgebung von Zellen sehr gut abbildet und bereits vielfältig als Medizinprodukt eingesetzt wird. Durch die geschickte Kombination von Konvektions- und Gefriertrocknungsprozessen können geschlossene Oberflächen als Abgrenzung zum Medium hergestellt werden. Des Weiteren nimmt der pH-Wert wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften der Dispersion. Im sauren Bereich ist das Kollagen extrem gequollen und es können sehr feine, faserige Oberflächen geschaffen werden, womit die Medienversorgung im Scaffold sehr gut gewährleistet werden kann. Mit zunehmend neutralem pH-Wert agglomeriert das Kollagen und es entstehen sehr kompakte Schäume sowie sich scharf abgrenzende Oberflächen, welche in Abhängigkeit von der enthaltenden Trockenmasse zu komplett geschlossenen Oberflächen führen.

Durch die gezielte Temperaturführung während der Gefriertrocknung und die Einstellung der Dispersionseigenschaften (pH-Wert und TS-Gehalt) können die Porengrößen in einem Bereich zwischen 50 und 250 µm eingestellt werden. Weitere Elemente, wie z. B. die vorkonfektionierten Hohlfäden, werden direkt in die Dispersion eingebettet. Dazu wurden Formen im 3D-Druck gefertigt, um die korrekte zentrale Position der Kanäle im Scaffold zu erreichen. Gleichzeitig können in die Formen auch Kanülen mit vorgelegt werden, welche nach der Stabilisierung und Sterilisation des gesamten Formkörpers sofort für die Perfusion und Besiedelung verwendet werden können.

Die Einzelelemente können je nach Anforderung der zu kultivierenden Zelltypen so kombiniert werden, dass jedem Zelltyp eine gewebespezifische Oberfläche für die Besiedelung angeboten werden kann. Hohlfäden aus Kollagen oder Platzhalter aus Teflon werden in Dispersionen eingebettet und erzeugen so einen perfundierbaren Kanal in einen Schaumkörper. Glatte, geschlossene Oberflächen für Endothelgewebe werden nicht durch die Vorlage einer Folie, sondern durch einen konvektiven Zwischenschritt generiert.

   

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Danksagung

Das Forschungsvorhaben „Hybride Kollagenmaterialien für biomedizinische Anwendungen“, Reg.-Nr.: MF150076 wurde anteilig vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages innerhalb des Förderprogramms „FuE-Förderung gemeinnütziger externer Industrieforschungseinrichtungen in Ostdeutschland – Modul Marktorientierte Forschung und Entwicklung (MF)“ über den Projektträger EuroNorm GmbH gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unterstützung.

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