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AG Biomaterialien

Die Schwerpunkte der AG Biomaterialien sind die Polymerverarbeitung für die Implantattechnologie, Entwicklung von medizintechnisch relevanten Implantaten sowie Testverfahren für deren Validierung.

 

Gruppenmitglieder

  

Polymerverarbeitung

     Electrospinning

Der am meisten verfolgte Ansatz für das funktionelle Tissue Engineering des Instituts für Mehrphasenprozesse ist das (Melt-) Electrospinning. Mit Hilfe dieses Verfahrens können Nano- bis Mikrometer große Fasern in einer Art Vlies verarbeitet werden. Fernziel ist dabei die Ausbildung von natürlichem Gewebe in Form eines Scaffolds (Gerüststruktur) für die Verwendung als Implantatmaterial. Daraus ergeben sich Anwendungsfelder wie Gefäßprothesen, Sehnenersatzkonstrukte, Nervenleitschienen oder Herzklappenprothesen

     Electrospraying/ Air-Flow

Eine weitere Anwendung stellt das Electrospraying dar. Entgegen des geläufigeren Electrospinnings kommt es hierbei zu einer Zerstäubung einer geeigneten Polymerlösung. Das resultierende Spray enthält feine, hoch unipolar geladene Tropfen mit einer schmalen Größenverteilung. Auf diese Weise lassen sich auch Zellen in die resultierenden Beads einbetten. Für die Außenhülle wird beispielsweise Alginat als degradierbares Biopolymer verwendet, damit die Zellen mit einer zeitlichen Verzögerung freigegeben werden können. Beim Air-Flow-Verfahren werden die Alginattropfen mit Druckluft aus der Kanüle befördert.

     Hybridmethode

Beide Verfahren können ideal miteinander kombiniert werden, indem man sogenannte Multilayer aus Gelatin-Polycaprolacton-Fasern und Alginat-Beads herstellt. So werden die Stammzellen, geschützt durch die zusätzliche Außenhülle, zwischen die Fasern gebettet und nach und nach freigegeben um sich auszudifferenzieren.

 

 

Implantatentwicklung

     Gefäßprothesen

Synthetische Prothesen bieten gegenüber biologischen den Vorteil, dass sie standardisiert in großer Stückzahl herstellbar und daher jederzeit verfügbar sind. Sie bergen jedoch den Nachteil, dass sie während der kompletten Implantationsdauer einen Fremdkörper für den menschlichen Körper darstellen. Die Patienten sind zur Einnahme von Medikamenten wie Gerinnungshemmern gezwungen. Eine Alternative bietet in diesem Kontext die Nachahmung der Natur durch die Herstellung „gezüchteter“ Prothesen mittels Tissue Engineering. Hierbei werden Scaffolds hergestellt, welche mit körpereigenen Zellen besiedelt werden. Der Scaffold wird nach Implantation vom Körper abgebaut, wodurch ein vollständig körpereigener Gewebeersatz verbleibt.

     Nervenleitschienen

Traumatische Verletzungen und Substanzverlust peripherer Nerven führen häufig zu lebenslangen körperlichen Einschränkungen. Als Goldstandard erfolgt die Rekonstruktion längerer Nervendefekte durch autologe Nerventransplantate, die aber wegen des kompletten Funktionsverlustes des Spendernervs nur begrenzt verfügbar sind. Biosynthetische Nervenleitschienen mit innovativen stimulierenden Materialeigenschaften können Alternativen zu den auf dem Markt erhältlichen schlauchförmigen Implantaten mit sehr variablem Regenerationserfolg bieten. Die entwickelte Nervenleitschiene mit piezoelektrischen Eigenschaften soll über mikroelektrische Impulse das gerichtete axonale Wachstum beschleunigen und damit lange Regenerationszeiten deutlich verkürzen.

     Sehnenersatz

Im Rahmen des Forschungsprojektes FOR 2180 arbeiten wir in einem interdisziplinären Team an der prinzi­piellen Machbarkeit und modellhaften Her­stel­lung eines gradierten Im­plantats für einen zu­künftigen Einsatz am Sehnen-Knochen-Übergang der Rotatorenmanschette. Als Grundmaterial dienen elektro­ge­spon­nene Fa­sermat­ten aus bioabbauba­ren Polymeren wie Polycaprolacton mit einem gerichte­ten („sehnensei­tig“) bzw. unge­richte­ten („knochenseitig“) Faserverlauf. Die Faser­matten werden durch geeignete Maßnahmen, z. B. das Einbringen von im physiologischen Milieu löslichen „Opferfasern“, hinsichtlich der Zwischenräume der Fasern und Permeabilität so eingestellt, dass das Überleben und die Funktion einwandernder Zel­len gefördert werden so­wie der Transport von Nährstoffen und Stoffwechselprodukten möglich ist. Weiterhin werden die mechanischen Eigen­schaften an die in vivo-Situation angepasst.

     Herzklappenprothesen

Sowohl genetische Defekte als auch Begleiterscheinungen von z.B. Myokarditis können zu einer Degradation von Herklappen oder einer Insuffizienz durch Kalzifizierung führen, die mitunter lebensbedrohlich werden können. Neben einer biologischen Herzklappenprothese oder einer Rekonstruktion der verbleibenden Klappe können sie auch durch eine mechanische Herzklappe ersetzt werden. Da diese jedoch eine ständige Medikation mit sich bringen, wird auch hier versucht mit Hilfe von elektrogesponnenen Herzklappen eine degradierbare Lösung zu entwickeln. Basierend auf geigneter Bildgebung werden die geometrischen Bedingungen erfasst und die Scaffolds patientenspezifisch hergestellt. Die so hergestellten Herzklappengerüststrukturen sollen anschließend in vitro mit patienteneigenen adulten Stammzellen besiedelt werden. Das sich dadurch nachbildende Gewebe erfordert somit nur für den Zeitraum des Verbleibs der Gerüststruktur eine Medikation.

     Drug Delivery

Nach einem Schlaganfall oder Myokardinfarkt ist Thrombose eine lebensbedrohliche und häufige Folgeerscheinung. Deswegen werden neuartige Strategien implementiert, um biomimetische Materialien zu entwickeln, die lokal Antikoagulanzien abgeben können. Hierfür kann und wird auch das Electrospinning genutzt, um solche sogenannten Drug Delivery Systeme herzustellen. Eine erfolgreiche Einbettung von Antikoagulanzien in Faserkonstrukten kann das Risiko einer Thrombose signifikant reduzieren. Ferner ist die Herstellung und Charakterisierung eines Dual Delivery Systems aus Biopolymeren, dass zwei oder mehrere Pharmazeutika beinhaltet, ein vielversprechender Ansatz zur Behandlung einer Thrombose und damit Gegenstand der Forschung.

 

 

Prüfung und Charakterisierung

     Mechanische Prüfung

Die erfolgreiche Entwicklung einer Gefäßprothese unterliegt hohen Anforderungen. Neben der biologischen Verträglichkeit der Gerüststruktur sind hohe mechanische Anforderungen zu erfüllen. Hierfür ist ein Zugprüfstand entwickelt worden, welcher es ermöglicht, Zugprüfungen unter physiologischen Temperaturbedingungen durchzuführen. Dieses System ist so aufgebaut, dass verschiedene Geometrien und Zugrichtungen in radialer und axialer Richtung geprüft werden können.

     Durchflussmessung

Des Weiteren wurde ein Biegeprüfstand entwickelt, welcher das Durchflussverhalten von Gefäßprothesen in Abhängigkeit des Biegewinkels ermittelt. Das Gesamtprüfsystem besitzt ein Kreislaufsystem, dass den Druck und die Strömung über die Einstellung der Höhendifferenzen realisiert. Mit Hilfe von Druck- und Temperatursensoren sowie einem Thermostat werden Kennwerte aufgenommen und konstante Prüfbedingungen geschaffen.

     Qualitätskontrolle/ Wiederholgenauigkeit

Zur Sicherstellung und Bestimmung der Qualität und Wiederholgenauigkeit der Proben werden zwei Methoden verwendet. Zum einen kann eine mechanische Charakterisierung erfolgen, bei der in einem uniaxialen Zugversuch die Längenänderung und Kraft bis zum Bruch aufgenommen wird. Eine weitere Methode stellt die Porositätsbestimmung dar, mit der die Konstanz des Hohlraumvolumens bestimmt wird.