Artifizielle Matrices für das Tissue Engineering auf der Basis textiler Chitosanscaffolds
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Chitosanfasern vom Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der Technischen Universität Dresden und aus ihnen gefertigte textile Gebilden wurden unter Erhalt ihrer vorgegebenen Geometrien in heterogener Phase sulfuryliert. Dafür wurden die textilen zwei- und dreidimensionalen Scaffoldkonstruktionen vorzugsweise durch maschinelles Sticken hergestellt. Als Sulfurylierungsreagenzien eigneten sich Komplexe aus SO3 mit verschiedenen Lewis-Basen sowie das Natriumsalz der Chlorethansulfonsäure. Unter bestimmten Voraussetzungen gelang es, – anders als in den literaturbekannten Arbeiten, bei denen die Darstellung sulfurylierter Chitosane stets eine homogene bzw. quasihomogene Reaktionsführung erforderte – die Sulfurylierungsreaktionen als Festphasensulfurylierungen auszuführen und so die geometrischen Formen der Scaffoldkonstruktionen zu erhalten. Hierfür waren insbesondere Vorvernetzungen der Chitosane mit geeigneten Vernetzermolekülen, wie bspw. Genipin (reaktiver Vernetzer) oder Schwefelsäure (physikalischer Vernetzer) notwendig. Durch die vorzugsweise als Schwefelsäurehalbester eingebrachten Sulfurylgruppen wurde die adsorptive Bindung von BMP-2 (Bone morphogenetic protein 2) an die Chitosanscaffolds erhöht. Das adsorptiv gebundene BMP-2 konnte über definierte Zeiträume freigesetzt werden. Die Stimulation von humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) mit BMP-2 führt zur verstärkten Differenzierung und Mineraliserung der Zellen. Im Rahmen von Zytotoxizizätstests wurden lösliche Abbauprodukte des Chitosans untersucht. Die Zellen, inkubiert in Medium der unbehandelten Chitosanscaffolds, zeigten eine stark inhibierte Zellproliferation, während bei den vernetzten sulfurylierten und nur vernetzten Chitosanscaffolds keine Beeinflussung des jeweiligen Inkubationsmediums auf das Zellwachstums festgestellt werden konnte. Die Besiedlungseffizienz konnte von anfänglich 30 bis 50 % auf 60 bis 80% erhöht werden. Dabei führten Festphasensulfurylierungen mit SO3–DMF- und SO3–Pyr-Komplexen zu den höchsten Besiedlungswerten. Mikroskopisch konnte eine sehr gute Zelladhäsion der hMSC auf den sulfurylierten Scaffolds festgestellt werden. Die Zellen adhärierten bevorzugt am Chitosan, waren gespreitet und hatten dort einen dichten Zellrasen gebildet. Bei den Zellen auf den nichtsulfurylierten Chitosanscaffold erfolgte die Adhäsion dagegen nicht an den Chitosanfäden sondern hauptsächlich an den Polypropylen-Zweitfäden, die zur Fixierung der Scaffoldkonstruktionen Verwendung fanden. Durch die verschieden durchgeführten Festphasensulfurylierungen konnte die Proliferation und Differenzierung von hMSC gezielt beeinflusst werden. Nichtsulfurylierte Chitosanscaffolds zeigten keine Proliferations- und ALP-Aktivitätssteigerungen. SO3–DMF-Sulfurylierungen mit vorherigen H2SO4- Vernetzungen zeigten nur geringes Zellwachstum, während durch SO3–DMF ohne Vorvernetzung eine deutliche Proliferation erreicht werden konnte. Bei der SO3–DMF-Sulfurylierung ohne H2SO4-Vernetzung wurde ein früherer Differenzierungsbeginn als mit einer Vorvernetzung festgestellt. SO3–Pyr- Festphasensulfurylierungen führten – im Vergleich zu den SO3–DMF-Sulfurylierung – trotz schwächeren Sulfurylierungsgraden zu den höchsten Proliferationswerten und förderten die Osteoblastogenese am stärksten. Hier wurden die signifikant höchsten ALP-Werte gefunden. Untersuchungen mit humanen Monozyten führten bei allen sulfurylierten Chitosansaffolds zur Bildung von osteoklastenähnlichen Zellen (OCL). Die auf den SO3–Pyr sulfurylierten Scaffolds blieben hauptsächlich einkernig, während die SO3–DMF- bzw. ClESA-Sulfurylierungen zur Fusion der Zellen und folglich zur Mehrkernigkeit führten. Es zeigte sich, dass hohe Sulfurylierungsgrade, die bei der SO3–DMF-Sulfurylierung erreicht wurden, die Adhäsion von Monozyten am stärksten begünstigte. ClESA-Sulfurylierungen, die zu wenig sulfurylierten Chitosanoberflächen führten, förderten dagegen die osteoklastogene Differenzierung (hier konnten die signifikant höchsten TRAP5b-Werte festgestellt werden). Zusammenfassend lässt sich schlussfolgern, dass eine SO3–Pyr-Festphasensulfurylierung vorzugswiese die Osteoblastogenese förderte, während eine ClESA- Festphasensulfurylierung eher die Osteoklastogenese auf den Scaffolds förderte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Heterogene Sulfatierung von Chitosan. Chemie Ingenieur Technik 84 (2012) 1312-1313
Höhne, S.; Hanke, T.; Worch, H.; Simon, F.
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Heterogene Sulfatierung und Vernetzung von Chitosanmaterialien. In: Tagungsband zum ThGOT – Thementage Grenz- und Oberflächentechnik und 9. Thüringer Biomaterial-Kolloquium, 03.09.-05.09.2013, Zeulenroda, ISBN 978-3-00-042609-4, S. 9-10 (Addendum)
Höhne, S.; Breier, A.; Hanke, T.; Worch, H.; Simon, F.
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Heterogeneous sulphation of chitosan particles in the solid phase preserving their three-dimensional morphology. 12th International Conference on Polymers for Advanced Technologies 'PAT 2013', 29.09.-02.10.2013, Berlin
Höhne, S.; Breier, A.; Hanke, T.; Worch, H.; Simon, F.
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Heterogeneous crosslinking and sulphation of chitosan. Macromolecular Symposia 346 (2014) 66-72
Höhne, S.; Breier, A.; Jäger, M.; Hanke, T.; Worch, H.; Simon, F.
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Sulfation of textile chitosan scaffolds enhances adhesion, Proliferation and osteogenic differentiation of human bone marrow stromal cells. 27th European Conference of Biomaterials 'ESB', 30.08.- 03.09.2015, Kraków (Polen)
Heinemann, C.; Höhne, S.; Breyer, A.; Simon, F.; Wiesmann, H.P.; Hanke, T.
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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.
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Verfahren zur Festphasensulfatierung von Poly(D-glucosamin-co-N-D-acetylglucosamin)en. Erteiltes Patent DE 10 2012 219 880 B4 2017.01.12 (vom 12.01.2017), Int. Cl. C08B 37/08 (2006.01)
Höhne, S.; Hanke, T.; Worch, H.; Heinemann, C.; Simon, F.
