Abbaubare und druckelastische Flockscaffolds aus einem Einstoffsystem auf Basis von Chitosan für die Regeneration von Gelenkknorpel

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Gelinsky; Dr.-Ing. Gerald Hoffmann; Dr. Rolf-Dieter Hund
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238200731

Im Zentrum der Grundlagenuntersuchungen stehen die Entwicklung eines biologisch abbaubaren und deformationsstabilen druckelastischen Flockscaffolds aus einem Einstoffsystem mit einstellbaren Eigenschaften auf Basis von Chitosan und die systematischen zellbiologischen in vitro-Untersuchungen zur Eignung solcher Scaffolds als 3D-Trägerstukturen für das Tissue-Engineering von Gelenkknorpel. Dazu soll ein reproduzierbarer Spinnprozess zur Darstellung von Filamentgarnen aus reinem Chitosan mit definierter biologischer Funktionalität und anforderungsgerechten textilen Verarbeitungseigenschaften entwickelt werden. Als Substrate (Trägermaterialien) für den Flockprozess werden sowohl Chitosanmembranen, als auch neue ultraleichte oberflächenstrukturierte Chitosangewebe entwickelt. Für die Verbindung der Flockfasern aus Chitosan mit dem Substrat kommt ein zu entwickelnder Klebstoff auf Chitosanbasis zum Einsatz. Um die elektrische Leitfähigkeit der neuen Chitosan-Flockfasern für die elektrostatische Beflockung zu gewährleisten, werden biokompatible Präparationsrezepturen entwickelt. Durch die gezielte Anordnung der Komponenten im Flockprozess entstehen 100%ig biodegradable Scaffolds, die beim Einsatz von Chitosan als Träger (Flocksubstrat), Faser und Klebstoff als Einstoffsystem vorliegen. Die an die Scaffolds gestellten hohen Anforderungen hinsichtlich einer medizinischen Anwendung verlangen eine geschlossene Prozesskette, die bei geringstem Materialeinsatz zu definierten skalierbaren Porengrößen (vorzugsweise 100-150 µm) führen und gleichzeitig hohe Dimensionsstabilitäten der Scaffolds sichern. Die anisotrope Morphologie der Flockscaffolds führt zu ausreichend druckfesten, dabei aber elastischen und hochporösen Strukturen.Durch umfassende Zellkulturuntersuchungen ist die Biokompatibilität aller eingesetzten Materialien nachzuweisen. Durch in vitro-Untersuchungen zur Stabilität der entwickelten Flockscaffolds unter Zellkulturbedingungen und zur Degradation der eingesetzten Materialien erfolgt eine qualifizierte Bewertung des jeweils erzielten Arbeitsstandes und die Spezifikation der Anforderungen an die Komponenten als Basis für die zielgerichtete Technologie- und Strukturentwicklung. Die Besiedlung der abbaubaren Flockscaffolds mit primären humanen Chondrozyten (hCh) und humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) und die Analyse der chondrogenen Differenzierung zeigen den Einfluss der anisotropen Porengeometrie auf das Zellverhalten. Mit der Entwicklung geeigneter Biopolymer-Gele für die Kultivierung von hCh/hMSC in biodegradablen Flockscaffolds wird eine effektive Methode zur Zellbesiedlung dieser offenporigen Trägerstrukturen bereitgestellt. In weiteren Experimenten wird der Effekt von zyklischer mechanischer Stimulation auf Matrixsynthese und chondrogene Differenzierung von Zellen in Flockscaffolds untersucht und damit die Grundlage für ein neues Therapieverfahren für Defekte des Gelenkknorpels gelegt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen