Herstellung eines pre-vaskularisierten, biofunktionalen Trachea-Ersatz-Gewebes

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst Fischer; Professor Dr. Stefan Jockenhövel
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 256933203

3D-Druck-Technologien ermöglichen eine schnelle, additive Fertigung unter Einhaltung hoher räumlicher Auflösung und Komplexität der generierten Bauteile. Angewandt auf den Bereich Tissue Engineering ergibt sich dabei ein enormes Potential zur Herstellung künstlicher Gewebe, die die Komplexität natürlicher Gewebe in Struktur und Zusammensetzung nachahmen sollen. So besteht beispielsweise eine menschliche Luftröhre aus diversen Zelltypen und funktionalen Geweben wie Muskel- sowie Bindegewebe und Knorpel. Diesem Forschungsvorhaben liegt die Arbeitshypothese zugrunde, dass die röhrenförmige Anatomie einer natürlichen Luftröhre in einem 3D-Drop-on-Demand-Druckverfahren nachgeahmt werden kann. Dabei sollen zwei verschiedene Hydrogele verdruckt werden, von denen das eine als Zellträgermaterial, das andere als zellfreier Knorpelersatz dienen soll. Als zelltragendes Material soll ein Hydrogel-Blend aus Agarose und Kollagen I verwendet werden, das bereits im Rahmen der ersten Förderphase ein hohes Angiogensepotential durch Ko-Kultur von humanen Endothelzellen und Fibroblasten und außerdem eine gute 3D-Druckbarkeit offenbarte. Besonderer Fokus wird nun in der angestrebten zweiten Förderphase auf die Weiterentwicklung eines geeigneten Knorpelersatzmaterials gelegt. Bisher erwiesen sich fotovernetzbare Polyethylenglykole (PEG) als zügige Gelbildner mit modulierbaren mechanischen Eigenschaften. Im weiteren Verlauf des Projektes sollen die Vernetzungszeit PEG-basierter Hydrogele weiter verkürzt und zellschädigende Fotovernetzer ausgeschlossen werden. Erforscht werden soll im Folgenden die Gewebebildung durch im Hydrogel befindliche Zellen, ein maßgeschneidertes PEG-basiertes Knorpelersatzmaterial, der Einfluss der Gewebebildung auf die Angiogense und die Expression proangiogener Marker, die Integration prävaskularisierter Hydrogelproben in ein CAM-Modell sowie ein für die Anwendung prädestiniertes neuartiges 3D-Membran-Druckverfahren. Das Trachea-Substitut wird zur Prävaskularisierung und weiteren Gewebebildung in einem für röhrenförmige Strukturen geeigneten, pulsatilen Bioreaktor kultiviert. Eine zusätzliche Epithelialisierung des Konstruktes soll anschließend durch zellkompatibles Aufsprühen und Kultivierung von respiratorischen Epithelzellen auf der Innenseite erzielt werden. Des Weiteren sollen die generelle Machbarkeit und die Grenzen untersucht werden, 3D-Bioreaktoren für die Gewebeentwicklung von röhrenförmigen, mittels Bioprinting hergestellten Strukturen einzusetzen. Die wissenschaftlichen Erkenntnisse aus diesem Forschungsvorhaben könnten im Nachgang zur Entwicklung eines patientenspezifischen Luftröhren-Ersatzgewebes genutzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen