4D-Bioprinting von vaskularisiertem Knochengewebe und Evaluation der Blutgefäß- und Knochenbildung in einem orthotopen Knochendefektmodell

• Antragsteller: Professor Dr. Günter Finkenzeller (†); Dr. Peter Koltay
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie ; Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263422750

In der ersten Förderperiode des Bioprinting Projektes konnten wir wichtige Grundlagen schaffen für das Bioprinting von vaskularisiertem Knochengewebe. So konnten zwei Hydrogele identifiziert werden, die in der Lage waren die Ausbildung von Blutgefäßkapillaren, ausgehend von Endothelzellen (HUVECs), bzw. die osteogene Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen (MSCs), in geeigneter Weise zu unterstützen. Des Weiteren wurde im Rahmen des Projektes ein 3D-Drucker entwickelt, der zwei unterschiedliche Drucktechnologien, nämlich Drop on Demand (DoD) und Extrusiondruck, integriert und auch für die Herstellung und Dosierung von Sphäroiden geeignet ist.Damit wurden stabile Würfel mit Kantenlängen von 1 cm gedruckt. Die vaskuläre Komponente wurde hierbei realisiert durch den DoD-Druck von hochdichten HUVEC Zellsuspensionen in einem Fibrin-Hydrogel. Die osteogene Komponente wurde realisiert durch den Extrusionsdruck von MSCs in einem Hydrogel bestehend aus Fibrin, Gelatine, Hyaluronsäure, Glycerol und Hydroxylapatit (osteo-Hydrogel). Wir konnten sowohl in vitro, als auch in vivo in einem subkutanen Implantationsmodell nachweisen, dass die gedruckten HUVECs in der Lage waren Blutgefäße auszubilden und die gedruckten MSCs in der Lage waren eine knochenspezifische kalzifizierte Extrazellularmatrix zu bilden.Das Elastizitätsmodul der mittels 3D-Druck hergestellten Konstrukte lag bei ca. 1 kPa und entsprach damit ungefähr der Steifigkeit von nativem humanen Weichgewebe. Die Steifigkeit von nativem Knochengewebe liegt jedoch bei ca. 1x105 kPa und somit ca. 100.000-fach über dem derzeitigen E-Modul unserer Konstrukte.Eines der drei Hauptziele dieses Fortsetzungsprojektes ist daher die Entwicklung eines kombinierten Druckverfahrens zum Druck von zellhaltigen Hydrogelen und stabilitätsgenerierenden Thermoplasten und/oder Kalziumphosphat-Zementen (CPC), um somit vaskularisiertes Knochenersatzgewebe drucken zu können, dessen Steifigkeit dem von nativem Knochengewebe entspricht. Das zweite Hauptziel ist die Implementierung des sog. 4D-Drucks („Zeit“ als vierte Dimension), bei dem die zeitliche und räumliche Reifung der Konstrukte gezielt gesteuert werden soll durch den zusätzlichen ortsaufgelösten Druck von Wachstumsfaktoren, Differenzierungsfaktoren und/oder zusätzlicher Zellentitäten. Das dritte Hauptziel dieses Projektes ist die in vivo Validierung der gedruckten 4D-Kombinationskonstrukte in einem physiologisch-relevanten orthotopen Knochenheilungsmodell der Ratte bezüglich Vaskularisation und Knochenbildung. Hier soll insbesondere auch untersucht werden, ob sich die Quantität und/oder Qualität der Knochen- und Blutgefäßbildung über eine Modulation der E-Moduli der gedruckten Konstrukte steuern lässt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen