Biogene thermoresponsive Polyelektrolyt-Multischichten als potentielle Substrate für die Herstellung konfluenter Zellschichten für Tissue Engineering

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Groth; Professor Dr. Kai Zhang
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 369505795

Ein neuer Ansatz für die Formierung von stimuli-responsiven Oberflächenbeschichtungen als Kultursubstrate für Säugerzellen soll untersucht werden, um die nicht-enzymatische Ablösung von Zellen und konfluenten Zellschichten durch Temperaturänderungen zu ermöglichen. Dabei sollen biogene, biokompatible und umweltfreundliche Biopolymere aus nachwachsenden Rohstoffen auf Basis von Cellulose und Chitosan als Ausgangsstoffe verwendet werden. Drei verschiedene thermoresponsive Elemente und Sulfatgruppen werden in diese Biopolymere eingeführt, um eine ausreichende Ladungsdichte und eine Änderung der Polymerkonformation im Temperaturbereich um 37°C zu erreichen. Die resultierenden Polyelektrolyten werden hinsichtlich ihrer chemischen Struktur, dem Molekulargewicht, Zetapotential und ihrer kritischen Lösungstemperatur (LCST, lower critical solution temperature) charakterisiert. Nach der Selektion von Kandidaten mit geeigneter LCST und Ladungsdichte wird die Eignung dieser Polyelektrolyte für die Formierung von Multischichten untersucht. Dabei wird die Layer-by-Layer-Methode (LbL) angewendet und die Formierung von Multischichten durch Oberflächenplasmonresonanz, Quarzmikrowaage (QCM), Ellipsometrie und Kontaktwinkelmessungen (WCA) charakterisiert. Die thermoresponsiven Effekte der Multischichten werden durch Änderungen des Wassergehaltes mit QCM und der Benetzungseigenschaften mit WCA im Temperaturbereich von 5°C bis 37°C analysiert. Die Proteinadsorption stellt eine Voraussetzung für die Adhäsion von Zellen dar und hat sich als eine Determinante der Zelladhäsion auf thermoresponsiven Oberflächenbeschichtungen erwiesen. Deshalb wird die Bindung von Fibronektin und Serumproteinen mit QCM und anderen Methoden untersucht. Multischichten mit thermoresponsiven Eigenschaften, die eine reversible Adsorption von Proteinen ermöglichen, werden dann eingesetzt, um die Adhäsion und das Wachstum von Zellen mit Ursprung aus allen drei verschiedenen Keimblättern zu studieren. Der thermoresponsive Effekt wird durch Änderungen der Zellzahl und -größe, sowie von vollständigen Zellschichten bei einer Verringerung der Temperatur von 37°C bis 5°C analysiert. Insgesamt bietet die Entwicklung eines solchen Systems wesentliche Vorteile gegenüber bestehenden vollsynthetischen thermoresponsiven Polymeren wie Poly-N-isopropylacrylamid. Aufgrund der inhärenten Bioaktivität sulfatierter Cellulosen und Chitosanen gegenüber mitogenen und morphogenen Wachstumsfaktoren, der ausgezeichneten Biokompatibilität und der potentiellen Abbaubarkeit können solche Oberflächenbeschichtungen genutzt werden, um konfluente Zellschichten als Transplantate für die Regeneration von Haut, Cornea, Myokard und anderen Geweben zu gewinnen. Doch nicht nur für in vitro-Anwendungen ist dieses System interessant, sondern es könnte auch potentiell für verschiedene in vivo-Anwendungen nützlich sein, wo eine thermoresponsive Freisetzung von bioaktiven Faktoren wie Zytokinen und von Zellen wünschenswert ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen