CoLOsAM - Collagen Laminate mit Osteogenen und AntiMikrobiellen Eigenschaften

• Antragstellerinnen: Professorin Dr.-Ing. Daniela Nickel; Professorin Dr. Ulrike Ritz; Professorin Dr. Katja Schmitz
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 400569699

Frakturen kritischer Größe stellen Chirurgen vor große Herausforderungen und es besteht keine Übereinstimmung bezüglich der optimalen Therapie. In den letzten Jahren zeigten Studien, dass der kritische Punkt der Geweberegeneration die Gefäßneubildung ist. Zudem kommt es nach einem Trauma häufig zu einer Bakterienkontamination, die ohne Antibiotikagabe zu chronischen Infektionen führen kann, die die Knochenregeneration hemmen. In dem beantragten Projekt planen wir die Entwicklung und Charakterisierung eines mehrschichtigen laminatähnlichen Biomaterials basierend auf Kollagenmembranen mit antibakteriellen, osteoinduktiven und angioinduktiven Eigenschaften. Dieses neue Laminat-Biomaterial soll auf der einen Seite die Knochenregeneration unterstützen und auf der anderen Seite das Risiko der bakteriellen Infektion minimieren. Dazu werden sowohl antibakterielle als auch Angiogenese- und Osteogenesefördernde Substanzen in die Schichten eingebaut. Adsorption von Antibiotika in der äußeren Kollagenschicht führt zu einer schnellen Freisetzung dieser Substanzen nach Gabe des Laminats und damit zu einem Schutz vor bakteriellen Kontaminationen. Eine schnelle Freisetzung aus der dahinterliegenden Schicht von osteogenen und/oder angiogenen Substanzen wird sowohl die Migration als auch die Differenzierung von Osteoblasten und Stammzellen induzieren, um die Regenerationsprozesse zu starten. Die gleichen Komponenten finden sich in den inneren vernetzten Schichten des mehrschichtigen Laminats, deren Freisetzung zeitversetzt, erst durch den Abbau des degradierbaren vernetzten Materials gewährleistet wird. Sowohl die makroskopische Struktur als auch die variable mikroskopische Porenstruktur erlauben unterschiedliche Ladungsvarianten, die dem individuellen Bedarf angepasst werden können. Die mechanischen Eigenschaften des Materials vor und nach Kontakt mit humanen Zellen (Zelllinien und primäre Zellen isoliert aus den relevanten Geweben) sowie die Freisetzung der unterschiedlichen Substanzen aus den Schichten werden in vitro charakterisiert und nach Bedarf optimiert. Es wird ein mehrschichtiges neues Laminat-Biomaterial mit definierten Freisetzungsprofilen von Antibiotika und osteogenen sowie angiogenen Substanzen für den Einsatz in der Traumatherapie entwickelt. Mit diesem flexiblen Kollagenlaminat-System können Chirurgen auf die individuellen Patientenbedürfnisse sowohl bezüglich der Schwere der bakteriellen Kontamination als auch der Gewebezerstörung reagieren und die optimale Kombination der Faktoren individuell anpassen. Die drei Antragstellerinnen kombinieren alle nötigen Kenntnisse, die zur Durchführung dieses Projektes, nötig sind: Daniela Nickel für die Materialcharakterisierung und das mechanische Verhalten, Katja Schmitz für das Beladen und Vernetzen der Laminatbestandteile sowie die Freisetzungsanalysen und Ulrike Ritz für die Analyse der Biokompatibilität und der Effekte der freigesetzten Komponenten auf Bakterien und humane Zellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen