Funktionelle Fibrin-basierte Hydrogele zur Steuerung von Zell/Biomaterial Interaktionen in biohybriden kardiovaskulären Implantaten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Sabine Neuss-Stein; Professor Dr. Andrij Pich
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 402991504

Ziel des vorliegenden Antrages ist die Entwicklung eines innovativen biobasierten Hydrogels zur Bildung funktioneller Gewebe für biohybride Herzklappen. Hierfür werden spezielle Signalmoleküle wie der Hepatozytenwachstumsfaktor (HGF) mit gezielter Freisetzungskinetik in das Gel integriert, um zeitaufwändige In-vitro-Zellkulturschritte zu umgehen. Somit können körpereigene Stammzellen direkt rekrutiert werden und die Wundheilung und Gewebeintegration im Bereich des Herzklappenersatzes verbessert werden. Die Basis der verwendeten Hydrogele ist Fibrin, welches über eine Kaskadenreaktion aus Fibrinogen mit Thrombin entsteht. In vivo dient es primär dem Wundverschluss durch plasmatische Blutgerinnung einhergehend mit einer sogenannten Dehnungsversteifung durch die hierarchische Struktur des Materials, um eine größere Barriere gegen den Blutfluss zu generieren. Wird das Material als Grundlage in einer Tissue-Engineering-Anwendung verwendet, kann diese mechanische Eigenschaft zum Vorteil genutzt werden, da Deformationen durch das nichtlineare elastische Verhalten verhindert werden. In der vorherigen Projektphase wurden Fibrin-Gele mit linearen Kopolymeren, basierend auf Polyvinylpyrrolidon und Glycidylmethacrylat, modifiziert und es konnte nachgewiesen werden, dass die mechanischen Eigenschaften des Fibrins verbessert wurden. Weiterhin erwies sich das Copolymer als zytokompatibel und es verlangsamte die Degradation der Fibrin-Fasern. Unsere Fibrin-Kopolymer Hydrogele unterstützen das Zellwachstum verschiedener Zelllinien sowie die Differenzierung mesenchymaler Stammzellen zu glatten Muskelzellen.In einer folgenden Projektphase sollen jetzt anstelle synthetischer linearer Polymere, auch modifizierte natürliche Biopolymere wie beispielsweise Polysaccharide für die Verstärkung von Fibrin verwendet werden. Diese eignen sich aufgrund ihrer Biokompatibilität und ihres hohen Molekulargewichtes in besonderem Maße für diese Anwendung. In einem weiteren Arbeitspaket soll basierend auf der Struktur einer natürlichen Herzklappe mittels 3D-Druck ein kompartimentiertes Material entwickelt werden, welches aus hierarchischen Schichten besteht. Diese Schichten sollen hauptsächlich aus fibrinbasierten Hydrogelen, Kollagen oder Elastin bestehen. Zusätzlich werden fibrinbasierte Mikrogele (microbeads) über Mikrofluidik hergestellt, die Wachstumsfaktoren oder Zellen enthalten können. Diese werden nach Bedarf mittels 3D-Druck in die Schichten implementiert. Durch dieses System kann die Freisetzung der Wachstumsfaktoren sowie das Proliferations- und Differenzierungsverhalten der Zellen in den einzelnen Hierarchien analysiert und optimiert werden. Dieser strukturelle Aufbau soll eine zielgerichtete Steuerung des Zellverhaltens auf und im Scaffold ermöglichen nach Transplantation.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen