Bikontinuierliche wässrige Zweiphasensysteme auf der Basis von GelMA und Dextran für maßgeschneiderte poröse Hydrogele im 3D-Tissue Engineering

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst Fischer; Professor Dr. Walter Richtering
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516822371

Beim 3D Tissue Engineering werden Zellen in zytokompatible Hydrogele eingebettet und mittels Gießen oder Bioprinting verarbeitet. Das zelluläre Verhalten innerhalb der 3D-Struktur wird maßgeblich durch die Mikrostrukur des Hydrogels beeinflusst. Herkömmliche Hydrogele sind oft in ihrer Einstellbarkeit, insbesondere hinsichtlich ihrer Porengröße und Porenstruktur, begrenzt, so dass Zellen in Bezug auf Proliferation, Ausbreitung, Migration und Differenzierung eingeschränkt sind. Um diese Defizite zu adressieren, synthetisieren wir neuartige Hydrogele auf Basis eines wässrigen Zweiphasen-Systems (ATPS), bestehend aus Gelatine-Methacryloyl (GelMA) und Dextran. In Vorarbeiten haben wir Hydrogele mit homogener, separierter Tropfen- bzw. bikontinuierlicher Porenstruktur synthetisiert, indem wir die Phasenseparationskinetik des ATPS vor der Vernetzung mit ultraviolettem (UV) Licht und dem Auswaschen der Dextranphase abgestimmt haben. Wir konnten zeigen, dass die Porenstrukturen der Hydrogele nach dem Drucken erhalten bleiben. Das bikontinuierliche ATPS-Hydrogel war für das Wachstum mehrerer phänotypisch unterschiedlicher Zelltypen geeignet: Sowohl bei humanen mesenchymalen Stammzellen, als auch bei Fibroblasten des parodontalen Ligaments und auch bei humanen Neuroblastom-Krebszellen konnte über sieben Tagen Kultivierung eine uneingeschränkte Zellviabilität sowie die zelltypische Morphologie aufrechterhalten werden. Daher besteht eine große Motivation und Notwendigkeit, die zugrundeliegenden physikalisch-chemischen Prinzipien zu verstehen, die die Phasentrennung und Strukturbildungsprozesse in wässrigen Mischungen von Polyampholyten und neutralen Polysacchariden bestimmen und schließlich zu Hydrogelen mit kontrollierter Mikrostruktur führen. Darüber hinaus werden wir die Auswirkungen des 3D-Druckverfahrens, insbesondere die druckinduzierte Scherbeanspruchung, auf die Phasentrennung, die endgültige Hydrogel-Mikrostruktur und deren mechanische Eigenschaften untersuchen. Die Affinität der verschiedenen Zelltypen in ATPS-Hydrogelen zu wachsen, wird anhand ihres Verhaltens in sowohl gegossenen als auch gedruckten Hydrogelen mit bikontinuierlicher Mikrostruktur bewertet. Außerdem wollen wir die Verteilung von Chemoattraktoren in ATPS-Lösungen und -Gelen verstehen. Schließlich werden zellbeladene ATPS-Lösungen hinsichtlich ihrer Phasentrennungsmechanismen und die zelluläre Reaktion sowohl auf das (Bio)Printing als auch auf die UV-Vernetzung nach dem Druck hin untersucht. Die aus diesen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse werden es ermöglichen, die wesentlichen (makro-)molekularen Wechselwirkungen zu verstehen und 3D-Strukturen herzustellen, welche die extrazelluläre Matrix mit einer hohen Biofunktionalität nachahmen, was neue Möglichkeiten und Anwendungen für das Tissue Engineering und die regenerative Medizin eröffnen kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen