Modulation der Fusion, Reifung und Resorption von Osteoklasten zur in vitro-Simulation der Knochenremodellierung – Untersuchungen zum Einfluss von Knochenersatzwerkstoffen und deren Scaffoldgeometrie

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Christiane Heinemann; Professor Dr.-Ing. Benjamin Kruppke
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 560496473

Das vorliegende Projekt verfolgt das Ziel, die bidirektionale Wechselwirkung zwischen Zellen und Biomaterialien während der Knochenremodellierung in vier spezifischen Entwicklungsstadien der Osteoklastogenese (MRI, OTK, CoK I, CoK II) zu untersuchen. Der Fokus liegt darauf, das Materialdesign nicht nur auf mechanische Eigenschaften und Biokompatibilität, sondern auch auf die Resorption von Anfang an auszurichten. Die Differenzierungs- und Reifegradmarker der Zellen männlicher und weiblicher Spender sollen in Abhängigkeit von den Stadien sowie von definierten dreidimensionalen Calciumphosphatzementgeometrien analysiert werden. Im Rahmen der 36-monatigen Projektlaufzeit erfolgt zunächst die Entwicklung des Probendesigns, die Materialentwicklung und -prozessierung, die Zellkultur der vier Modulationen sowie abschließend quantitativ durch biochemische und molekularbiologische Methoden sowie qualitativ durch mikroskopische Untersuchungen. Die materialwissenschaftliche Herausforderung besteht in der Entwicklung von Proben aus knochenähnlichem Mineral durch 3D-Drucktechnik. Hydroxylapatit wird als Referenzmaterial sowie compoundiert mit Kollagen verwendet. Eine erfahrene Post-Doktorandin, beantragt als eigene Stelle, wird für die unmittelbare Initiierung komplexer Osteoklastenkulturen benötigt, die die vier Osteoklastogenesemodulationen: Fusion, Resorption, Co-Kultur I und Co-Kultur II umfasst. Jede Modulation wird in Wechselwirkung mit den Materialgeometrien analysiert. Für die Materialprozessierung und die Untersuchung von geschlechtsspezifischen Einflüssen auf die Resorptionsaktivität wird eine Doktorandenstelle benötigt. Für die umfassenden Aufnahmen der Zellmorphologie auf den Scaffoldstrukturen wird ein Fluoreszenzmikroskop beantragt. Die Attraktivität des Ziels liegt in der direkten Anwendbarkeit der Grundlagenforschung. Aktuell zugelassene Medizinprodukte können auf Grundlage neuer Erkenntnisse zur Resorptionsbeeinflussung angepasst werden. Die wissenschaftlichen Teilziele umfassen die materialwissenschaftliche Scaffoldbereitstellung, zellbiologische Osteoklastenmodulationen und die Übertragung der Analyseergebnisse als Biomaterialbewertung. Die Ergebnisse sollen nicht nur das Verständnis der Zell-Biomaterial-Wechselwirkungen verbessern, sondern auch die Anpassung von derzeit im Einsatz befindlichen Medizinprodukten ermöglichen. Die methodische Herangehensweise und die Anwendbarkeit auf bestehende Produkte unterstreichen die praxisnahe Ausrichtung dieses Grundlagenforschungsvorhabens.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen