Neuartige Strategie für das Tissue Engineering von Knochen basierend auf dem Zusammenspiel von ionendotierten, bioaktiven Glasnanopartikeln in Biopolymer-basierten Hydrogelen mit elektrischer Stimulation

• Antragstellerin: Privatdozentin Dr. Vera Hintze
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 567400032

Nanokomposite aus Biopolymer-basierten Hydrogelen und ionendotierten, mesoporösen bioaktiven Glasnanopartikeln (MBGNs) sind hervorragende Kandidaten für das Tissue Engineering (TE) von Knochen. Dies liegt daran, dass therapeutische Ionen die osteogenen Eigenschaften von MBGNs verbessern und somit die MBGN-bezogenen Vorzüge (verbesserte Zellantworten, mechanische Eigenschaften, Bioaktivität und definierte Degradationsprofile) verstärken. Parallel dazu hat die Stimulation mittels elektrischer Felder (EF) für eine Steigerung der osteogenen Differenzierung in vitro und in vivo große Aufmerksamkeit geweckt. Daher ist ihre Einbeziehung in das Knochen-TE ein logischer Ansatz, um vitale, funktionelle Knochen-TE-Konstrukte zu erhalten. Jedoch mangelt es an Studien, die einen möglichen synergistischen Effekt von ionendotierten MBGN-haltigen 3D-Kompositen und EF-Stimulation für das Knochen-TE untersuchen, speziell im Hinblick auf physiologischere EF-Parameter und begrenzte Nebenwirkungen. Ein weiterer, oft vernachlässigter Aspekt sind zelluläre Interaktionen der gereiften TE-Konstrukte in einer Co-Kultur mit humanen Monozyten (hMCs). Das Projekt zielt auf die Schließung dieser Wissenslücke, indem wir das Zusammenspiel der benannten (bio)chemischen und physikalischen Signale in einen neuartigen TE-Ansatz integrieren. Hierzu werden Biopolymer/Sr2+- und Cu2+-dotierte MBGN-Nanokomposite mit unterschiedlicher MBGN-Zusammensetzung und -Konzentration etabliert und charakterisiert. Ein tieferes Verständnis der Knochenzelldynamik in dieser multifaktoriellen Mikroumgebung wird durch eine eingehende Analyse der zellulären Reaktion von mesenchymalen Stammzellen (hBMSCs) abgeleitet, wobei ionenvermittelte Effekte mit direktem Zellkontakt verglichen werden. Dies erfolgt im Kontext verschiedener gepulster, transformatorartig gekoppelter EF-basierter Stimulationsregime zur Aufklärung möglicher synergetischer Effekte, unter Berücksichtigung physiologischer Feldstärke und Frequenzparameter. Die so gewonnen reifen TE-Konstrukte werden auf die Differenzierung von hMCs zu Osteoklasten (OC) sowie auf das entsprechende OC-Feedback in Co-Kultur untersucht, um Zellinteraktionen und frühe Remodelierungsereignisse in vivo nachzuahmen. Die so gewonnenen Erkenntnisse werden es ermöglichen, die effektivsten Parametersätze für die Kontrolle physikalisch-chemischer Eigenschaften (z. B. Bioaktivität, Elastizität, Abbau, Ionenfreisetzung) und für die Förderung von Knochenzellen und deren Interaktion zu definieren. Schließlich wird unser Ansatz eine funktionelle Knochen-TE-Strategie identifizieren, die die Osteogenese von hBMSCs fördert und eine balancierte OC-Antwort ermöglicht. Perspektivisch kann diese Strategie auf patientenspezifische in vitro Zellkulturmodelle und in vivo Anwendungen für eine verbesserte Knochenregeneration übertragen werden, mit dem Ziel einer früheren Osseointegration und Wiederherstellung knochenähnlicher Struktur und Funktionalität, z.B. in kranialen Anwendungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Aldo Boccaccini