Entwicklung und Validierung eines Bioreaktors zur zuverlässigen Kultivierung und biomechanischen Charakterisierung von Autografts aus Knochengewebe

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Cornelia Blume; Professor Dr.-Ing. Holger Blume; Professor Dr.-Ing. Frank Walther
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 577393653

Das zentrale Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines integrierten Bioreaktorsystems, das sowohl die kontrollierte Kultivierung von Knochengewebe als auch dessen biomechanische Charakterisierung ermöglicht. Dieses System stellt ein bislang fehlendes Bindeglied in der Entwicklung klinisch einsetzbarer Knochenimplantate dar. Die Kombination aus automatisiertem Monitoring, gezielter Indikatorerfassung und mechanischer Prüfung erlaubt eine umfassende Bewertung der Gewebequalität bereits im in-vitro-Stadium. Die enge Zusammenarbeit zwischen den Instituten der Leibniz Universität Hannover mit Expertise in Scaffoldentwicklung, dynamischer Zellkultivierung und biochemischem Monitoring sowie dem Werkstoffprüflabor der TU Dortmund schafft eine interdisziplinäre Plattform, die sowohl biologische als auch technische Anforderungen abdeckt. Ziel ist es, die Eignung verschiedener ausgewählter und sich bereits als erfolgsversprechend etablierter Scaffoldmaterialien für die osteogene Differenzierung von humanen mesenchymalen Stammzellen (AD-MSCs) unter standardisierten Bedingungen zu testen und deren mechanische Belastbarkeit zu bewerten. Im Fokus steht die übergeordnete Forschungsfrage, ob sich die klinische Tauglichkeit poröser Scaffoldmaterialien bereits in vitro durch ein Bioreaktorsystem zuverlässig vorhersagen lässt. Dazu werden mehrere parallel geschaltete Flow-Bioreaktoren betrieben, die eine automatisierte biomechanische Analyse der Gewebeentwicklung über verschiedene Zeitpunkte hinweg ermöglichen. Die mechanische Belastbarkeit des entstehenden Gewebes, stimuliert u. a. durch den Mediumfluss, sowie die Erfassung relevanter Sensordaten – etwa des Sauerstoff- oder Calciumgehalts im Medium – sollen frühzeitig ungeeignete Versuchsansätze identifizieren und die Anzahl notwendiger Testläufe zur Generierung eines erfolgreich einsetzbaren künstlichen Knochengewebes reduzieren. Die Forschung konzentriert sich auf die Umsetzung einer sterilen, sensorisch und mechanisch gestützten Gewebecharakterisierung im Reaktor, die Identifikation geeigneter Scaffoldmaterialien und Kultivierungsbedingungen, die bildgebende Analyse von Verformungs- und Schädigungsmechanismen sowie die Integration aller relevanten Parameter in eine dynamisch regelbare Softwareumgebung. So entsteht ein innovatives Testsystem, das die Entwicklung von Knochenersatzmaterialien für den klinischen Einsatz entscheidend voranbringen kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Sebastian Heene