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Treffen der Querschnittsarbeitskreise Biomimetische Biomaterialien und Tissue Engineering

Die Querschnittsarbeitskreise „Biomimetische Biomaterialien“ und „Tissue Engineering" trafen sich am 26. Februar 2014 zu einer gemeinsamen Sitzung in Bayreuth am Lehrstuhl Biomaterialien, zu Gast im Fiberlab von Prof. Thomas Scheibel.

Ziel der Sitzung war der wissenschaftliche Austausch der Teilnehmer untereinander, sowie die Vernetzung mit komplementären Fachgremien.

Die Sitzung wurde geleitet von Dr. Kirsten Borchers und Prof. Dr. Günter Tovar (QAK Biomimetische Biomaterialien) und Prof. Dr. Petra Kluger (QAK Tissue Engineering).

Im Fokus der Sitzung stand diesmal das Thema: Biofabrikation – Materialien, Verfahren und Anwendungen für das Tissue Engineering.

Den Keynote Vortrag übernahm Prof. Michael Gelinsky, Leiter des Zentrums für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung des Klinikums und der Medizinischen Fakultät der TU Dresden. Er stellte Prinzip und Ausführungsformen additiver Herstellungsverfahren vor, die zunehmend auch für biologische Anwendungen erprobt werden (Biofabrikation ). Anschließend berichtete Prof. Gelinsky über Entwicklungen seiner Arbeitsgruppe zur Verarbeitung von Calciumphosphat (CP)-Knochenzement-Pasten (InnoTERE GmbH), Alginat, sowie Kollagen mit nachträglicher Vernetzung zur Herstellung von Gitterscaffolds mittels 3D Plotting (BioScaffolder, GeSiM mbH) - einer Technik bei der pastöse Materialen bei Raumtemperatur in Form feiner Stränge extrudiert und in definierten Geometrien schichtweise abgelegt werden können. Insbesondere werden in der Arbeitsgruppe Gelinsky Komposit-Scaffolds aus CP und Alginat/Polyvinylalkohol und der Aufbau von Gerüsstrukturen  aus Hohlfasern entwickelt.

Dr. Kirsten Borchers berichtet über Arbeiten am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB und der Universität Stuttgart zur Bereitstellung biologischer und synthetischer Biomaterialien für die Verarbeitung mit additiven Methoden insbesondere mit Druckverfahren. Während Biopolymere der extrazellulären Matrix (Gelatine, Chondroitinsulphat etc.) durch chemische Modifizierung rheologische Eigenschaften im druckbaren Bereich erhalten und zu stabilen Hydrogelen mit gewebespezifischen Eigenschaften vernetzt werden können, zeigen druckbare, multifunktionelle Polyethylenglycole zelladhäsive Eigenschaften, ebenso wie neuartige Tonerpartikel mit reaktiven, funktionalisierbaren Oberfläche, die zellkompatibel und gedruckt ebenfalls zelladhäsive Schichten bilden.

Kirstin Schacht vom Lehrstuhl Biomaterialien der Universität Bayreuth stellte Modifizierungsmöglichkeiten an biotechnologisch produzierter Spinnenseide, vor einem Material das mittels verschiedener Methoden zu Vliesen, Partikeln, Fasern, Filmen, Schäumen, Kapseln oder Hydrogelen verarbeitet werden kann. Während das Grundmaterial als bioinerte Beschichtung für Implantate erprobt wird, die weder Immunreaktionen noch Kapselbildung hervorruft, kann durch Einführen von RGD-Zellerkennungspeptiden die Zelladhäsion gesteigert werden.

Dr. Kiran Pawar, ebenfalls vom Lehrstuhl Biomaterialien, Uni Bayreuth, stellte Arbeiten zur Entwicklung von Biomaterialien für den Einsatz in der Neurochirurgie vor, so zum Beispiel Nervenleitschienen aus Alginat/Gelatine, die  u.a. mittels Electrospinning oder Mikrostereolithographie strukturiert wurden, und Mikrokanalbrücken aus Polylactid-co glycolid (PLGA) für den Einsatz bei Wirbelverletzungen.

Prof. Dr. Aldo Boccaccini, Inhaber des Lehrstuhls Biomaterialien in Erlangen, präsentierte u.a. Arbeiten zur Entwicklung von Schäumen, deren interkonnektierende Porensysteme als konkave Nischen für die Ansiedelung von (Knochen-)Zellen dienen. Zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften sowie des Degradationsverhaltens von osteokonduktiven Knochenersatzmaterialien untersucht die Arbeitsgruppe unter anderem  Komposite aus Polylactid und Bioglass®.

Dr. Cornelia Wiegand vom Labor für in-vitro-Forschung und Routinediagnostik der Klinik für Hautkrankheiten am Universitätsklinikum Jena stellte  das dort etablierte in-vitro Haut-Infektionsmodell vor,  das mit unterschiedlichen Mikroorganismen infiziert werden kann um daran die antimikrobielle Wirksamkeit und Cytotoxizität von Biomakromolekülen zu bewerten. Beispielsweise konnte die antimikrobielle Wirksamkeit aminofunktionalisierter Cellulose nachgewiesen werden - und zwar wurde die höchste Wirksamkeit gegen C. albicans, M. pachydermatis und T. rubrum bei gleichzeitig geringster Toxizität gegen Hautzellen bei niederem einem Modifizierungsgrad von ca.  54 %  im vergleich zu höheren Modifizierunggraden bis zu 98 % festgestellt.

Dr. Ralf Wyrwa von Innovent e.V. in Jena stellte elektrospinnbare und schäumbare biodegradierbare Poly(ester-co-urethane) vor. Die Vliesematerialen eignen sich für den Einsatz als Wundauflagen oder für das Tissue Engineering im  Weichgewebebereich. In-vivo-generierbare Schäume können zur Füllung von Weichgewebe- sowie Knochendefekten eingesetzt werden. Die Degradation der Polymere führt zu nicht-toxischen Abbauprodukten. In-vivo-Experimente konnten eine sehr gute Bioverträglichkeit zeigen.

Claudia Kleinhans vom Institut für Grenzflächenverfahrestechnik und Plasmatechnologie IGVT der Universität Stuttgart, präsentierte Testsysteme aus Osteoclasten und Osteoblasten-Cokulturen, die zur Bewertung von Knochenenersatzmaterialen eingesetzt werden, insbesondere zur Untersuchung der Remodellierung von Materialien durch die knochenabbauenden und die knochenaufbauende Zellen,.

Dr. Stefan Schiller vom Freiburg Institute for Advanced Studies FRIAS der Universität Freiburg  stellte die Entwicklung von biotechnologischen und synthese-chemischen Werkzeugen und Technologien für die Erzeugung von funktionalen Biomaterialien vor:  Plasmidsysteme zur Integration von Sequenzen großer Länge in E. coli, Pflanzenzellen oder Insektenzellen, funktionalisierbare elastin-ähnliche Proteine aus Elastin-Pentapeptid-Bausteinen, sowie die Entwicklung nicht-toxischer eisenhaltiger Katalysatoren für de Synthese von Biomaterialien, z.B. PCL oder PLA.

PD Dr. Oliver Pullig vom Lehrstuhl Orthopädie der Universität Würzburg und der Projektgruppe Onkologie des Fraunhofer IGB stellte zum Einen die Entwicklung von vaskularisiertem Tracheagewebe vor, die auf der Re-Besiedelung von dezellularisiertem Schweinedarm basiert.  Zum anderen berichtete er von einer  vom Lehrstuhl Orthopädie geleiteten klinischen Studie  (Phase 1) zur Behandlung von Osteoarthritis im Endstadium durch Injektion autologer Stammzellen aus Fettgewebe und dadurch erreichter Schmerzreduktion.

Anschließend berichtete Prof. Dr. Thomas Scheibel über die Interessen des  von ihm geleiteten Fachausschusses Bioinspirierte und interaktive Materialien, der es sich zum Ziel gesetzt hat, systematisch  die molekularen und strukturellen Funktionen natürliche Material-Vorbilder zu erforschen. Großes Potenzial sieht der Fachausschuss in der Nutzung der Synergien bestehender Arbeitsgruppen und Institutionen um den Standort Deutschland in der Materialforschung nachhaltig zu fördern.

Prof. Dr. Günter Tovar vom Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVT der Universität Stuttgart und vom Fraunhofer IGB berichtete im Anschluss aus der PROCESSNET Fachgruppe Nanotechnologien, dass diese sich dem Thema „Nanostrukturierte funktionale Materialien für die NanoBioMedizin“  in Zukunft vertieft widmen möchte. PROCESSNET ist eine Initiative der Dechema und des VDI-GVC. Die in Bayreuth versammelten Arbeitskreise der DGM diskutierten, welcher Rahmen im Sinne eines möglichst weitreichenden Innovationpotenzials für entsprechende Initiativen gesteckt werden sollte. Es herrschte Einigkeit darüber, dass das Potenzial über die Entwicklung von nanopartikulären Systemen hinaus auch Materialdesign auf nanoskopischer Ebene einbeziehen muss. Dabei können auch klassisch chemische Ansätze gehören, die der Kontrolle biofunktionaler oder kinetischer Effekte auf molekulare Ebene dienen. Prof. Tovar wird die Einschätzung der anwesenden Experten an die Fachgruppe Nanotechnologie weitergeben und  möchte die DGM Arbeitskreise weiterhin aktiv in die Gestaltung zukünftiger Aktivitäten der PROCESSNET Fachgruppe einbeziehen.

Über die vielfältigen Fachbeiträge, die konstruktiven Kommentare der Teilnehmer und auch die neugeknüpften oder aufgefrischten persönlichen Kontakte hinaus, war das gruselig-schöne Highlight des Treffens sicher die Besichtigung der Spinnenfarm des „Fiberlab“ in der Aussenstelle des Lehrstuhls Biomaterialien – die Besucher durften erstaunt feststellen, dass die Spinnen nicht wie erwartet in abgeschlossenen Käfigen leben, sondern sich frei über die Büros und den Pausenraum verbreiten dürfen (Siehe Foto: ein Spinnenbaum im Hintergrund). So schlimm war´s aber gar nicht und keiner hat gekniffen.

 

Dr. Kirsten Borchers
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB