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Mehrdimensionale Polymercharakterisierung

Klein- und grobschollige Degradationsprodukte im Kapselgewebe um ein AB-Polymernetzwerk fünf Wochen nach Implantation (HE-staining)

Klein- und grobschollige Degradationsprodukte im Kapselgewebe um ein AB-Polymernetzwerk fünf Wochen nach Implantation (HE-staining)

Bio‐Engineering ist die Anwendung von Grundsätzen der Ingenieurwissenschaften und der Naturwissenschaften auf Gewebe, Zellen, bioaktive Moleküle und Biomaterialien. Die derzeitige Forschungsarbeit der Abteilung richtet sich auf die Entwicklung kardiovaskulärer Implantate, die in der regenerativen Medizin zunehmend an Bedeutung gewinnen. Vaskuläre Prothesen mit kleinem Durchmesser, vaskuläre Patches, Systeme zum Verschließen des linken Herzohres und abbaubare, Arzneimittel freisetzende Stents auf Polymerbasis sind Projekte von vorrangigem Interesse.

Bei der Entwicklung hämokompatibler Implantatoberflächen kommen verschiedene Strategien zum Einsatz. Die funktional-konfluente und scherresistente Endothelialisierung von Oberflächen auf Polymerbasis stehen im Mittelpunkt der Forschung. Darüber hinaus wird eine Funktionalisierung geeigneter Bulkmaterialien mit passivierenden Substanzen, wie zum Beispiel Poly(ethylenglycol), ausgeführt, um die Proteinadsorption und -adhäsion von Blutzellen zu reduzieren.

Mit den entwickelten Implantaten soll die Regeneration der Gefäßwand unterstützt werden, beispielsweise durch Arzneimittel freisetzende bioaktive Substanzen. Entsprechend ihrem polarisierten Profil erfordern Blutgefäße Prothesen, die Protein- und Zellkontakte an der Lumenoberfläche (Blut) hemmen, aber die Bindung von Zellen an der abluminalen Oberfläche gestatten, so dass sich die Polymerprothesen in das benachbarte Gewebe integrieren können.

Profil

Endothelzellkultur nach Inkubation mit Nanopartikeln

Mikroskopische Aufnahmen einer Endothelzellkultur nach Inkubation mit Nanopartikeln - Rhodamin B gefärbte Nanopartikelaggregate (rot), Zellkerne (blau), Extrazellulärmatrixprotein Fibronektin (grün)/ Konfokale Laser Scanning Mikroskopie/ Maßstabsbalken entspricht 20 µm. Foto: Hereon

Die biologische Untersuchung sterilisierter polymer-basierter Biomaterialien steht im Fokus der Abteilung BIE. Die Isonorm-basierten (ISO 10993/5) Biokompatibilitätsuntersuchungen werden mit Zelllinien (L929) und humanen primären Zellen (Thrombozyten, Erythrozyten, Monozyten, Endothelzellen, glatten Muskelzellen und vaskulären Fibroblasten) in statischen und dynamischen 2D und 3D Testsystemen durchgeführt. Kurz- oder Langzeituntersuchungen mit vielversprechenden Kandidatenmaterialien werden in Kleintier (Histo- und Hämokompatibilität) und Großtiermodellen (Funktionalität) vorgenommen.

Biokompatibilität

L929 cells

Phasenkontrastaufnahmen von L929 Mausfibroblasten nach Inkubation mit einer zytokompatiblen (links) und einer zytotoxischen (rechts) Materialoberfläche/ Maßstabsbalken entspricht 50 µm. Foto: Hereon

Die Evaluierung der Hämo- und Histokompatibilität von Polymersystemen – kurz- oder langfristig resorbierbarer Implantatmaterialien bzw. Materialien für extrakorporale Anwendungen – sind wichtige Arbeitsfelder der Abteilung. Diese Materialien besitzen ein hohes Anwendungspotenzial als Gerüst- und Trägermaterialien für das Tissue Engineering (TE) oder auch als Komponenten von Systemen zur Organunterstützung sowie zur Kultivierung spezieller Zellen und sind daher wichtige Komponenten von Systemen, die Einsatz in der Regenerativen Medizin finden.

Neben zell- und molekularbiologischen Fragestellungen zur Toxizität bzw. Kompatibilität der Materialien, zur Zellbesiedelung von Implantaten und allgemein zur Gefäßbildung (Angiogenese/Vasculogenese) sind die Entwicklung kardiovaskulärer Implantate wie z.B. kleinlumige synthetische Blutgefäße, degadierbare Stents, Gefäß- oder Organpatches sowie die Entwicklung innovativer chirurgischer Hilfsmittel, wie Nahtmaterialien, im Fokus der Forschung.

Hämokompatibilität

Fibrinpolymerisation auf einer thrombogenen Materialoberfläche

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Fibrinpolymerisation auf einer thrombogenen Materialoberfläche/ Maßstabsbalken entspricht 5 µm. Foto: Hereon

Im Rahmen der materialwissenschaftlichen Entwicklung von Polymeren für Implantate, die im Kontakt mit dem Blutstrom stehen, werden in der Abteilung BIE Hämokompatibilitätsuntersuchungen durchgeführt. Dazu wird speziell die Interaktion der Materialien mit Thrombozyten, Erythrozyten und Leukozyten sowie die Komplementaktivierung, die Fibrinbildung und Fibrinolyse als auch die Kontaktaktivierung analysiert.

Die Erkenntnisse über Ursachen und Wirkungen in biologischen Systemen sind nach wie vor unvollständig. Daher werden häufig Modellvorstellungen über die Interaktionen von Biomaterialien mit dem Organismus in die Analyse mit eingebracht, die bei der Untersuchung von Materialien im Licht der jeweiligen Untersuchungsergebnisse kritisch hinterfragt werden müssen. So sind z.B. die Vorstellungen zu Interaktionen von Blut und seinen Bestandteilen mir körperfremden Oberflächen sehr stark von Modellvorstellungen geleitet, welche die komplexen Interaktionen zwischen den reaktiven Blutbestandteilen, den Puffer- und Elektrolytsystemen des Blutes und den körperfremden Materialien nur unzureichend beschreiben können. Es muss daher bei der Untersuchung neuer Materialien grundsätzlich überprüft werden, ob bestehende Modellvorstellungen Geltung haben.

Mehr zum Thema: Hämokompatibilität

Vaskuläre Zellen

Primärzellkokultur

Mikroskopische Aufnahmen einer Primärzellkokultur, Konfokale Laser Scanning Mikroskopie/ Maßstabsbalken entspricht 200 µm. Foto: Hereon

Spezifische Aussagen in Zellkulturen können mit Primärzellen durchgeführt werden, die aus den Geweben gewonnen und angelegt worden sind, in die später die neuen Materialien eingesetzt werden. Die Anlage solcher Kulturen ist schwierig und auch relativ teuer, ist aber wegen der höheren Spezifität und Aussagekraft und zur Planung und Beantragung von Tierversuchen unvermeidlich. Langzeituntersuchungen in vitro insbesondere an Primärkulturen sind notwendig, um degradative Effekte an den untersuchten neuen Materialien aber auch an den interagierenden Zellen erkennen zu können.

Kurz- & Langzeitkulturen primärer menschlicher vaskulärer Zellen

Histokompatibilität

Exostent aus Nitinol

Histologisches Präparat der Venenwand des Schweins mit Exostent aus Nitinol (schwarz)/ Maßstabsbalken entspricht 500 µm. Foto: Hereon

Ein wesentliches Hemmnis für die Entwicklung histokompatibler polymer-basierter Biomaterialien ist das unzureichende Verständnis bzw. die mangelnde Vorhersagbarkeit ihres Abbauverhaltens in der in vivo Anwendung. Heute ist aber klar, dass Implantate mit dem umliegenden Gewebe wechselwirken und dabei eine Reihe verschiedenster Reaktionen in ihrer Umgebung triggern können. Damit Implantate die Unterstützung oder die Erhaltung gestörter Organfunktionen auch langfristig gewährleisten, müssen unerwünschte Reaktionen möglichst weitgehend verhindert werden.

Mehr zum Thema: Histokompatibilität