Arbeitsgruppe Biomaterialien

Der am meisten verfolgte Ansatz für das funktionelle Tissue Engineering des Instituts für Mehrphasenprozesse ist das (Melt-) Electrospinning. Mit Hilfe dieses Verfahrens können Nano- bis Mikrometer große Fasern in einer Art Vlies verarbeitet werden. Fernziel ist dabei die Ausbildung von natürlichem Gewebe in Form eines Scaffolds (Gerüststruktur) für die Verwendung als Implantatmaterial. Daraus ergeben sich Anwendungsfelder, wie Gefäßprothesen, Sehnenersatzkonstrukte, Nervenleitschienen oder Herzklappenprothesen.

Eine weitere Anwendung stellt das Electrospraying dar. Entgegen des geläufigeren Electrospinnings kommt es hierbei zu einer Zerstäubung einer geeigneten Polymerlösung. Das resultierende Spray enthält feine, hoch unipolar geladene Tropfen mit einer schmalen Größenverteilung. Auf diese Weise lassen sich auch Zellen in die resultierenden Beads einbetten. Für die Außenhülle wird beispielsweise Alginat als degradierbares Biopolymer verwendet, damit die Zellen mit einer zeitlichen Verzögerung freigegeben werden können. Beim Air-Flow-Verfahren werden die Alginattropfen mit Druckluft aus der Kanüle befördert.

Traumatische Verletzungen und Substanzverlust peripherer Nerven führen häufig zu lebenslangen körperlichen Einschränkungen. Als Goldstandard erfolgt die Rekonstruktion längerer Nervendefekte durch autologe Nerventransplantate, die aber wegen des kompletten Funktionsverlustes des Spendernervs nur begrenzt verfügbar sind. Biosynthetische Nervenleitschienen mit innovativen stimulierenden Materialeigenschaften können Alternativen zu den auf dem Markt erhältlichen schlauchförmigen Implantaten mit sehr variablem Regenerationserfolg bieten. Die entwickelte Nervenleitschiene mit piezoelektrischen Eigenschaften soll über mikroelektrische Impulse das gerichtete axonale Wachstum beschleunigen und damit lange Regenerationszeiten deutlich verkürzen.

Im Rahmen des Forschungsprojektes FOR 2180 arbeiten wir in einem interdisziplinären Team an der prinzi­piellen Machbarkeit und modellhaften Her­stel­lung eines gradierten Im­plantats für einen zu­künftigen Einsatz am Sehnen-Knochen-Übergang der Rotatorenmanschette. Als Grundmaterial dienen elektro­ge­spon­nene Fa­sermat­ten aus bioabbauba­ren Polymeren, wie Polycaprolacton mit einem gerichte­ten („sehnensei­tig“) bzw. unge­richte­ten („knochenseitig“) Faserverlauf. Die Faser­matten werden durch geeignete Maßnahmen, z. B. das Einbringen von im physiologischen Milieu löslichen „Opferfasern“, hinsichtlich der Zwischenräume der Fasern und Permeabilität so eingestellt, dass das Überleben und die Funktion einwandernder Zel­len gefördert werden so­wie der Transport von Nährstoffen und Stoffwechselprodukten möglich ist. Weiterhin werden die mechanischen Eigen­schaften an die in vivo-Situation angepasst.

Nach einem Schlaganfall oder Myokardinfarkt ist Thrombose eine lebensbedrohliche und häufige Folgeerscheinung. Deswegen werden neuartige Strategien implementiert, um biomimetische Materialien zu entwickeln, die lokal Antikoagulanzien abgeben können. Hierfür kann und wird auch das Electrospinning genutzt, um solche sogenannten Drug Delivery Systeme herzustellen. Eine erfolgreiche Einbettung von Antikoagulanzien in Faserkonstrukten kann das Risiko einer Thrombose signifikant reduzieren. Ferner ist die Herstellung und Charakterisierung eines Dual Delivery Systems aus Biopolymeren, das zwei oder mehrere Pharmazeutika beinhaltet, ein vielversprechender Ansatz zur Behandlung einer Thrombose und damit Gegenstand der Forschung.

Die Fibrose im Bereich der Elektroden von Cochlea-Implantaten führt zu einer erhöhten Impedanz, einer unvorhersehbaren Reizausbreitung sowie einem erhöhten Energiebedarf der Implantate. Am Institut für Mehrphasenprozesse werden im Elektrospinnprozess Mikrostrukturen auf die Oberflächen von Stimulationselektroden aufgebracht. Bei diesen Mikrostrukturen handelt es sich um dünne Fasern aus Silikonelastomer. Das hydrophobe Faservlies aus Silikon reduziert die Adhäsion von Fibroblasten, ohne die elektrischen Eigenschaften des Implantats zu beeinträchtigen. Zudem kann das Faservlies als Reservoir zur Freisetzung von entzündungshemmenden Stoffen und neurotrophen Wachstumsfaktoren genutzt werden, um ein Wiederaussprießen der Nervenzellen im Innenohr zu ermöglichen.

Die erfolgreiche Entwicklung einer Gefäßprothese unterliegt hohen Anforderungen. Neben der biologischen Verträglichkeit der Gerüststruktur sind hohe mechanische Anforderungen zu erfüllen. Hierfür ist ein Zugprüfstand entwickelt worden, welcher es ermöglicht, Zugprüfungen unter physiologischen Temperaturbedingungen durchzuführen. Dieses System ist so aufgebaut, dass verschiedene Geometrien und Zugrichtungen in radialer und axialer Richtung geprüft werden können.

Des Weiteren wurde ein Biegeprüfstand entwickelt, welcher das Durchflussverhalten von Gefäßprothesen in Abhängigkeit des Biegewinkels ermittelt. Das Gesamtprüfsystem besitzt ein Kreislaufsystem, dass den Druck und die Strömung über die Einstellung der Höhendifferenzen realisiert. Mit Hilfe von Druck- und Temperatursensoren sowie einem Thermostat werden Kennwerte aufgenommen und konstante Prüfbedingungen geschaffen.

Zur Sicherstellung und Bestimmung der Qualität und Wiederholgenauigkeit der Proben werden zwei Methoden verwendet. Zum einen kann eine mechanische Charakterisierung erfolgen, bei der in einem uniaxialen Zugversuch die Längenänderung und Kraft bis zum Bruch aufgenommen wird. Eine weitere Methode stellt die Porositätsbestimmung dar, mit der die Konstanz des Hohlraumvolumens bestimmt wird.