ArchiTissue - 3D-Architektur biohybrider kardiovaskulärer Implantate durch additive Fertigung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Arnold Gillner; Professorin Dr. Petra Mela
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403170227

Die Herstellung biohybrider Weichgewebe-Implantate erfordert eine komplexe Anordnung von Zellen in einer dreidimensionalen Geometrie, um die gewünschte Funktion des späteren Implantats zu erzielen. Dabei wird versucht, die natürliche Struktur der Gewebe und die Anordnung der zellulären Komponenten durch die Verwendung eines geeigneten Zellträgers zu imitieren. Dieses "Gerüst" sorgt nicht nur für Form und Stabilität, sondern vermittelt auch gewebespezifische Eigenschaften und beeinflusst nach der Besiedelung mit Zellen die Gewebereifung, also die Bildung von Extrazellulärer Matrix (EZM) und die Zellproliferation nach einem 'function follows form' Prinzip. Die Gerüststruktur und die mechanischen Eigenschaften beeinflussen die Zellen in entscheidender Weise und bestimmen die Funktion des Gewebekonstrukts. Ziel dieses Projekts ist die Erforschung der des Einflusses spezifischer 3D-Architekturen des Stützgerüstes auf die funktionelle Reifung biohybrider Implantate. Durch die Untersuchungen in ArchiTissue werden die wesentlichen Rahmenbedingungen der Entwicklung einer Herzklappe ermittelt. Diese werden in einem daraus resultierenden Strukturkatalog festgelegt und fließen in das Reifungsmodel eines biohybriden Implantats ein. Der Lösungsansatz basiert auf der additiven Fertigung von Mikrostrukturen durch initiatorfreie Laserpolymerisation biokompatibler Präpolymere. Die Materialeigenschaften der entstehenden polymeren Gerüste erfüllen dabei die Anforderungen für die Adhäsion und Kultivierung einwachsender Zellen. Die Laserpolymerisation in der Stereolithographie (SL) erlaubt eine breite Variation der 3D Architektur (Geometriefreiheit), so dass die für die Reifung notwendigen Strukturparameter für verschiedene Implantattypen und für die Herzklappe im speziellen untersucht werden können. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse zum Einfluss der 3D Architektur auf Mono- und Co-Kulturmodelle in der Zellkultur, wird an der Realisierung eines mehrlagigen, biohybriden Herzklappenimplantats geforscht. Die drei Lagen einer Herzklappe, die inelastische, kollagenreiche Fibrosa, die elastinreiche Ventricularis und die dazwischenliegende glycosaminglykanreiche Spongiosa, werden durch die Zellbesiedlung der Strukturen in einem pulsatilen Bioreaktor realisiert. Hierbei wird zunächst für jede Schicht untersucht inwiefern die mechanischen und architektonischen Eigenschaften des Zellträgers das Verhalten der Endothel- und glatten Muskelzellen, speziell im Hinblick auf die Produktion der Extrazellulärmatrix, beeinflussen. Zur Erreichung des Projektziels werden folgende grundlegende wissenschaftliche Aufgabenstellungen untersucht:1) Variation der 3D-Architektur durch die Kombination von mikro- und makroskaligen Strukturelementen durch Mehrphotonenpolymerisation mit SL.2) Detaillierte Untersuchung der Wechselwirkung zwischen 3D Architektur und Zellverhalten unter dynamischer Stimulation 3) Entwicklung eines mehrlagigen biohybriden Herzklappenmodells.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen