Vaskularisationspotente Knochenersatzkonstrukte - Generierung von axial vaskularisierten bioartifiziellen Knochengeweben basierend auf biomorphen Keramikstrukturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des vorliegenden Projekts wurden biomimetische Biomaterialien zum Knochenersatz sowohl in vitro als auch in vivo evaluiert. Zusammenfassend erwiesen sich biphasische Calciumphosphate aufgrund hoher Biokompatibilität als gute Knochenersatzkonstrukte. Jedoch war durch das hier angewandte Verfahren der Porengenerierung durch Dextrin keine für den Einsatz in großvolumigen axial durchbluteten Knochenkonstrukten ausreichende Porosität zu erzielen. Auch konnte aufgrund der Notwendigkeit des Sinterungs-Prozesses keine direkte Inkorporierung von Wachstumsfaktoren in die Scaffolds im Rahmen eines 3D- Druckprozesses durchgeführt werden. Dagegen zeigten sich hochporöse Scaffolds aus bioaktivem Glas als überaus vielversprechende Knochenersatzmaterialien. Aufgrund der ausgesprochen hohen Porösität sowie der großen Flexibilität bezüglich Struktur und Zusammensetzung haben Bioglass-basierte Scaffolds ein durchaus großes Potential, auch klinisch bei signifikanten Knochendefekten, gegebenenfalls gemeinsam mit osteogenen Zellen und/oder Wachstumsfaktoren, zur Anwendung zu kommen. Aktuell wird in weiteren Studien an einer Funktionalisierung mittels Ionen-Release aus Bioglass-Scaffolds gearbeitet. Die auf zellbiologischer Ebene gewonnenen Erkenntnisse der in vitro Studien konnten klar zeigen, dass in den porösen BCP Scaffolds die dynamische Kultur zu einer besseren Differenzierungsleistung bei erhöhter Zellzahl führt. In Abhängigkeit der Scaffolds erscheinen ADSCs vielversprechend im Hinblick auf Knochenbildung ohne Einsatz von osteoinduktiven Zellkultur-Zusätzen. In weiterführenden in vivo Versuchen erwiesen sich die BCP-Scaffolds als biokompatibel und es konnte suffiziente Knochenbildung vor allem beim kombinierten Einsatz von BMP-2 und Osteoblasten in kleinvolumigen Prüfkörpern gezeigt werden. Allerdings erforderte die geringe Porosität vor dem Hintergrund des geplanten Einsatzes in axialen Vaskularisationsmodellen den Wechsel des Scaffold-Materials. Das AV-Loop Modell bot vor allem aufgrund der eigens entwickelten Modalitäten der 3D Bildgebung die Möglichkeit, verschiedene Biomaterialien hinsichtlich ihres Potentials zur Neovaskularisation präzise zu beurteilen. Dieses Konzept ist darüber hinaus im Rahmen eines translationalen Forschungsansatzes theoretisch auch im Klinischen Einsatz denkbar. Das up-scaling des Ansatzes konnte unlängst im Schafsmodell gezeigt werden. Auch die zellbiologischen Hintergründe der Gefäßneubildung können mit dessen Hilfe sehr genau untersucht werden. Im Rahmen des geförderten Projekts konnte neben der umfassenden Evaluation der biomimetischen Scaffolds auch das AV-Loop Modell optimiert sowie als neue systematische Methode der Analyse von Gefäßeinsprossung in dreidimensionale poröse Biomaterialien etabliert werden. Ungesinterte Scaffolds aus LDSF, Calciumsulfat oder Calciumphosphat zeigten initial hydrophobes Verhalten, wodurch das Aufbringen der Zellen erheblich erschwert wurde. Trotz Zellsaat mittels Fibrin/Thrombin-Zellclot ließ sich auf diesen Materialien kein suffizientes Zellüberleben erzielen. Des Weiteren sprachen die niedrige Porosität, die Instabilität dieser Keramiken und die Zelltoxizität des Aluminiums gegen ihre Anwendung als Scaffolds. Mit gesinterten BCP-Scaffolds konnten in vitro und in vivo gute Ergebnisse erzielt werden. Jedoch stellte sich im Laufe des Projekts heraus, dass die Makroporosität sowie die Interkonnektivität der Poren nicht optimal waren. Daher wurden in weiterführenden in vivo Analysen im AV Loop Modell Bioglass-basierte Scaffolds für den vaskularisierten Knochenersatz evaluiert. Gesinterte BCP Konstrukte mit hierarchischer Porosität sind vielversprechend Materialien für den Knochenersatz. Die im aktuellen Vorhaben evaluierten Scaffolds zeigten in der kleinvolumigen in vivo Anwendung eine suffiziente Knochenbildung bei optimaler Biokompatibilität. Der Einsatz bei klein bis mittelgroßen Knochendefekten ist daher ein durchaus vielversprechendes Anwendungsfeld. Die Generierung von BCP Scaffolds mit gesteigerter Porosität könnte letztlich auch den Einsatz bei großvolumigen Knochenersatzkonstrukten und vor allem die Generierung von axial vaskularisierten Knochengeweben ermöglichen. Bioglass-Scaffolds können insbesondere aufgrund der Möglichkeit der Inkorporation von bioaktiven Ionen sowie der hohen Porosität in vielen Knochenersatz-Konstrukten Anwendung finden. Zukünftig ist eine detaillierte Evaluation der bioaktiven Effekte verschiedener Kompositionen ebenso notwendig wie die Entwicklung von Scaffolds mit suffizienten biomechanischen Eigenschaften, die einen Einsatz auch bei lasttragenden Indikationen ermöglichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2010). Automatic quantitative micro-computed tomography evaluation of angiogenesis in an axially vascularized tissue-engineered bone construct. Tissue Eng Part C Methods, 16(6), 1503-1514
Arkudas, A., Beier, J. P., Pryymachuk, G., Hoereth, T., Bleiziffer, O., Polykandriotis, E., et al.
- (2011). Hyaluronan-based heparin-incorporated hydrogels for generation of axially vascularized bioartificial bone tissues: in vitro and in vivo evaluation in a PLDLLA- TCP-PCL-composite system. J Mater Sci Mater Med, 22(5), 1279-1291
Rath, S. N., Pryymachuk, G., Bleiziffer, O. A., Lam, C. X., Arkudas, A., Ho, S. T., et al.
- (2011). The impact of VEGF and bFGF on vascular stereomorphology in the context of angiogenic neo-arborisation after vascular induction. J Electron Microsc (Tokyo), 60(4), 267-274
Polykandriotis, E., Arkudas, A., Beier, J. P., Dragu, A., Rath, S., Pryymachuk, G., et al.
- (2012). Development of a pre-vascularized 3D scaffold-hydrogel composite graft using an arterio-venous loop for tissue engineering applications. J Biomater Appl, 27(3), 277-289
Rath, S. N., Arkudas, A., Lam, C. X., Olkowski, R., Polykandroitis, E., Chroscicka, A., et al.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1177/0885328211402243) - (2012). Induction of bone formation in biphasic calcium phosphate scaffolds by bone morphogenetic protein-2 and primary osteoblasts. J Tissue Eng Regen Med.
Strobel, L., Rath, S., Maier, A., Beier, J., Arkudas, A., Greil, P., et al.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/term.1511) - (2012). Osteoinduction and survival of osteoblasts and bone-marrow stromal cells in 3D biphasic calcium phosphate scaffolds under static and dynamic culture conditions. J Cell Mol Med, 16(10), 2350-2361
Rath, S. N., Strobel, L. A., Arkudas, A., Beier, J. P., Maier, A. K., Greil, P., et al.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/j.1582-4934.2012.01545.x) - (2013). Evaluation of angiogenesis of bioactive glass in the arteriovenous loop model. Tissue Eng Part C Methods, 19(6), 479-486
Arkudas, A., Balzer, A., Buehrer, G., Arnold, I., Hoppe, A., Detsch, R., et al.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1089/ten.tec.2012.0572)
