Additive Fertigung einer neuen Klasse von Implantaten mit heterogenen Strukturen durch Kombination unterschiedlicher Biomaterialien und Druckmethoden

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Gelinsky
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525055411

Das additive Verfahren der Mikroextrusion kann bei Raumtemperatur betrieben werden und es steht inzwischen eine Vielzahl biologisch abbaubarer Biomaterialien dafür zur Verfügung. Wir zielen darauf ab, neue Arten von Implantaten und Gewebekonstrukten zu schaffen, die die vollständige Regeneration häufiger Defekte unterstützen, die an Gewebegrenzflächen wie der osteochondralen Einheit oder dem Sehnen-Knochen-Übergang auftreten. Durch die Kombination von gewebespezifischen Biomaterialien mittels Mehrkanal-Drucks sollen neuartige Lösungen entwickelt werden. Der Betrieb bei Raumtemperatur ermöglicht die Integration von gewebespezifischen, sensiblen bioaktiven Faktoren direkt in den Druckprozess. Eine wesentliche Innovation dieses Projekts ist die Entwicklung neuer Druckmuster. Das Druckdesign ist ein noch weitgehend unerforschtes Thema im Mikroextrusionsdruck, wo bisher üblicherweise einfache Holzstapelgeometrien gedruckt werden. Fokus der Entwicklung ist die Generierung möglichst vieler konkaver Oberflächen, da diese die Zelladhäsion und -migration besser unterstützen als planare und konvexe Oberflächen. Außerdem werden Größe und Zugänglichkeit der für die O2- und Nährstoffversorgung entscheidenden Poren sowohl während der Zellkultur als auch nach der Implantation berücksichtigt. Die aus dem entworfenen Muster resultierenden mechanischen Eigenschaften des Gerüsts werden in die Optimierungsprozesse einbezogen, unterstützt durch Computermodellierung. Neben der Mikroextrusion wird die AM-Technologie des Melt Electrowriting (MEW) von thermoplastischen Polymeren in das Gerüstdesign integriert. Wie in Vorversuchen der Antragsteller gezeigt wurde, können Mikroextrusion (Strangdurchmesser >= 200 Mikrometer) und MEW (Faserdurchmesser ca. 0,5-20 Mikrometer) innerhalb eines Druckprozesses kombiniert werden. Da mit MEW hochdefinierte Mikrofasernetze hergestellt werden können, ermöglicht die Kombination beider Technologien die Herstellung von Scaffolds mit hierarchischen Strukturen, die geeignete Oberflächen für die Zellanhaftung und -entwicklung bieten - aber auch Mikrofasernetzwerke, die die extrazellulären Matrices von Säugetiergeweben nachahmen. Die Integration von MEW-Netzen kann die mechanische Stabilität von Calciumphosphat-Gerüsten erhöhen, die Verbindung verschiedener, extrusionsgedruckter Biomaterialien verbessern und Leitstrukturen für die Ausrichtung von Zellen bereitstellen. Insgesamt wird eine neue Generation von Scaffolds und Gewebekonstrukten entwickelt, die aus mehreren biologisch abbaubaren Biomaterialien bestehen und durch innovative Kombination zweier AM-Technologien in einem Druckprozess hergestellt werden. Die resultierenden Konstrukte werden gründlich auf ihre strukturellen, mechanischen und biologischen Eigenschaften untersucht, wobei Mikroskopie, mechanische und In-vitro-Tests mit primären menschlichen Zellen und mesenchymalen Stammzellen zum Einsatz kommen. Alle diese Daten werden gründlich analysiert, um Struktur-Eigenschaftsbeziehung ableiten zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Mitverantwortlich(e): Dr. Anja Lode
• Kooperationspartnerin: Dr.-Ing. Malgorzata Wlodarczyk-Biegun