Biomaterialien
Entwicklung von Biomaterialien
Die Entwicklung neuartiger Biomaterialien für die Regeneration von Gewebedefekten und die Herstellung von Scaffolds (Gerüststrukturen) für das Tissue Engineering bildet einen Schwerpunkt der Arbeiten am Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung.
Dabei konzentrieren wir uns sowohl auf synthetische Implantatmaterialien, beispielsweise Calciumphosphate, als auch auf Biopolymere natürlichen Ursprungs, wie etwa Kollagen oder Alginat-basierte Hydrogele.
Biopolymere und Hydrogele
Als Hydrogele werden dreidimensionale Netzwerke aus Polymeren bezeichnet, die enorm viel Wasser speichern können. Damit ähneln sie dem Weichgewebe des Körpers und können als künstliche Matrix im Tissue Engineering mit Zellen beladen werden und damit als lebender Gewebeersatz dienen. Basierend auf zahlreichen Biopolymeren, beispielsweise Alginat, Chitosan oder Kollagen, entwickeln wir Hydrogele als Zellträger für unterschiedliche Gewebe.
Beispiele sind Alginat-Scaffolds mit kanalartigen Poren, die beispielsweise für die Regeneration von neuronalen Strukturen eingesetzt werden können, oder Chitosan-basierte Scaffolds für die Behandlung von Knorpeldefekten [Flock]. Hydrogele sind auch ein wichtiges Ausgangsmaterial für die Biofabrikation von komplex aufgebauten Scaffolds [Biofabrikation].
Calciumphosphate
Calciumphosphat-Keramik und insbesondere Calciumphosphat-Knochenzemente eignen sich hervorragend zur Behandlung von Knochendefekten, da sie in ihrer chemischen Zusammensetzung der mineralischen Phase des Knochens stark ähneln. Durch gezielte Modifikation ihrer Zusammensetzung, zum Beispiel durch Substitution mit therapeutisch wirksamen Ionen, arbeiten wir an speziell für bestimmte Krankheitsbilder wie etwa die Osteoporose angepassten Zementen [TR79 M2].
Ein zweiter Schwerpunkt ist die Verwendung von Knochenzementen als Drug- und Protein-Delivery System: auf diese Weise sollen Medikamente oder Wachstumsfaktoren direkt im behandelten Defekt freigesetzt werden um dort ihre Wirkung zu entfalten.
Außerdem stellen unsere Calciumphosphatzemente ein wichtiges Ausgangsmaterial für die Biofabrikation von Knochenersatzstrukturen dar [Biofabrikation].
Komposite
Komposite vereinen die positiven Eigenschaften mehrerer Biomaterialien durch Kombination zu einem neuen Werkstoff. So nutzen wir ein biomimetisches Mineralisationsverfahren zur Herstellung von mineralisiertem Kollagen – das dabei entstehende Komposit bildet die im natürlichen Knochen vorkommende Struktur exakt nach und eignet sich deswegen sehr gut als Scaffoldmaterial für Knochendefekte. Auf Basis des mineralisierten Kollagens arbeiten wir am neuartigen Ansatz des in situ Tissue Engineering, bei dem Scaffolds durch gezielte Freisetzung von Wachstumsfaktoren ab dem Zeitpunkt der Implantation gezielt bestimmte Zelltypen anlocken und so das Einwachsen von Knochengewebe fördern sollen [TR79 M4].