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Projektleiter:
Prof. Dr. Michael Gelinsky

Laufzeit:
01.01.2014-31.12.2016

Projektbeschreibung:
Im Zentrum der Grundlagenuntersuchungen stehen die Entwicklung eines biologisch abbaubaren und deformationsstabilen druckelastischen Flockscaffolds aus einem Einstoffsystem mit einstellbaren Eigenschaften auf Basis von Chitosan und die systematischen zellbiologischen in vitro-Untersuchungen zur Eignung solcher Scaffolds als 3D-Trägerstukturen für das Tissue-Engineering von Gelenkknorpel. Dazu soll ein reproduzierbarer Spinnprozess zur Darstellung von Filamentgarnen aus reinem Chitosan mit definierter biologischer Funktionalität und anforderungsgerechten textilen Verarbeitungseigenschaften entwickelt werden. Als Substrate (Trägermaterialien) für den Flockprozess werden sowohl Chitosanmembranen, als auch neue ultraleichte oberflächenstrukturierte Chitosangewebe entwickelt. Für die Verbindung der Flockfasern aus Chitosan mit dem Substrat kommt ein zu entwickelnder Klebstoff auf Chitosanbasis zum Einsatz. Um die elektrische Leitfähigkeit der neuen Chitosan-Flockfasern für die elektrostatische Beflockung zu gewährleisten, werden biokompatible Präparationsrezepturen entwickelt. Durch die gezielte Anordnung der Komponenten im Flockprozess entstehen 100%ig biodegradable Scaffolds, die beim Einsatz von Chitosan als Träger (Flocksubstrat), Faser und Klebstoff als Einstoffsystem vorliegen. Die an die Scaffolds gestellten hohen Anforderungen hinsichtlich einer medizinischen Anwendung verlangen eine geschlossene Prozesskette, die bei geringstem Materialeinsatz zu definierten skalierbaren Porengrößen (vorzugsweise 100-150 µm) führen und gleichzeitig hohe Dimensionsstabilitäten der Scaffolds sichern. Die anisotrope Morphologie der Flockscaffolds führt zu ausreichend druckfesten, dabei aber elastischen und hochporösen Strukturen.
Durch umfassende Zellkulturuntersuchungen ist die Biokompatibilität aller eingesetzten Materialien nachzuweisen. Durch in vitro-Untersuchungen zur Stabilität der entwickelten Flockscaffolds unter Zellkulturbedingungen und zur Degradation der eingesetzten Materialien erfolgt eine qualifizierte Bewertung des jeweils erzielten Arbeitsstandes und die Spezifikation der Anforderungen an die Komponenten als Basis für die zielgerichtete Technologie- und Strukturentwicklung. Die Besiedlung der abbaubaren Flockscaffolds mit primären humanen Chondrozyten (hCh) und humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) und die Analyse der chondrogenen Differenzierung zeigen den Einfluss der anisotropen Porengeometrie auf das Zellverhalten. Mit der Entwicklung geeigneter Biopolymer-Gele für die Kultivierung von hCh/hMSC in biodegradablen Flockscaffolds wird eine effektive Methode zur Zellbesiedlung dieser offenporigen Trägerstrukturen bereitgestellt. In weiteren Experimenten wird der Effekt von zyklischer mechanischer Stimulation auf Matrixsynthese und chondrogene Differenzierung von Zellen in Flockscaffolds untersucht – und damit die Grundlage für ein neues Therapieverfahren für Defekte des Gelenkknorpels gelegt.

English summary:
The aim of this project is the development of a biodegradable and mechanically stable compression elastic flock scaffold from a single material system with adjustable parameters based on chitosan as well as the systematic cell biological investigation in regard to its application as three-dimensional carrier structure for tissue engineering of articular cartilage. For this a reproducible spin process for depiction of filament yarns from pure chitosan with defined biological function and properties suitable for textile processing will be developed. Both a chitosan membrane and a novel ultra light surface structured chitosan woven fabric will be developed as substrate (carrier material). A novel adhesive, based on chitosan, is applied to join the flock fibers with the substrate. In order to guarantee the electrical conductivity of novel chitosan flock fibers for electrostatic flocking, biocompatible recipe for preparation will be synthesized. A completely biodegradable flock scaffold, which is available as a single material system based on chitosan as substrate, flock fiber and adhesive, is generated by targeted configuration of each component of the flock process. The high demands concerning medical application of the scaffolds require a closed process chain. This will lead to a defined, scalable pore size (preferably 110-150 µm) and simultaneously to a high dimension stability of the scaffolds by minimum material requisition. The anisotropic morphology of the constructs guarantees both mechanical strength, elasticity and a high porosity at the same time.
The biocompatibility of all components is proved by cell culture investigations. A continuous and qualified evaluation of the actual work state and a specification of requirements concerning the materials and structures as a fundament for targeted technology and structure development is carried out by means of in vitro tests. Also stability of the flock scaffolds under cell culture conditions and their degradation behavior will be studied. Seeding of biodegradable flock scaffolds with human primary chondrocytes (hCh) and human mesenchymal stem cells (hMSC) and analysis of their chondrogenic differentiation demonstrate the effects of anisotropic pore morphology on the cell behavior. An effective method of cell seeding of these open porous scaffolds will be developed by generating suited biopolymer gels for cultivation of hCh/hMSC on biodegradable flock scaffolds. In additional experiments the effect of cyclic mechanical loading on matrix synthesis and chondrogenic differentiation of cells cultivated in flock scaffolds will be investigated – which will provide the basis for a novel therapy of articular cartilage defects.

Koordinator:
Prof. Dr. Michael Gelinsky

Projektbearbeiterin:
Elke Goßla

Kooperationspartner:
Dr.-Ing. Gerald Hoffmann, Technische Universität Dresden, Institut für Textiltechnik
Dr. Rolf-Dieter Hund, Technische Universität Dresden, Institut für Textiltechnik