Materialdesign und bioaktive Formgebung für Anwendungen in der regenerativen Medizin

Ziel der Arbeit waren Herstellung und bioaktive Formgebung von biokompatiblen Materialien für den Einsatz in der regenerativen Medizin („Tissue Engineering“). Im ersten Teil wurden bioabbaubare Polyurethane auf Basis von Oligoethylenoxid, aliphatischen Isocyanaten und Polyol-Vernetzern untersucht, um im Gießharzverfahren Träger für die Reparatur von Bauchdecken bereitzustellen. Dabei kamen als Isocyanatkomponenten Isophorondiisocyanat (IPDI), L-Lysindiisocyanat (LDI) und Hexandiisocyanat (HDI) zum Einsatz. Als Polyolkomponente wurden Polyethylenglykol, Glycerin und Butandiol verwendet. Aufgrund der Variation des Anteils an Glycerin und des Verhältnisses von Isocyanat- zu Hydroxygruppen konnte unterschiedlichste Vernetzungsdichten hergestellt werden. Hierbei zeigte sich, dass die mechanischen Eigenschaften der Polyurethane nur beim IPDI die Werte der natürlichen Bauchdecke erreichen. Diese Polyurethane bauen wie gefordert in Tests langsam ab, was sich in einem Massenverlust der Proben und einer Änderung der mechanischen Eigenschaften äussert. Beim LDI wird zuerst die Esterseitengruppe abgespalten und ein ungehemmtes Quellen beim Abbau beobachtet. Das Abbauverhalten lässt sich durch Zugabe eines abbaubaren Polyesters (Poly(-caprolacton) beschleunigen und steuern. Bei Toxizitätstests und spektroskopischer Untersuchung konnte keine akute Toxizität der Polyurethane festgestellt werden. Bei einem Wachstum der Zellen auf den Polyurethanen zeigt sich eine starke Abhängigkeit des Zellwachstums von der Vernetzungsdichte. Hierfür wurde – in Kombination mit rasterkraftmikroskopischen Aufnahmen – ein Modell entwickelt. Einige der synthetisierten hochvernetzten Polyurethane auf der Basis von IPDI erfüllen die Anforderungen der Bauchdeckenimplantate und sollten zukünftig in in-vivo-Versuchen getestet werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine Technik zur Herstellung von Trägern für das Tissue Engineering erfunden. Diese Technik stellt durch Dosieren von Pasten, Lösungen oder Schmelzen poröse dreidimensionale Objekte her. Dabei ergeben viele parallel dosierte Stränge eine Schicht und eine Vielzahl Schichten baut das Objekt auf. Durch den schichtweisen Aufbau gehört sie zu der Gruppe der Rapid Prototyping (RP) Techiken. Durch eine Verlagerung des Dosiervorgangs in ein flüssiges Medium unterscheidet sie sich von bisher bekannten Dosiertechniken. Für diese Technik wurde der Name 3D-Plotten eingeführt und das Prinzip international geschützt. Aufbauend auf diese Technik wurden mehrere Maschinen konzipiert und gebaut. Die Eigenschaften und Bedingungen des Prozesses wurden untersucht. In Tests konnte das Materialspektrum des Rapid Prototypings beträchtlich erweitert werden, denn mit dieser Technik konnten keramische Pasten, Schmelzen thermoplastischer Polymere, Polymerlösungen und Hydrogele (Agar, Gelatine, Collagen, Fibrin) verarbeitet werden. Es zeigte sich, dass das 3D-Plotten besonders für die Verarbeitung von Biomaterialien viele Vorteile bietet. Es wurden unterschiedliche Strukturen aus Biomaterialien hergestellt und nachträglich mit Zellen besiedelt. Dabei zeigte sich, dass sowohl Zellinien als auch humane Zellen auf mittels 3D-Plotten aufgebauten Calciumphosphat-, PLGA-, Polyurethan- und Collagenträgern gut wachsen. Besonders interessant ist die erstmalige Herstellung von Hydrogelstrukturen mit einer RP-Technik, da Hydrogele als einzige Materialklasse die Verkapselung lebender Zellen erlauben. Da zudem toxische Reagentien und hohe Temperaturen vermieden werden konnten, gelang die Herstellung von Hydrogelträgern mit lebenden Zellen. Diese erstmalige Einbeziehung von Zellen in einen Rapid Prototyping Prozess setzt das Konzept des „Organ Printing“ in die Realität um und stellt hinsichtlich einer biofunktionalen Formgebung einen wichtigen Schritt dar.

Author dc:creator

• Landers, Rüdiger

Contributors dc:contributor

• Mülhaupt, Rolf

• Bioplotter

Repository record source_url

https://freidok.uni-freiburg.de/data/1298

OAI identifier oai:identifier

oai:freidok.uni-freiburg.de:1298