3D-Fabrikation zellselektiver Gerüststrukturen

Moderne generative Fertigungsverfahren (Rapid Prototyping, RP) bieten die Möglichkeit, beliebig komplex geformte Bauteile mit hoher geometrische Auflösung herzustellen. So können mit RP zellulare Materialien gefertigt werden, deren Geometrie das ideale Umfeld für die Ansiedlung der Vorläuferzellen von Knochengewebe bildet. Neben den geometrischen Anforderungen müssen die offenporigen Gerüststrukturen auch von Seiten der verwendeten Materialien gewisse Anforderungen erfüllen: Der Werkstoff darf für die angesiedelten Zellen nicht toxisch sein. Zusätzlich muss er bioabbaubar sein, damit das Gerüst im Laufe er Zeit durch natürliches Gewebe ersetzt wird. Die Bioabbaubarkeit wird durch Verwendung modifizierter Gelatine erreicht. Durch geeignete chemische Modifikationen wird die Gelatine löslich in den photopolymerisierbaren Formulierungen, was für die folgenden Verarbeitungsschritte erforderlich ist. Zusätzliche Modifikationen gewährleisten die Photopolymerisierbarkeit. Im vorliegenden Projekt werden geeignete Photopolymere entwickelt, die sich mit RP-Verfahren wie der Stereolithographie strukturieren lassen. So lassen sich offenporige Gerüste mit definierter innerer und äußerer Geometrie herstellen. Die Porengröße kann gezielt so eingestellt werden, dass dieselben geometrischen Verhältnisse wie in spongiösem Knochen vorliegen. Die Gerüststrukturen werden mit mesenchymalen Stammzellen besiedelt. In der vorgegebenen chemischen Umgebung differenzieren diese Zellen zu Knochenzellen und bauen in weiterer Folge Knochengewebe auf. Durch eine zusätzliche Oberflächenmodifikation der Gerüststrukturen mit Kollagen I und Kollagen IV wird versucht, die Ansiedlung der für den Gewebeaufbau schädlichen hämatopoietischen Zellen zu verhindern.

Moderne generative Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing Technologies - AMT) bieten die Möglichkeit, beliebig komplex geformte Bauteile mit hoher geometrischer Auflösung herzustellen. So können mit AMT zellulare Materialien gefertigt werden, deren Geometrie das ideale Umfeld für die Ansiedlung der Vorläuferzellen von Knochengewebe bildet. Neben den geometrischen Anforderungen müssen die offenporigen Gerüststrukturen auch von Seiten der verwendeten Materialien gewisse Anforderungen erfüllen: Der Werkstoff darf für die angesiedelten Zellen nicht toxisch sein. Zusätzlich muss er bioabbaubar sein, damit das Gerüst im Laufe er Zeit durch natürliches Gewebe ersetzt wird. Im Projekt konnte erfolgreich eine neue Klasse von Biophotopolymeren entwickelt werden, die eine um den Faktor 10-100 bessere Bioverträglichkeit als bisher verwendete Biophotopolymere aufweist. Die entwickelten Kunststoffe basieren auf Vinylestern und Vinylcarbonaten und lassen sich mit generativen Fertigungsverfahren wie der Stereolithographie strukturieren. So können offenporige Gerüste mit definierter innerer und äußerer Geometrie hergestellt werden. Die Porengröße kann gezielt so eingestellt werden, dass dieselben geometrischen Verhältnisse wie in spongiösem Knochen vorliegen. Die Gerüststrukturen wurden mit Osteoblasten und sowie mesenchymalen Stammzellen besiedelt. Durch eine Oberflächenmodifizierung der Polymerstrukturen konnte die Ansiedelung der Zellen gezielt beeinflusst werden. Durch entsprechende Wahl der Zusammensetzung der Photopolymere kann die Abbaurate gezielt eingestellt werden. Die verwendeten Strukturen bauen sich unter physiologischen Bedingungen in einem Zeitraum von einigen Wochen bis zu einigen Jahren ab, je nach verwendeter Polymerformulierung und Geometrie des Bauteiles. Belegt durch mehrere Publikationen konnte das Projektteam zeigen, dass Gerüststrukturen, die auf Basis von Photopolymerisation hergestellt werden, mit einer geometrischen Auflösung von einigen hundert Nanometern hergestellt werden können. Zusätzlich ist mit Photopolymeren im Vergleich zu konventionellen Verfahren eine einfachere und gezieltere Funktionalisierung der Materialeigenschaften möglich. Um die Verwendbarkeit der entwickelten Polymerklassen für medizinische Zwecke weiter untersuchen zu können, wurden von der TU Wien zwei Patente international zur Anmeldung gebracht.