Neue Biotinte für den Druck von Geweben

Im Labor gezüchtete Gewebe sind ein Hoffnungsträger für Menschen mit Gewebeschädigungen. Sie könnten einmal Knorpelmasse, Nervenbahnen, Hautpartien oder ganze Organe ersetzen, die durch Krankheiten oder Unfälle verletzt wurden. Für die Erzeugung gewebeähnlicher Strukturen im Labor setzen Forscher auf 3D-Druckverfahren und so genannte "Biotinte". Sie besteht aus einer Mischung biokompatibler Polymere und lebender Zellen.

Wissenschaftler der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) haben nun ein neues Thermogel synthetisiert, das alle Anforderungen an Biotinten für die regenerative Medizin erfüllt: Bei Raumtemperatur ist die Verbindung aus Polymer und lebenden Zellen flüssig, bei Erwärmung geliert das Material (ähnlich wie Gelatine beim Erkalten), besitzt justierbare physikalische und biologische Eigenschaften und ist in ausreichender und gleichbleibender Qualität herstellbar. Die Forscher berichten darüber im Fachmagazin "Biomacromolecules".

Große mechanische Stärke und besondere Struktur

"Wir denken, dass die robuste und doch variable Synthese eine große Stärke dieses neuen Biomaterials sein könnte", sagt Professor Robert Luxenhofer vom Lehrstuhl für Chemische Technologie der Materialsynthese an der Uni Würzburg.

Von anderen Thermogelen hebt es sich durch eine besondere mechanische Stärke ab. Zudem unterscheidet sich die Struktur des Gels von anderen bekannten Biotinten: Es bildet ein so genanntes "bikontinuierliches" schwammartiges Netzwerk aus, im Gegensatz zum häufig auftretenden Netzwerk aus dicht gepackten Kugeln. Dies legen Untersuchungen mit Hilfe von Neutronenstreuung nah, die die Forscher an einem Gerät des Forschungszentrums Jülich durchführen konnten.

"Die Neutronenkleinwinkelstreuapparatur KWS-1, die wir an der Jülicher Außenstelle am Heinz Meier-Leibnitz Zentrum in Garching betreiben, ist besonders geeignet, um Strukturen im Bereich einiger Nanometer zu untersuchen. Das ist speziell bei solchen Hydrogelen wichtig, da hier das makroskopische Verhalten oft durch diese Nanostruktur mitbestimmt wird", erklärt Sebastian Jaksch vom Jülich Centre for Neutron Science (JCNS), der die Neutronenuntersuchungen durchgeführt und ausgewertet hat. "Für eine zukünftige Anwendung ist unser Material auch deshalb spannend, weil es durchgängige Kanäle besitzt, die für das Zellwachstum förderlich sind", ergänzt Jaksch.

Verbindung von Polymerbausteinen und organischen Zellen

Der Polymeranteil der neuen Biotinte besteht aus zwei sich abwechselnden Polymerbausteinen, von denen einer bei Erwärmung geliert und der andere wasserliebend ist. Als biologische Komponente mischten die Forscher so genannte "Fibroblasten" bei, noch nicht voll differenzierte Zellen, aus denen verschiedene Bindegewebszelltypen entstehen können.

Das flüssige Polymer-Zell-Gemisch wird zunächst durch Erwärmung in einen Gelzustand und dann mit 3D-Druckern in die gewünschte Form gebracht.  Diese Prozedur überstehen die Zellen hervorragend, zeigten die Forscher. Sie betonen, dass die genaue chemische Zusammensetzung ihres Thermogels leicht variiert werden kann und das System dadurch hervorragend sowohl für die weitere Grundlagenforschung als auch für Anwendungen geeignet ist.

"Wir möchten nun dieses spannende Material weiter erforschen und auch für andere Anwendungen untersuchen. Dafür konnten wir auch Kollegen in Würzburg, Deutschland und weltweit für Kooperationen begeistern. Nun gilt es aber vor allem, auch geeignete finanzielle Unterstützung für weitere Arbeiten zu gewinnen", sagt Robert Luxenhofer.

A Thermogelling Supramolecular Hydrogel with Sponge-Like Morphology as a Cytocompatible Bioink; Thomas Lorson, Sebastian Jaksch, Michael M. Lübtow, Tomasz Jüngst, Jürgen Groll, Tessa Lühmann, Robert Luxenhofer; Biomacromolecules, 2017, 18 (7), pp 2161–2171, DOI: 10.1021/acs.biomac.7b00481

Kontakt

Prof. Dr. Robert Luxenhofer,  Lehrstuhl für Chemische Technologie der Materialsynthese an der Uni Würzburg, T.: +49 931-31-89930, robert.luxenhofer@uni-wuerzburg.de

Links:

Jüllich Centre for Neutron Science (JCNS)
Neutronenkleinwinkelstreuapparatur KWS-1