Forschungsbereich

Biomaterialien

Hydrogele und Cryogele

Resorbierbare Gele finden Anwendung in weiten Bereichen der regenerativen Medizin, vor allem auf dem Gebiet der Weichgeweberekonstruktion. Außerdem werden sie zur Wundversorgung, zur lokalen Wirkstofffreisetzung und als Protein- oder Zellträger eingesetzt. In modernen Verfahren werden degradierbare Matrizes mit körpereigenen Zellen besiedelt und nach der Implantation in den Defekt durch körpereigenes Gewebe ersetzt. Die günstigen Quellungseigenschaften von polymeren Gelen werden auch in der kosmetischen Industrie und Chirurgie vermehrt ausgenutzt.

In unserer Arbeitsgruppe werden sowohl Hydrogele als auch Cryogele basierend auf Dextran, Levan, Hyaluronsäure oder Chondroitinsulfat, aber auch Chitosan- bzw. Alginsäure-abgeleitete Gele hergestellt. Durch gezielte Einführung vernetzbarer Gruppen in die polymeren Ausgangsmaterialien sind wir in der Lage, die chemischen und physikalischen Eigenschaften so zu variieren, dass sie dem jeweiligen Applikationsfeld angepasst werden können.
 

Ein Teil der Hydrogele wird durch radikalische Polymerisation hergestellt, wobei gelartige Matrizes unterschiedlicher Festigkeiten entstehen. Eine Perforierung des Gels erlaubt die Bildung von durchgehenden Kanälen, wodurch beispielsweise die Nährstoffversorgung von Zellen gewährleistet und das Einwachsen von Kapillargefäßen erleichtert werden kann. Mittels 2-Photonen-Polymerisation können komplexe dreidimensionale Strukturen geschaffen werden, die eine Besiedlung mit Zellen erleichtern sollen. In In-vivo-Versuchen wurden die Verträglichkeit und die Abbaubarkeit methacrylierter Polymermaterialien sowie das Einwachsverhalten von Zellen in solche Hydrogele untersucht. Perforation, Sandwich-Aufbau und Vorbesiedlung mit autologen Zellen lieferten positive Ergebnissen hinsichtlich der Integration der Implantate in das umliegende Gewebe.

Hydrogele auf Chitosanbasis können über eine Amid- bzw. Azomethinbildung vernetzt werden. Geeignete Derivate für diese Reaktionen sind das N-Carboxymethyl-Chitosan sowie Chitosane mit eingestelltem Deacetylierungsgrad (DD ca. 50 %), welche über ein verbessertes Löslichkeitsverhalten unter neutralen Bedingungen verfügen. Die Vernetzung durch Amidbildung kann sowohl intramolekular als auch durch Zugabe multifunktioneller Carbonsäurederivate erfolgen. Für die Vernetzung über Azomethinbildung wird das Chitosan mit polyfunktionellen Aldehyden z. B. auf Polysaccharidbasis (Dextran, Hyaluronsäure, Alginat) umgesetzt. Die Hydrogele wurden hinsichtlich Abbau/Quellverhalten, Stabilität bzw. Cytotoxizität charakterisiert.

Ein weiteres bisher wenig beachtetes Biopolymer stellt das Levan, eine „Polyfruktose“ dar. Dieses Biopolymer wird aus verschiedenen Bakterienstämmen (Paenibacillus, Erwinia) gewonnen. Levan kann durch Einführung von vernetzungsfähigen Gruppierungen, vorzugsweise Methacrylat- Acrylat-, Maleinat- sowie Itaconsäurefunktionen, unter Lichtbestrahlung zu Hydrogelen vernetzt werden. Zur Einstellung bestimmter Eigenschaften können zusätzliche funktionelle Gruppen, wie Carboxyl-, Amino- oder Ammoniumgruppen, eingeführt werden. Des Weiteren können am Levan Veresterungen mit entsprechenden Säurederivaten unterschiedlicher Kettenlängen durchgeführt werden. Spezielle Derivate stellen fluoreszenzmarkierte Levane dar.
 

Im Gegensatz zu den Hydrogelen werden Cryogele bei Temperaturen unter null Grad aus monomeren oder polymeren Vorstufen synthetisiert. Es entsteht ein drei-dimensionales Netzwerk mit einem System miteinander verbundener Makroporen im Bereich von 1-100 µm. Die Vorteile der offenen Porenstruktur liegen in einem effizienten Transport von Nährstoffen und Sauerstoff bzw. dem ungehinderten Abtransport von Stoffwechselendprodukten.

Unser Bereich ist spezialisiert auf die Herstellung von Cryogelen auf Basis natürlicher Biopolymere als Matrixmaterialien für die Regeneration von Weichgewebe sowie für den Bereich Wundheilung. Neben biokompatiblen, natürlichen Polymeren auf Basis von Glycosaminoglykanen finden hier auch synthetische Polymere, wie z. B. Polyethylenglycol-Derivate, als Stabilisatoren bzw. als zusätzliche Porenbildner Anwendung. Mit Biopolymeren als Ausgangsmaterialien für Cryogele könnten daher artifizielle Matrizes hergestellt werden, die nicht nur in struktureller, sondern auch in stofflicher Hinsicht der extrazellulären Matrix entsprechen.
 


Dr. Torsten Walter
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Dr. Annika Wartenberg
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