Entwicklung eines in vitro-Modells zur Evaluation der Effekte mechanischer Stimulierung von humanen Osteoblasten in 3D-Biomaterialien und Testung der Biokompatibilität

Media type: E-Book

Title: Entwicklung eines in vitro-Modells zur Evaluation der Effekte mechanischer Stimulierung von humanen Osteoblasten in 3D-Biomaterialien und Testung der Biokompatibilität

Contributor: Volk, Lukas [Verfasser]; Steinberg, Thorsten [Akademischer Betreuer]; Römer, Winfried [Sonstige]; Claßen, Anne-Kathrin [Sonstige]

Corporation: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Fakultät für Biologie ; Universitätsklinikum Freiburg, Abteilung für Orale Biotechnologie ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Fakultät für Biologie

imprint: Freiburg: Universität, 2023

Extent: Online-Ressource

Language: German

DOI: 10.6094/UNIFR/237697

Identifier:

Keywords: Tiermodell ; Osteoblast ; Knochenersatz ; Implantat ; Tissue Engineering ; Biomaterial ; Zelldifferenzierung ; Knochenbildung ; Mechanosensitivität ; confined compression ; (local)doctoralThesis

Origination:

University thesis: Dissertation, Universität Freiburg, 2023

Footnote:

Description: Abstract: Große Knochendefekte (englisch ‚critical size defect‘) können ohne Unterstützung nicht vollständig regenerieren und werden klinisch daher in der Regel mit Implantaten aus nicht resorbierbaren Knochenersatzmaterialien versorgt, die dauerhaft im Körper verbleiben. Diese momentan übliche medizinische Versorgung bedarf der Verbesserung in zwei Bereichen: (i) Neuentwickelte, resorbierbare Knochenersatzmaterialien könnten eine vollständige Regeneration des Knochengewebes bei gleichzeitiger Degradation des Knochenimplantats ermöglichen. (ii) Außerdem könnte der Einsatz neuartiger Fertigungstechniken, wie des 3D-Drucks, zu einer verbesserten, patientenspezifischen Passform der Implantate im Sinne der personalisierten Medizin führen. Die dadurch erzielten Verbesserungen im Implantatdesign und in der Integration des Implantats in das Knochengewebe, sowie kürzere OP-Zeiten würden einen signifikanten Mehrwert für die Patienten bedeuten. Im vorliegenden Projekt werden Knochenersatzmaterialsysteme auf ihre in vitro-Biokompatibilität hin untersucht, die in Kooperation mit akademischen und industriellen Partnern entwickelt wurden. Diese Materialsysteme sollen die Herstellung von neuartigen Knochenimplantaten ermöglichen, die beide oben genannten Verbesserungsansätze für die klinische Versorgung von ‚critical size‘- Knochendefekten kombinieren. Die Materialien basieren einerseits auf dem synthetischen Polymer Polyvinylencarbonat (PVCA) und dessen Derivat Polyhydroxymethylen (PHM) mit verschiedenen Supplementierungen und andererseits auf dem natürlichen Polysaccharid Alginat, das ebenfalls in Materialvarianten supplementiert wurde. Die Untersuchung der Materialien mithilfe von primären, humanen Osteoblasten als Zellen des Zielgewebes der geplanten Anwendung hat eine gute in vitro- Biokompatibilität der PVCA- und PHM-basierten Materialien auch ohne Supplementierung gezeigt. Die weitere Supplementierung mit Hydroxylapatit hat dabei trotz dessen bekannten, osteogenen Eigenschaften die in vitro-Biokompatibilität hier leicht verringert. Über die Demonstration der nicht zytotoxischen Eigenschaften und der Besiedelungsfähigkeit hinaus konnte gezeigt werden, dass primäre, humane Osteoblasten in den dreidimensional strukturierten, 3D-gedruckten Probekörpern aus PHM in der Lage waren, ein gewebeähnliches Gefüge aus Zellen und extrazellulärer Matrix zu bilden. Alginatmaterialvarianten mit und ohne Supplementierung von Hydroxylapatit waren dagegen nicht biokompatibel, da sie keine Zelladhäsion erlaubten. Die zusätzliche Supplementierung mit Gelatine konnte jedoch auch hier die in vitro-Biokompatibilität herstellen. Zusätzlich zur in vitro-Biokompatibilitätsprüfung der Materialien wurde im Projekt ein Modellsystem zur mechanischen Stimulation von Osteoblasten während der Kultivierung in dreidimensionalen Scaffolds und zur anschließenden Analyse ihrer relativen Genexpression mittels qPCR-Arrays entwickelt und charakterisiert. Die mechanische Belastung von Knochengewebe in vivo hat einen großen Einfluss auf osteogene und Regenerationsprozesse. Das System erweitert das methodische Repertoire für die Analyse der Interaktion von Zellen mit 3D-Biomaterialien für die Knochengeweberegeneration und für die Untersuchung ihrer biologischen Grundlagen. Die im System als Modellzellen verwendeten primären, humanen Osteoblasten wurden in Bezug auf ihre Proliferation, Adhäsion und Reaktionsfähigkeit auf osteogene Stimulierung mit BMP-2 charakterisiert. Dabei wurden Defizite in der Zelladhäsion und der osteogenen Stimulierbarkeit festgestellt, die einen teilweisen Verlust der Osteoblasten-typischen Zellfunktionen bedeuten. Für die Durchführung der mechanischen Stimulation der Zellen wurde eine Apparatur entwickelt, die ‚confined compression‘ ermöglicht, also die Kompression bei Verhinderung der seitlichen Ausdehnung der Probekörper. Die mechanische Stimulation der Osteoblasten in Fibringelen als Modellmaterial mit der entwickelten Apparatur hatte überraschenderweise keinen signifikanten Effekt auf ihre Genexpressionsmuster im Kontext Osteogenese. Dies ist vermutlich auf die oben beschriebenen Defekte der Osteoblasten in osteogener Stimulierbarkeit und Adhäsion zurückzuführen. Insgesamt bilden die Ergebnisse des Projekts ein umfassendes Modellsystem für die Prüfung der in vitro-Biokompatibilität neuentwickelter Biomaterialien, sowie für die Untersuchung der Effekte mechanischer Stimulation auf Osteoblasten in 3D-Biomaterialien. Die bisher verwendeten Zellen 1bedürfen angesichts ihrer nicht Zellart-typischen Eigenschaften der weiteren Untersuchung oder des Austauschs. Insgesamt stellt das in vitro-System einen signifikanten Beitrag für die Verbesserung der klinischen Versorgung von ‚critical size‘-Knochendefekten dar. Es ermöglicht außerdem wichtige Einblicke in die Wechselwirkung zwischen neuen Biomaterialsystemen und den Zellen ihres Zielgewebes im Kontext Knochenregeneration erlauben

Access State: Open Access

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