Zellen und Biomaterialien

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

Bei der Kultivierung von Zellen und bei der Herstellung von Implantaten spielen die Eigenschaften der verwendeteten Materialien eine große Rolle. Im Forschungsgebiet Biomaterialien untersuchen wir daher die spezifische Zell-Material-Wechselwirkungen und entwickeln und optimieren Materialien für biologische Anwendungen.

Forschungsthemen

  • Zell-Materialwechselwirkungen
  • Selektion und Anreicherung von Zellen

  • Synthetische Trägermatrices

  • Biologische Matrices für das Tissue Engineering

Wissenswertes

Was ist ein Biomaterial?

Biomaterialien sind Werkstoffe, die in Wechselwirkung mit biologischen Systemen stehen, beispielsweise als Implantat wie Prothesen oder Stents oder als Trägermaterial für ein Transplantat.

Die Wechselwirkungen an den Grenzflächen zwischen dem Material und den daran angrenzenden Zellen sind komplex. In vivo – das heißt im natürlichen Gewebeverband – befinden sich Zellen in einem Gefüge, der sogenannten extrazellulären Matrix, mit dem sie über unterschiedliche Reize kommunizieren und interagieren. Diverse Charakteristika dieser Zellumgebung, beispielsweise mechanische Eigenschaften, Ladungsverteilungen oder Topographien nehmen direkten Einfluss auf das Zellverhalten.

Biomaterialien, in denen sich diese von der Natur vorgegebenen Eigenschaften in hohem Maße widerspiegeln, sind Grundlage für funktionelle, langlebige und verträgliche Produkte für Medizin und Medizintechnik.

Unsere Forschung verfolgt daher folgende Ziele:

  • Verständnis der Interaktion zwischen biologischen Zellen und extrazellulärer biologischer Matrix und / oder nichtbiologischem Material
  • Charakterisierung und Optimierung der Eigenschaften von Materialien für Zellkulturoberflächen, Implantate, sowie  Gerüst- und Stützstrukturen
  • Modifizierung von Biomaterialien einschließlich deren Charakterisierung und Applikationstestung

Projekte

  • BioRap – Künstliche Blutgefäße für das Tissue Engineering mittels Biofunktionalisierung und Rapid Prototyping
  • VascuBone – Baukasten für vaskularisierte Knochenimplantate
  • Biomimetische Matrices für die Entwicklung von autologen Knochen- und Knorpeltransplantaten mittels Selektion von Stammzellen
  • SynElast – Desmosin-Mimetika für die Entwicklung eines synthetischen Elastinersatzes für das Tissue Engineering
  • DiaLife – Laura Bassi Centre of Expertise for Diamond and Carbon Materials in Life Science (LBC): Optimierung von Implantatoberflächen

Leistungen

Wir entwickeln und modifizieren Biomaterialien für Anwendungen in der regenerativen Medizin, im Tissue Engineering und in der Medizintechnik. In Zusammenarbeit mit unserer Abteilung Grenzflächentechnologie und Materialwissenschaft bieten wir unseren Kunden dabei die Entwicklung eines Biomaterials von der Synthese und Charakterisierung des Werkstoffes bis hin zur zellbiologischen Überprüfung.

Biomaterialcharakterisierung und Oberflächenanalytik

  • Chemische Zusammensetzung, Oberflächentopographie, Oberflächenladung, Benetzbarkeit

Beurteilung von Zell-Biomaterial-Interaktionen anhand von Untersuchungen der Zellmorphologie, Zelladhäsion, Zelldifferenzierung und Zellvitalität

  • Immunhistochemie, Viabilitätsassays, Live-Dead-Staining, ELISA, qRT-PCR, Funktionalitätsassays

Materialentwicklung

  • Entwicklung maßgeschneiderter Biomaterialien
  • Biofunktionalisierung von synthetischen Materialien

Physikalisch-chemische Materialcharakterisierung

  • Mechanische Eigenschaften
  • Nachweis funktioneller Eigenschaften
  • Materialstabilität und Abbauverhalten
  • Oberflächenanalytik

Biologische Materialcharakterisierung

  • Charakterisierung von Zell-Material-Interaktionen

Ausstattung

  • Zellkulturlabor
  • Lichtmikroskopie
  • Fluoreszenzmikroskopie
  • Fluoreszenzmikroskopie mit konfokaler Auflösung (ApoTome)
  • Rasterelektronenmikroskopie (REM)
  • Rasterkraftmikroskopie (AFM)
  • Ellipsometrie
  • MALDI-TOF-Massenspektrometrie
  • Real Time PCR

Publikationen

Brecher, C., Wenzel, C., Pretzsch, F., Bueth, H., & Kluger, P.
Development and characterization of high volume producible micro structured surfaces for tissue engineering applications, IFMBE Proceedings, edited by Ratko Magjarevic (Springer Berlin Heidelberg, 2010), Vol. 25/10, pp. 136-139

Kluger, P. et al.
Electrospun poly(D/L-lactide-co-L-lactide) hybrid matrix: a novel scaffold material for soft tissue engineering, Journal of Materials Science: Materials in Medicine (Springer Netherlands, 2010), Vol. 21, pp. 2665-2671

Kluger, P.J. et al.
Amino- and Carboxy-functionalized Nano- and Microstructured Surfaces for Evaluating the Impact of Non-biological Stimuli on Adhesion, Proliferation and Differentiation of Primary Skin-Cells, MRS Online Proceedings Library (2009), Vol. 1187, pp. 1187-KK1105-1128

Kluger, P.J. & Pretzsch, F.
Mehr Strukturen für die Zellkultur, GIT Labor-Fachzeitschrift (GIT VERLAG GmbH & Co. KG, 2010), pp. 849-850

Novosel, E.C., Kleinhans, C., & Kluger, P. J.
Vascularization is the key challenge in tissue engineering, Advanced Drug Delivery Reviews (2011), Vol. 63, pp. 300-311

Votteler, M., Kluger, P.J., Walles, H., & Schenke-Layland, K.
Stem Cell Microenvironments - Unveiling the Secret of How Stem Cell Fate is Defined, Macromolecular Bioscience (WILEY-VCH Verlag, 2010), Vol. 10, pp. 1302-1315