BioRap – Künstliche Blutgefäßsysteme

Versorgung von In-vitro-Geweben

Ziel des Tissue Engineerings ist die Herstellung von menschlichen Geweben und Organen im Labor. Der Aufbau grösserer Gewebekonstrukte ist bislang jedoch limitiert, da eine Nährstoffversorgung durch ein Gefäßsystem – vergleichbar mit dem Blutgefäßsystem im Körper – fehlt. Im Rahmen eines Fraunhofer-Forschungsprojekts hat sich ein Konsortium aus den fünf Fraunhofer-Instituten IAP, IGB, ILT, IPA und IWM das Ziel gesetzt, künstliche Blutgefäßsysteme zu entwickeln. 

Mit Rapid Prototyping und Biologisierung zu künstlichen Gefäßen

Bioinspirierte Versorgungssysteme in einer Zellkulturmatrix für den Einsatz im Tissue Engineering (CAD, © Fraunhofer IPA)

Die Kombination aus 3-D-Inkjet-Drucktechnik und Multiphotonenpolymerisation ermöglicht erstmals die Herstellung von verzweigten Gefäßen mit Durchmessern unter 1 mm. Für die Verarbeitung in dem kombinierten Verfahrensprozess wurden unter Leitung des Fraunhofer IAP spezielle Tinten entwickelt. Sie basieren auf einem Baukasten mit unterschiedlichen Monomer- und Polymerkomponenten und lassen sich zu Materialien mit maßgeschneiderten elastischen Eigenschaften vernetzen. Schwerpunkt am Fraunhofer IGB ist die Biologisierung der synthetischen Röhrenstrukturen hin zu biomimetischen Gefäßsystemen. Dazu sollen Endothelzellen, die im Körper die Blutgefäße auskleiden, an die künstlichen Gefäße angebunden werden. In einem ersten Schritt erfolgt hierzu die Biofunktionalisierung des künstlichen Materials.

Biofunktionalisierung der Materialien

© Jan Kerckhoff
Ein Polymerröhrchen, das einmal als künstliches Blutgefäß oder zur Versorgung von In-vitro Gewebekulturen eingesetzt werden kann, wird mit Zellmedium gespült.

Die synthetischen Kunststoffoberflächen funktionalisieren wir mit modifizierten Biopolymeren (beispielsweise Heparin), Wachstumsfaktoren (z. B. vascular endothelial growth factor, VEGF) und spezifischen Ankerproteinen für Zellen (u. a. der Peptidsequenz Arginin-Glycin-Asparaginsäure, RGD), um die Besiedelung der Materialien mit Endothelzellen zu ermöglichen. Durch die Anbindung dieser bioaktiven Komponenten wird die Ausbildung eines konfluenten Zellrasens gesteuert. Darüber hinaus lässt sich auf diese Weise bei einem späteren Einsatz der künstlichen Gefäße im Transplantat auch deren Thrombogenität – also die Bildung von Blutgerinnseln – reduzieren.

Alternativ zur Biofunktionalisierung vollsynthetischer Materialien werden Hybridmaterialien aus synthetischen und biologischen Polymeren für den Aufbau der künstlichen Gefäße eingesetzt. Dazu werden am Fraunhofer IGB Biopolymere mit polymerisierbaren Gruppen ausgerüstet, die in der Tintenformulierung für den Rapid-Prototyping-Schritt integriert werden. Auf diese Weise soll das fertige Gefäßröhrchen bereits kovalent gebundene Biomoleküle enthalten und ohne Nachbehandlung die Interaktion mit Zellen ermöglichen.

Ausblick: Bioreaktor für biomimetische Blutgefäße

Zellwachstum.
Links: Geschlossene Endothel-Zellschicht auf biofunktionalisiertem synthetischem Material. Rechts: Zum Vergleich das deutlich geringere Zellwachstum auf unbeschichtetem Polymer.

Die Ausbildung eines funktionalen Endothels ist essenziell für die Biofunktionalität der künstlichen Blutgefäße. Ziel ist es, eine vollständige Schicht Endothelzellen als innerste Lage der Röhrchen zu etablieren. Ein wesentlicher Schritt zur Kultivierung funktioneller Endothelzellen ist die Nachbildung der Bedingungen im Körper. Hierzu entwickeln wir am Fraunhofer IGB ein spezielles Bioreaktorsystem, in dem die mit Endothelzellen besiedelten künstlichen Gefäßstrukturen dynamisch kultiviert werden.

Förderung

Wir danken der Fraunhofer-Gesellschaft für die Förderung des Projekts »Herstellung bio-inspirierter Versorgungssysteme für Transplantate mittels Rapid Prototyping über Inkjet-Druck und Multiphotonenpolymerisation (BioRap)« über das Programm Marktorientierte Vorlaufforschung.

Projektpartner

  • Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP, Golm
  • Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen
  • Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart
  • Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg