Druckbare 3D-Matrices zur Herstellung von künstlichem Knorpel

Herausforderung – Regeneration von Gelenkknorpel

Gelenkknorpel hat aufgrund der fehlenden Durchblutung keinen Zugang zu regenerativen Zellpopulationen. Knorpeldefekte sind daher nahezu irreversibel und resultieren häufig in einer fortschreitenden Zerstörung des betroffenen Gelenks. Eine vielversprechende therapeutische Behandlung ist die matrixassoziierte autologe Chondrozytentransplantation (MACT), bei der ein geeignetes Trägermaterial (Matrix) zunächst mit Knorpelzellen (Chondrozyten) des Patienten besiedelt und dann in den Knorpeldefekt implantiert wird. Die Kultivierung der Chondrozyten in den üblicherweise eingesetzten kollagenbasierten Matrices kann jedoch zu einer Dedifferenzierung, das heißt zu einem Funktionsverlust der Zellen führen.

Nachbildung von Gewebe durch Modifizierung natürlicher Gewebebestandteile

Um die Funktion der Knorpelzellen zu bewahren, scheint eine möglichst naturnahe Nachbildung der nativen extrazellulären Matrix (EZM) von hoher Bedeutung: Gelenkknorpel besitzt herausragende Eigenschaften bezüglich Festigkeit und Wassergehalt, die auf der Zusammensetzung seiner EZM aus Kollagenfasern und Wasser bindenden Polysaccharidbausteinen (Glukosaminoglykane) beruhen. Zur Darstellung von knorpelähnlichen Hydrogelsystemen wurden am IGB deshalb biologische Moleküle der natürlichen EZM durch eine chemische Reaktion mit Methacrylsäureanhydrid modifiziert und so vernetzbar gemacht. Ein Zweikomponentensystem aus Gelatine (denaturiertes Kollagen) und Chondroitinsulfat (Glukosaminoglykan) kann so kontrolliert chemisch vernetzt werden.

Durch Variation des Vernetzungsgrads und des Feststoffgehalts konnten wir Gelatine-Hydrogele mit Festigkeiten im Bereich von ca. 5 kPa bis ca. 370 kPa darstellen – dies entspricht etwa der Festigkeit von Fettgewebe beziehungsweise Nasenknorpel [1]. Die Integration von Chondroitinsulfat ermöglichte es, die Quellbarkeit der Matrix – bei gleichbleibender Festigkeit – weiter zu erhöhen. So konnten wir die Hydrogel-Eigenschaften verbessern und der Beschaffenheit von nativem Gelenkknorpel noch ähnlicher machen.

Stabilisierung von Knorpelzellen - die richtige Matrixzusammensetzung bringt Biofunktionalität

Bei der Verkapselung von Chondrozyten in dreidimensionale Hydrogele zeigte sich ein deutlicher Einfluss der Hydrogelzusammensetzung auf die Morphologie und das Proliferationsverhalten der Zellen. Anders als in Kollagen- oder reinen Gelatine-Hydrogelen wiesen Chondrozyten in chondroitinsulfathaltigen Hydrogelen eine für Knorpelzellen typische kugelige Morphologie und eine geringe Zellteilungsaktivität auf Unsere biomimetischen, die natürliche Knorpelumgebung nachahmenden Hydrogele stellen demnach ein vielversprechendes 3D-System zum Aufbau von Knorpelersatzgewebe dar.

Zell-Matrix-Systeme als Biotinte für Gewebedruck

Hyaliner Knorpel besitzt wie viele andere native Gewebe einen charakteristischen Mikro- und Makroaufbau. Beispielsweise steigt der Gehalt an Proteoglykanen vom Gelenkspalt zum Knochen kontinuierlich an, außerdem gibt es Zonen mit hoher Zelldichte sowie zellfreie Zonen. Um die inneren Strukturen von Geweben nachbilden zu können, werden präzise Dosierverfahren benötigt. Ein solches Verfahren ist der Inkjet-Druck. Um die dargestellten Materialsysteme für das Inkjet-Druckverfahren verfügbar zu machen, muss das Gelierverhalten und die Viskosität der Biomolekül-Lösungen vor dem Vernetzen gut kontrolliert und gering gehalten werden.

Durch eine zweifache Modifizierung der Biomoleküle, einerseits mit vernetzbaren Gruppen und andererseits mit zusätzlichen nicht-vernetzenden Einheiten, können am IGB nun sowohl die Eigenschaften der unvernetzten Lösungen als auch die der resultierenden vernetzten Hydrogele unabhängig voneinander eingesetzt werden. So können Chondrozyten in nicht-gelierenden »Biotinten« mittels Inkjet-Druck auf geeignete Substrate aufgedruckt werden [2].

Biomimetische Biomaterialien - ein Modell für die Zukunft

Die dargestellten Materialsysteme besitzen damit drei Eigenschaften, die sie für den Aufbau funktionaler Gewebemodelle besonders qualifizieren:
(1) Sie basieren auf den Biomolekülen der natürlichen extrazellulären Matrix.
(2) Sie können den mechanischen Eigenschaften unterschiedlicher Gewebe angepasst werden.
(3) Sie können mittels additiver digitaler Verfahren wie dem 3D-Druck zu beliebigen Strukturen verarbeitet werden [3].
Damit haben sie ein hohes Potenzial, in Zukunft zum Aufbau von funktionalen Gewebeersatzmaterialien beizutragen.

Literatur

[1] Hoch, E.; Schuh, C.; Hirth, T.; Tovar, G.E.M.; Borchers, K. (2012) Stiff gelatin hydrogels can be photo-chemically synthesized from low viscous gelatin solutions using molecularly functionalized gelatin with a high degree of methacrylation, Journal of Materials Science: Materials in Medicine 23: 2607–2617
[2] Hoch, E.; Hirth, T.; Tovar, G.E.M.; Borchers, K. (2013) Chemical tailoring of gelatin to adjust its chemical and physical properties for functional bioprinting, Journal of Materials Chemistry B. The Royal Society of Chemistry 1: 5675-5685
[3] Engelhardt, S.; Hoch, E.; Borchers, K.; Meyer, W.; Krüger, H.; Tovar, G.; Gillner, A. (2011) Fabrication of 2D protein microstructures and 3D polymer-protein hybrid microstructures by two-photon polymerization, Biofabrication 3: 025003

Förderung

Wir danken der Max-Buchner-Stiftung und der Peter und Traudl Engelhorn-Stiftung für die Förderung der Forschungsarbeiten.