Biomedizinische Materialien - Forschungsprojekte
Aktuelle Projekte der Arbeitsgruppe
GO-BIO Initial from Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Laufzeit: 01.10.2021- 30.09.2022
Mitarbeiter: Reema Anouz (Projektleiterin) und Adrian Hautmann
Projekt: "ActiveLayers" Entwicklung von Multi-Komponentfilmen als Plattform-Technologie für Anwendungen in der Wundheilung und Chirurgie
"ActiveLayers" ist eine Plattformtechnologie zum Aufbau medizinischer Mehrschichtfolien auf Basis der Layer-by-Layer-Technologie. Sie zeichnet sich durch ihre Biokompatibilität, Umweltfreundlichkeit, Modularität und Multifunktionalität aus und kann für die Behandlung verschiedener medizinischer Probleme wie chronische Wunden, nicht heilende Knochenbrüche, parodontale Regeneration und postoperative Adhäsionen von Organen optimiert und angepasst werden. "ActiveLayers" erhält seine Einzigartigkeit dadurch, dass es das erste Produkt auf dem Markt ist, das auf dieser Technologie basiert. Da die größte Herausforderung, die eine Markteinführung dieser Technologie verhindert, der Transfer von den Forschungslabors zur Industrie ist, da es an effektiven Upscaling-Möglichkeiten mangelt, arbeiten wir in diesem Projekt hart daran, dieses Problem zu lösen. Kurzfristig werden wir kontinuierliche Spraycoatingverfahren für Forschung und Industrie entwickeln, produzieren und verkaufen, die auch ein High-Throughput-Screening von LbL-Biomaterialien ermöglichen können. Darüber hinaus werden wir Wundheilungsmembranen und andere maßgeschneiderte medizinische Membranen im industriellen Maßstab herstellen. Langfristig werden wir uns auf die Optimierung und Produktion von medizinischen Membranen für andere medizinische Anwendungen konzentrieren.
DFG Projekt 2020
Verbessertes Blutverträglichkeit einer axialen Blutpumpe Sputnik durch ein neues Design und eine neuartige gerinnungshemmendeOberflächenbeschichtung
Laufzeit: 01.04.2020 - 31.03.2023
Partner: Prof. Dmitry Telychev, Nationale Universität für Elektronische Technologie(MIET), Moskau
Die Behandlung der akuten und chronischen Herzinsuffizienz gehört
immer noch zu den Herausforderungen in der modernen Medizin in der Europäischen Union, aber auch in der Russischen Föderation. Die beste Option zur Behandlung solcher Patienten ist die Herztransplantation, die jedoch wegen der begrenzten Zahl von Spenderorganen oft nicht möglich ist, weshalb zunehmend implantierbaren Blutpumpen, sogenannte „Ventricular Assist Devices“ die Patienten am Leben erhalten. Da nicht genügend Spenderorgane zur Verfügung stehen, sind VAD häufig die einzige Option für viele Patienten und damit auch für deren Langzeitbehandlung. Die Anwendung von VAD erfordert allerdings die Nutzung von Antikoagulantien, was das Thromboserisiko verringert, aber auch die Blutungsneigung in den Patienten erhöht. Zudem birgt das Design der VAD und die damit einhergehenden Belastung von Blutkomponenten durch hohe Scherkräfte sowohl das Risiko thrombotischer Ereignisse als auch einer erhöhten Blutungsneigung. Daher widmet sich der Antrag der Entwicklung einer neuen axialen Blutpumpe namens SPUTNIK durch den Partner MIET mit einem verbessertes Design, das die einwirkende Scherkräfte auf Blutkomponenten, wie den von Willebrandt-Faktor, aber auch von Blutzellen wie Thrombozyten und Erythrozyten verringert, um damit sowohl das Risiko thromboembolischer Komplikationen als auch von Blutungen zu verringern. Neben dem Design der Pumpe kommen Oberflächen-Blut-Wechselwirkungen eine wichtige Rolle zu, weshalb der Partner MLU eine verbesserte Beschichtung der Titanlegierung der Pumpe durch eine Kombination kovalent und adsorptiv gebundenen Heparins erreichen will. Die Blutverträglichkeit dieser neuartigen Oberflächenbeschichtung wird durch den Partner MLU in vitro hinsichtlich Blutgerinnung und Aktivierung von Thrombozyten untersucht, während der Partner MIET die hämodynamischen Eigenschaften in einem kreislaufähnlichen Zirkulationsmodell untersuchen wird, um die Schädigung von Blutkomponenten abschätzen zu können. Weiterhin wird der Partner MIET in einem solchem Modell Untersuchungen mit Vollblut durchführen, um die Effekte des neuen Designs und der verbesserten Blutverträglichkeit der Blutpumpe abschätzen zu können. Im Ergebnis sollen diese Arbeiten dazu beitragen, eine neue axiale Blutpumpe für die Anwendung als VAD mit verbesserter Blutverträglichkeit für die Langzeittherapie der Herzinsuffizienz zur Verfügung zu stellen.
ESF Graduate School AGRIPOY
Subproject Functional Polymers
Development of biogenic thermoresponsive polyelectrolyte multilayers for culturing induced pluripotent stem cells
Runtime: January 1st, 2019 to December 31th, 2021
Human pluripotent stem cells (hPSC) having self-renewal properties and high differentiation ability into three germ layers are predominant cell sources for tissue engineering and regenerative medicine. Culturing and passaging approach are crucial for obtaining extensive cells for the transplantation. The stimuli-thermoresponsive polymer, Poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) exhibits a low critical solution temperature (LCST) at 32°C allowing cell adhesion at 37°C, while it becomes more hydrophilic below LCST due to the conformational changes of the polymer chains. Cells can be harvest as an intact continuous cell sheet that maintains surface proteins, extracellular matrix and cell-cell junction receptors by simply reducing temperature below LCST. Using layer-by-layer (LbL) technique to achieve the fixation of the thermoresponsive polymer as a culture substrate to generate cell sheets is an effective method based on oppositely charged polyelectrolytes absorbed onto charged surface. The multilayers formed by the charged glycosaminoglycan (GAG) possess bioactivity that can promote the interaction between proteins and cells. Hence, a combination of thermoresponsive polyelectrolytes that control adsorption of adhesion- and growth-promoting proteins as well as uploading of growth factors may have enormous potential as a new tool for culture of hPSC. This research will help to pave the way for cell sheet generation for tissue engineering and transplantation.
DFG Projekt 2018
Biogene, thermoresponsive Polyelektrolytmultischichten als potentielle Substrate für die Erzeugung von Zellschichten für Tissue Engineering
Laufzeit: 01.01.2018 - 31.12.2020
Partner: Jun.-Prof. Kai Zhang, Universität Göttingen
Ein neuer Ansatz zur Bildung von thermoresponsiven Oberflächenbeschichtungen auf der Basis von Derivaten aus Cellulose und Chitosan als biogene, biokompatible und umweltfreundliche Biopolymere aus nachwachsenden Rohstoffen wird untersucht, um Kultursubstrate für Säugetierzellen herzustellen, und somit eine nichtenzymatische Freisetzung von Zellen und Zellschichten durch Temperaturänderung zu ermöglichen. Das neue System soll aufgrund der inhärenten Bioaktivität von sulfatierter Cellulose / Chitosan gegenüber mitogenen und morphogenen Wachstumsfaktoren, der ausgezeichneten Biokompatibilität sowie der möglichen langfristigen Abbaubarkeit wesentliche Vorteile gegenüber bestehenden vollsynthetischen thermoresponsiven Polymeren wie Poly (N-isopropylacrylamid) bieten. Diese Vorteile ermöglichen es, dass diese Systeme nicht nur für In vitro-Anwendungen zur Erzeugung von Zellschichten für die Konstruktion verschiedener Gewebe für die Transplantation, einschließlich Haut, Hornhaut, Myokard usw., geeignet sind, sondern auch für verschiedene In vivo-Anwendungen nützlich sein können, wo die temperaturabhängige Freisetzung von Proteinen und / oder Zellen wünschenswert ist.
DFG GR 1290/12-1
ESF-Graduiertenschule AGRIPOLY
Teilprojekt Funktionspolymere
Aktivierung von biokompatiblen Polysacchariden zur Herstellung biomimetischer Oberflächenbeschichtungen mit rekombinanten Wachstumsfaktoren zur Regeneration von Bändern
Laufzeit: 01.10.2017 - 30.09.2020
Das Forschungsprojekt untersucht die Wirkung unterschiedlicher Vernetzungsgrade von halbsynthetischen Polysacchariden während der Mehrschichtbildung auf mechanische Eigenschaften und kontrollierte Freisetzung von Wachstumsfaktoren hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen in Richtung Fibroknorpel und Knochen. Folgende spezifische Ziele werden behandelt:
- Synthese von Bibliotheken von Polysacchariden mit unterschiedlichen Funktionalisierungsgraden von reaktiven Thiolen und Vinylgruppen für photochemische oder terminale Amingruppen zur enzymatischen Vernetzung
- Bildung von Multischichten aus funktionalisierten Bibliotheken von Polysacchariden mit unterschiedlichen Vernetzungsgraden, die die mechanischen Eigenschaften von Substraten und die Freisetzung von Wachstumsfaktoren verändern
- Rekombinante Expression von Wachstumsfaktoren GDF-5 und BMP-2 mit Einführung von zusätzlichen Linkern zur kovalenten Immobilisierung in Multilayer
- Erzeugung von Gradientenvernetzung, aber auch von Wachstumsfaktoren durch eine mikrofluidische Vorrichtung
- Untersuchung der Wirkung von mechanischen und Wachstumsfaktorgradienten auf die Zelldifferenzierung mit mesenchymalen Stammzellen
Landesprojekt Sachsen-Anhalt
Leistungszentrum „Chemie- und Biosystemtechnik“ Sachsen-Anhalt
Teilprojekt CBS 7
DESIGN BIOAKTIVER OBERFLÄCHENBESCHICHTUNGEN UND HYDROGELE FÜR MEDIZINISCHE ANWENDUNGEN AUF BASIS BIOBASIERTER WERKSTOFFE
Laufzeit: 01.10.2016 - 30.09.2019
Biobasierte Werkstoffe wie Alginate, Cellulosen, Chitosane und Hyaluronane sollen durch gezielte chemische Umsetzung eine Bioaktivität erhalten, die deren medizinische Anwendung erlaubt. Die Bioaktivität der Polysaccharide wird nach adsorptiver oder kovalenter Kopplung auf Polymeren, Keramiken und Metallen oder als in situ vernetzende Hydrogele mit Zellkulturen bestimmt, wodurch neue Produkte für medizinische Implantate und Zelltherapie ausgewählt werden können.
DFG Projekt 2016
In situ gelierende Hydrogele zur Regeneration von Knorpel
Laufzeit: 01.06.2016 - 31.05.2019
In situ vernetzende Hydrogele können für die minimal-invasive Behandlung von Gewebsdefekten und zur kontrollierten Freisetzung von Pharmaka genutzt werden. Im vorliegenden Antrag soll geprüft werden, ob semisynthetische Polysaccharide auf Basis von Cellulose und Chitosan durch Sulfatierung und Oxidation zu Hydrogelen verformt werden können, die hinsichtlich mechanischer Eigenschaften, ihrem Abbauverhalten, der Kinetik der Freisetzung des Wachstumsfaktors TGF-beta3 und daraus resultierender chondrogenen Aktivität gegenüber mesenchymalen Stammzellen als System zur Regeneration von Knorpel geeignet sind. Neben Arbeiten zur Synthese der Cellulose und Chitosan-Derivate, der Charakterisierung mechanischer Geleigenschaften, des Abbauverhaltens und von in vitro-Studien zur Bioaktivität sollen zusätzlich spektroskopische und Imaging-Methoden zur berührungslosen und zerstörungsfreien Analytik von Massentransfer, mechanischen Eigenschaften und Biokompatibilität der Hydrogele in vitro und im Mausmodell eingesetzt werden. Ergebnisse des Vorhabens werden den Kenntnisstand zur Bioaktivität pflanzlicher und tierischer Polysaccharidderivate verbessern und könnten zukünftig für die Behandlung von Knorpeldefekten nutzbar sein.
DFG GR 1290/11-1