Scaffold Entwicklung für die regenerative Medizin

Der Fokus unserer Forschung liegt auf der Entwicklung degradierbarer Scaffolds für das funktionelle Tissue Engineering, auf der Polymerverarbeitung für die Implantattechnologie als auch auf der Entwicklung innovativer Implantate. Weitere Schwerpunkte sind dabei die Charakterisierung und Testung medizinischer Implantate und Materialien sowie die Entwicklung und Validierung geeigneter Testverfahren

Forschung

Herstellungsprozesse für die Anwendung im funktionellen Tissue Engineering

Beim Lösungs-Elektrospinnen (LES) handelt es sich um einen weit verbreiteten Prozess zur Herstellung faser-basierter Scaffolds. Die erzeugten Fasern weisen Durchmesser zwischen einigen hundert Nanometern und wenigen Mikrometern auf. Die makroskopischen Eigenschaften lassen sich, mittels geeigneter Kollektoren, gezielt beeinflussen. Dabei können biodegradierbare Polymere (z.B. PCL, PLA, PEO etc.) sowie piezoelektrische Polymere (z.B. PVDF, PVDF-TrFE etc.) verarbeitet werden.

Mit dem so genannten Schmelz-Elektrospinnen (SES), ist die Faserherstellung nicht länger durch die Löslichkeit der Polymere limitiert. Denn mit diesem Verfahren werden Polymerschmelzen verarbeitet. Im Vergleich zum LES können dabei deutlich höhere Faserdurchmesser erreicht werden.

Das Electrospraying weist große Ähnlichkeiten mit dem LES auf. Allerdings werden die Polymerlösungen in diesem Fall zerstäubt und die daraus resultierenden sphärischen Beads weisen eine geringe Durchmesservarianz auf. Mittels dieser Beads können Zellen eingeschlossen werden, Substanzen verzögert freigegeben werden oder die Zell-Überlebensrate nach Besiedelung gesteigert werden.

Verarbeitung unterschiedlicher Polymere (degradierbar/permanent) und deren Blends:

degradierbar: PCL, PLA, PCL/PLA, CS-g-PCL, PEO
permanent: PVDF, PVDF-TrFE, Silicone

Herstellung individueller Scaffolds für unterschiedliche Anwendungsgebiete:

Ziel der DFG-geförderten Forschungsgruppe FOR2180 ist es, die prinzipielle Machbarkeit und modellhafte Herstellung eines gradierten Implantats für einen zukünftigen Einsatz als Sehnenersatz in der Rotatorenmanschette aufzuzeigen. Dafür werden elektrogesponnene LES- und SES-Scaffolds mit angepassten Mikrostrukturen und mechanischen Eigenschaften hergestellt. In Abhängigkeit des Gewebes am Implantationsort (Knochen, Muskel), sind der Faserdurchmesser, die Faserausrichtung, die Faserzwischenräume und die Benetzbarkeit von besonderer Bedeutung.

Scaffolds auf Basis von human Amniotic Membrane (hAM) finden Anwendung in vielen Bereichen, z.B. in der Ophthalmologie, der Kardiologie, der Neurologie, der Dermatologie oder der Gynäkologie.

Elektrogesponnene (LES) Gefäßprothesen stellen einen vielversprechenden Ansatz im Bereich der Therapie kardiovaskulärer Erkrankungen dar.

Defekte im peripheren Nervensystem kann der Körper nicht selbstständig heilen. Elektrogesponnene Nerven-Leitschienen können als Führung für die Enden der durchtrennten Nerven dienen. Sobald die Enden aufeinander-treffen, kann der Heilungsprozess beginnen.

Untersuchung der Fließeigenschaften von Polymeren in Lösung und der Einfluss auf das Elektrospinnen und Elektrospraying.

Standardisierte Charakterisierung individueller neuartiger Implantatdesigns

Um natives Gewebe adäquat nachbilden zu können, müssen sowohl die Biokompatibilität als auch die mechanischen Eigenschaften genau angepasst werden. Der Zugversuch liefert hierbei fundierte Informationen über das Verhalten der Scaffolds unter externer Last.
Sowohl die Benetzbarkeit als auch die Oberflächenenergie bestimmen maßgeblich die Art der Adsorption auf der Implantatoberfläche (Proteine, Zellen, etc).
Für die Entwicklung einer biokompatiblen Oberfläche ist das Verständnis dieser Mechanismen unerlässlich.

Validierung spezifischer Testsysteme für die Funktionalitätsprüfung (z.B. Compliance, Kalzifizierung, Hämokompatibilität)

  • Entwicklung und Validierung dynamischer Prüfverfahren für degradierbare Materialien wie Magnesium und unterschiedliche Polymere (z.B. PCL, PLA, Hydrogele)
  • Untersuchung der Fließeigenschaften und Oberflächenwechselwirkungen für Zellen und große Moleküle (z.B. Dialyse, kardiovaskuläre Implantate); Anwendung spezifischer Analysetechniken (z.B. RAMAN) in Kombination mit realistischen Fließmodellen
  • Entwicklung implantatspezifischer in-vitro Testsysteme unter Verwendung supplementärer Methoden zur Oberflächencharakterisierung nach DIN EN ISO 10993 Standard.

GRUPPENLEITUNG
Prof. Prof. h.c. Dr.-Ing., M.Sc.
Birgit Glasmacher
Direktorin
Institut für Mehrphasenprozesse
M.Sc.
Gesine Hentschel
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
M.Sc.
Diaa Khayyat
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
M.Eng.
Sara Leal Marin
Wissenschaftliche Mitarbeiterin

Publikationen (Auszug, 2016-2021):

  1. Gryshkov, O., Al Halabi, F., Kuhn, A.I., Leal-Marin, S., Freund, L.J., Förthmann, M., Meier, N., Barker, S.-A., Haastert-Talini, K., Glasmacher, B. Pvdf and P(Vdf-trfe) electrospun scaffolds for nerve graft engineering: A comparative study on piezoelectric and structural properties, and in vitro biocompatibility (2021) International Journal of Molecular Sciences, 22 (21), art. no. 11373, . DOI: 10.3390/ijms222111373
  2. Delp, A., Becker, A., Hülsbusch, D., Scholz, R., Müller, M., Glasmacher, B., Walther, F. In situ characterization of polycaprolactone fiber response to quasi-static tensile loading in scanning electron microscopy (2021) Polymers, 13 (13), art. no. 2090. DOI: 10.3390/polym13132090.
  3. Becker, A., Fricke, D., Roth, B., Glasmacher, B. Assuring Quality of Scaffolds in Musculoskeletal Tissue Engineering Mueller Matrix Polarimetry and Transillumination Imaging (2021) Current Directions in Biomedical Engineering, 7 (2), pp. 179-182. DOI: 10.1515/cdbme-2021-2046
  4. T. Hildebrand, L. Nogueira, PT Sunde, D. Ørstavik, B. Glasmacher, HJ Haugen. Contrast‐enhanced nano‐CT reveals soft dental tissues and cellular layers. International Endodontic Journal, 00, 1– 14, 2021.
  5. S. Leal-Marin, T. Kern, N. Hofmann, O. Pogozhykh, C. Framme, M. Börgel, C. Figueiredo, B. Glasmacher, O. Gryshkov. Human Amniotic Membrane: A review on tissue engineering, application, and storage. J. Biomed. Mater. Res. B 2020, 1-18, https://doi.org/10.1002/jbm.b.34782.

6. S. Suresh, A. Becker, B. Glasmacher. Impact of Apparatus Orientation and Gravity in Electrospinning—A Review of Empirical Evidence. Polymers. 2020; 12(11): 2448.

7. D. Fricke*, A. Becker*, A. Heratizadeh, S. Knigge, L. Jütte, M. Wollweber, T. Werfel, B. W. Roth, B. Glasmacher. Mueller Matrix Analysis of Collagen and Gelatin Containing Samples Towards More Objective Skin Tissue Diagnostics. Polymers. 2020; 12(6): 1400 (* equal contribution).

8. S. Gniesmer, R. Brehm, A. Hoffmann, D. de Cassan, H. Menzel, A.L. Hoheisel, B. Glasmacher, E. Willbold, J. Reifenrath, M. Wellmann, N. Ludwig, F. Tavassol, R. Zimmerer, N.C. Gellrich, A. Kampmann. In vivo analysis of vascularization and biocompatibility of electrospun polycaprolactone fibre mats in the rat femur chamber. Histochem. Cell Biol. 2020;151 (4): 343-356.

9. S. Gniesmer, R. Brehm, A. Hoffmann, D. de Cassan, H. Menzel, A.L. Hoheisel, B. Glasmacher et al. Vascularization and biocompatibility of poly(ε-caprolactone) fiber mats for rotator cuff tear repair. PloS One 2020;15 (1).

10. D. Fricke*, A. Becker*, L. Jütte, M. Bode, D. de Cassan, M. Wollweber, B. Glasmacher, B. Roth. Mueller Matrix Measurement of Electrospun Fiber Scaffolds for Tissue Engineering. Polymers 2019;11: 2062 (* equal contribution).

11. D. de Cassan, A. Becker, B. Glasmacher, Y. Roger, A. Hoffmann, T. R. Gengenbach, C. D. Easton, R. Hänsch, H. Menzel. Blending chitosan‐g‐poly(caprolactone) with poly(caprolactone) by electrospinning to produce functional fiber mats for tissue engineering applications. J Appl Polym Sci. 2019;94.

12. D. de Cassan, A.L. Hoheisel, B.Glasmacher, H.Menzel. Impact of sterilization by electron beam, gamma radiation and X-rays on electrospun poly-(ε-caprolactone) fiber mats. J Mater Sci Mater Med. 2019;30 (4): 42.

13. E. Willbold, M. Wellmann, B. Welke, N. Angrisani, S. Gniesmer, A. Kampmann, A. Hoffmann, D. de Cassan, H. Menzel, A. L. Hoheisel, B. Glasmacher, J. Reifenrath. Possibilities and limitations of electrospun chitosan‐coated polycaprolactone grafts for rotator cuff tear repair. J Tissue Eng Regen Med. 2019: 1– 12.

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15. A. Tretiakov, V. Kapralova, N. Sudar, I. Sapurina, B. Glasmacher, O. Gryshkov. Conductivity Switching Effect in Nanofiber Composites Modified with Conducting Polymer. 2019 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech): 236-238, doi: 10.1109/EExPolytech.2019.8906888 .

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17. S. Suresh. Improving cell infiltration in electrospun scaffolds for soft tissue engineering (2019) PhD Thesis Hannover Medical School, Hannover.

18. O. Gryshkov, M. Müller, S. Leal-Marin, V. Mutsenko, S. Suresh, V.M. Kapralova, B. Glasmacher. Advances in the application of electrohydrodynamic fabrication for tissue engineering. J. Phys. Conf. Ser. 2019;1236 012024, doi 10.1088/1742-6596/1236/1/012024.

19. S. Suresh, O. Gryshkov, B. Glasmacher. Impact of setup orientation on blend electrospinning of Poly-ε-caprolactone-Gelatin scaffolds for vascular tissue engineering. Int J Artif Organs 2018;41(11): 801-810.

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21. V.M. Kapralova, N.L. Vaskova, E.B. Shadrin, A.V. Ilinsky, O. Gryshkov, B. Glasmacher. Cerebrospinal fluid thermoimpedancemetry as a method of brain diseases diagnostics. Int J Bioelectromagnetism 2018;20(1): 63-65.

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33. M.I. Rahim, A. Tavares, F. Evertz, M. Kieke, J.M. Seitz, R. Eifler, A. Weizbauer, E. Willbold, H. Jürgen Maier, B. Glasmacher, P. Behrens, H. Hauser, P.P. Mueller. Phosphate conversion coating reduces the degradation rate and suppresses side effects of metallic magnesium implants in an animal model. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2017;105(6): 1622-1635.

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37. O. Gryshkov, N.I. Klyui, V.P. Temchenko, et al. Porous biomorphic silicon carbide ceramics coated with hydroxyapatite as prospective materials for bone implants. Mater Sci Eng C 2016;68: 143-152.

38. H. Zernetsch, A. Repanas, T. Rittinghaus, M. Mueller, I. Alfred, B. Glasmacher: Electrospinning and Mechanical Properties of Polymeric Fibers Using a Novel Gap-spinning Collector. Fibers and Polymers 2016;17(7): 1025-1032.

39. M. Bensch, M. Mueller, M. Bode, B. Glasmacher. Automation of a test bench for accessing the bendability of electrospun vascular grafts. Current Directions in Biomedical Engineering 2016;2(1): 307–310.

40. A.I. Kuhn, M. Müller, S. Knigge, B. Glasmacher. Novel blood protein-based scaffolds for car-diovascular tissue engineering. Current Directions in Biomedical Engineering 2016;2(1): 5-9.

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Schlagwörter
biodegradierbare Scaffolds, Bioreaktoren, Elektrospinnen, Elektrospraying, Schmelz-Elektrospinnen, Nervenleitschienen, Sehnenersatz, piezoelektrische Membranen, RAMAN Bildgebung und Strukturanalyse, Rheologie
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AG Glasmacher
Stadtfelddamm 34/ Büro S0/2020
30625 Hannover

 

Specials
  1. yESAO exchange award 2021 (an Sara Leal Marin) für “New hydrogels for liver organoids in collaboration” zusammen mit dem Instituto de Investigacion Sanitaria Aragon aus Spanien
  2. yESAO exchange award 2022 (an Gesine Hentschel) für “ Fabrication of graded polymer fibers for the use in the osteotendinous junction ” zusammen mit dem Laboratoire BioMécanique et Bio-Ingéniérie (BMBI), Université de Technologies de Compiègne, France
  3. Ilse Ter Meer Sonderpreis für das Interkulturelle Tandem Projekt (an Ghiath Alkurdi, Sara Leal Marin und Diaa Khayyat), Büro für Chancenvielfalt, Leibniz Universität Hannover

Gastvorträge (Auszug):

  1. B. Glasmacher*: Electrospinning is the answer, but what was the question? A versatile technique to fabricate 3D scaffolds, UTC Workshop Tissue Engineering, Compiègne, 22.-23.11.2018
  2. B. Glasmacher*: An Engineer´s Contribution to Efficient Vascular Replacement Grafts, Brüssel, EAMBES Fellow Inauguration, Brüssel 11.09.2018

 

Weitere Zusatzinfos

Weitere Forschungsthemen und Innovationen der Forschungsgruppe “Scaffold Engineering” des Instituts für Mehrphasenprozesse sind hier aufgeführt: forschung/biomaterialien

Die Forschungsgruppe ist interessiert an Auftragsforschung für die Industrie, internen und externen Partnern im Bezug auf die Nutzung von Geräten, Austausch von Know-How und Entwicklung neuer Methoden im Bereich des „Scaffold Engineerings“.

Die folgenden Geräte und Methoden können auf Anfrage genutzt werden:

Bildgebungs- und Charakterisierungsmethoden:

  1. Raman/AFM Mikroskop – Strukturelle, kompositionelle und oberflächliche Analyse von Materialien (Laser 532 nm), 3D Bildgebung, AFM Kontakt- und AC-Modus, Time Series, Image Stitching
  2. Dynamische Differenzkalorimetrie (Netzsch) – Quantifizierung thermischer Eigenschaften

Analyse der Zellvitalität und Funktionalität:

  1. Cell Viability Analyzer Beckman Coulter Vi-Cell XR – automatisierte und effiziente Analyse der Zellvitalität mittels Trypan-Blau-Färbung

Untersuchung von Lösungseigenschaften:

  1. Rheometer (Rheometrics Fluids Spectrometer RFS II) – viskoelastische Eigenschaften von Hydrogelen, Analyse der dynamischen Viskosität von Flüssigkeiten, Temperaturbereich 0°C-100°C, unterschiedliche Messsysteme (Platte-Platte-, Kegel-Platte- und Zylinder-Geometrien)
  2. Rotationsviskosimeter HAAKE VT500/VT501 – Messsysteme NV, MV1, MV2, MV3, Temperaturregelung mit einem externen Bad möglich
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