Biokompatible Mikrofasern als Grundlage für das Tissue Engineering entwickelt

In der Biomedizintechnik gewinnt das Tissue Engineering zur Ex-vivo-Herstellung von Haut oder Organen zunehmend an Bedeutung. Dafür sind biokompatible Mikrofasern mit eingeschlossenen Mikrokapseln kontrollierter Größe und Form erforderlich, da die für das Tissue Engineering verwendeten Zellen in Material eingebettet sein müssen, das der natürlichen Anordnung in vivo möglichst ähnlich ist.

Bisher war die Herstellung solcher Fasern bei geringem Ausstoß recht kostspielig und zeitaufwändig. Forscher der Technischen Universität Graz (TU Graz) haben nun ein neues Verfahren zur Herstellung von Mikrofasern mit den gewünschten Eigenschaften entwickelt, die in Pharmazeutika und Biomedizin eingesetzt werden können und bei deutlich geringerem Produktionsaufwand deutlich höhere Ausbeuten als bisherige Verfahren liefern.

In einem Artikel veröffentlicht in Angewandte körperliche UntersuchungCarole Planchette und ihr Team vom Institut für Strömungsmechanik und Wärmeübertragung der TU Graz erklären, wie ihre Entwicklung in Sekundenschnelle mehrere Meter dieser Mikrofaser herstellen kann. Die aktuellen Methoden schaffen im gleichen Zeitraum höchstens einige Zentimeter.

Möglich wurde diese Beschleunigung durch die Abkehr von der Herstellung von Mikrofasern in einer flüssigen Umgebung mittels mikrofluidischer Chips hin zu einer Herstellung, die in steriler Raumluft möglich ist. Dadurch konnten die notwendigen Prozessschritte sowie die Kosten deutlich reduziert und potenzielle Fehlerquellen und Blockaden minimiert werden.

Tröpfchen treffen auf Flüssigkeitsstrahl

Bei der neuen Methode wird ein regelmäßiger Strom aus Tröpfchen, die Zellen oder Wirkstoffe enthalten, mit einem Flüssigkeitsstrahl aus wässriger Alginsäurelösung kombiniert. Die aus Braunalgen gewonnene Alginsäure bildet bei Kontakt mit Kalziumkationen ein elastisches Hydrogel namens Alginat – ähnlich dem in der Molekularküche üblichen Verfahren zur Bildung von Kaviarperlen.

Dieses Hydrogel ist vollständig biokompatibel und verhindert außerdem, dass die eingebetteten Tröpfchen miteinander verschmelzen. Um den Alginsäurelösungsstrom auszuhärten, wird daher kontinuierlich ein zweiter Strom mit Calciumkationen darüber gespritzt. Die entstehende Faser, die mit bis zu 5 Metern pro Sekunde wachsen kann, kann dann einfach auf einem Drehteller gesammelt werden. Alle diese Schritte finden an der Luft statt und nicht wie bisher in der flüssigen Mikrofluidikproduktion.

In einigen Jahren soll es mit dieser neuen Methode möglich sein, aus menschlichen Zellen einen hautähnlichen Faserverband herzustellen. Die Integration von Zellen in die Mikrofaser ist für Planchette und ihr Team der nächste Schritt. Das erwartete Ergebnis könnte beispielsweise für Verbrennungsopfer eine große Hilfe sein, da aus den eigenen intakten Hautzellen des Patienten in kürzester Zeit neue und personalisierte Haut für die Transplantation hergestellt werden könnte.

Vor diesem Hintergrund forschen Forscher der TU Graz gemeinsam mit der Medizinischen Universität Graz an der Herstellung künstlicher Haut. Wenn man viel weiter in die Zukunft blickt, sicherlich mehr als zehn Jahre, könnte es eines Tages auch möglich sein, aus dieser Mikrofaser künstliche Organe herzustellen.

Ersatz für Tierversuche

Neben dem Tissue Engineering eröffnet die neue und schnellere Produktionsmethode weitere Einsatzgebiete für die biokompatible Mikrofaser, beispielsweise das Zellscreening. In naher Zukunft wird es möglich sein, neue Moleküle für medizinische Wirkstoffe viel umfassender an Zellen zu testen, um festzustellen, ob und ab welchem ​​Zeitpunkt sie toxisch sind.

Aufgrund der verfügbaren Faserlänge konnten unterschiedliche Temperaturen oder Konzentrationen in einem einzigen Durchgang getestet werden. Bisher wurden für solche Tests im großen Maßstab Tierversuche eingesetzt, die weitgehend vermieden werden konnten.

„Für mich ist es besonders interessant, wenn ich grundlegende Aspekte der Strömungsmechanik nutzen kann, um neue und innovative Lösungen für bisher ungelöste Probleme zu finden“, erklärt Planchette.

„Dies ermöglicht es uns, Wege zu neuen Anwendungen zu entdecken, und unsere Herstellungsmethode für biokompatible Mikrofasern mit regelmäßigen Einschlüssen bei hoher Leistung und niedrigen Kosten zeigt dies. Die Möglichkeiten für Zellscreening, Gewebeaufbau und schließlich Organproduktion, die sich dadurch eröffnen, können von großem Nutzen sein.“ für viele Disziplinen. Für mich ist dies auch ein klares Zeichen dafür, wie wichtig die Rolle der Grundlagen- und multidisziplinären Forschung ist und damit die Grundlage für bahnbrechende Anwendungen schafft.“