Biomaterialien für das Bioprinting

Künstliche Gewebe drucken

Natürliche Gewebe erfüllen im Organismus hochkomplexe Aufgaben. Ihre Formen und Funktionen haben sich im Laufe der Evolution immer weiter verfeinert und sind in vielerlei Hinsicht optimiert. Um künstliche Gewebe aufzubauen, die ebenso gut funktionieren wie die natürlichen, benötigen wir Herstellungsprozesse, die uns hinsichtlich der Formgebung möglichst keine Grenzen setzen.

Mithilfe additiver Fertigungsverfahren, beispielsweise dem Tintendruck oder Dispensierverfahren, könnte in Zukunft der Aufbau von individuell zugeschnittenem, bioartifiziellem Gewebeersatz aus patienteneigenen Zellen und geeigneten Biomaterialien möglich sein.

 (c)
Durch chemische Modifikation werden die Eigenschaften der Biopolymere, beispielsweise Gelatine, kontrolliert.
 (c)
Während unmodifizierte Gelatine bei Raumtemperatur geliert (links), werden durch die chemische Derivatisierung die Gelierkraft und die Viskosität der Lösungen eingestellt. So können beispielsweise Biotinten mit Inkjet- druckbaren Eigenschaften (rechts) formuliert werden.

Darstellung von biopolymerbasierten Biotinten für den Aufbau künstlicher Gewebe mittels Bioprinting

Entsprechende Biomaterialien müssen einerseits druckbar sein und andererseits zu Matrices mit angemessenen biologischen und mechanischen Eigenschaften vernetzt werden können. Am IGVP werden genau solche Biomaterialien, sogenannte Biotinten entwickelt.

Dafür werden Biopolymeren aus der extrazellulären Matrix natürlicher Gewebe, beispielsweise Gelatine oder Hyaluronsäure, so chemisch modifiziert, dass sie mit dem gewünschten Fertigungsverfahren prozessiert und nach erfolgtem Druck durch UV-Bestrahlung zu Hydrogelen mit einstellbaren, gewebeähnlichen Eigenschaften vernetzt werden können.

Die dargestellten biopolymerbasierten Biotinten sind außerdem zytokompatibel, das heißt sie erlauben die Verarbeitung von Säugerzellen unter Erhalt deren Viabilität und Funktion. Auf Basis dieser Biotinten wird am IGVP am Aufbau von künstlichem Gelenkknorpel und Knochen gearbeitet.

Durch eingebrachte vernetzbare Gruppen werden stabile Hydrogele aus den Biotinten erzeugt. Die Festigkeit und Quellbarkeit der Gele wird unter anderem durch den Feststoffgehalt und den Vernetzungsgrad bestimmt. (c)
Durch eingebrachte vernetzbare Gruppen werden stabile Hydrogele aus den Biotinten erzeugt. Die Festigkeit und Quellbarkeit der Gele wird unter anderem durch den Feststoffgehalt und den Vernetzungsgrad bestimmt.

Publikationsliste

Veröffentlichungen in peer-reviewed Fachzeitschriften

Sascha Engelhardt*, Eva Hoch*, Kirsten Borchers, Wolfdietrich Meyer, Hartmut Krüger, Günter E.M. Tovar, Arnold Gillner; Fabrication of 2D protein mi­cro­struc­tures and 3D polymer-protein hybrid microstructures by two-photon poly­me­ri­za­tion. Biofabrication 3(2):1-9 (2011). * contributed equally

Eva Hoch, Christian Schuh, Thomas Hirth, Günter E.M. Tovar, Kirsten Borchers; Stiff gelatin hydrogels can be photo-chemically synthesised from low viscous gelatin so­lu­tions using molecularly functionalized gelatin with a high degree of meth­acry­la­tion. Journal of Materials Science: Materials in Medicine 23(22):2607-2617 (2012).

Eva Hoch, Thomas Hirth, Günter E.M. Tovar, Kirsten Borchers; Chemical tailoring of gelatin to adjust its chemical and physical properties for functional Bioprinting. Journal of Materials Chemistry B 1:5675-5685 (2013).

Eva Hoch, Günter E.M. Tovar, Kirsten Borchers; Bioprinting of artificial blood vessels:                 current approaches towards a demanding goal. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery 46(5):767-778 (2014).

Alexander Southan, Eva Hoch, Veronika Schönhaar, Kirsten Borchers, Christan Schuh, Michaela Müller, Monika Bach, Günter Tovar; Side chain thiol-functionalized poly(ethylene glycol) by post-polymerization modification of hydroxyl groups: synthesis, crosslinking and inkjet printing. Polymer Chemistry 5(18):5350-5359 (2014).

Alfred Gugerell, Anne Neumann, Johanna Kober, Loredana Tammaro, Eva Hoch, Matthias Schnabelrauch, Lars Kamolz, Cornelia Kasper, Maike Keck; Adipose-derived stem cells cultivated on electrospun polylactone fleeces and gelatine hydrogels under flow conditions – aiming physiological reality in hypodermis tissue engineering. Akzep­tiert zur Veröffentlichung in Burns.

Eva Hoch, Thomas Hirth, Günter E.M. Tovar, Kirsten Borchers; Addition of chon­­droitin sulfate into chemically crosslinked gelatin hydrogels increases gel hy­dra­tion and induces spherical morphology of encapsulated chondrocytes. Zur Veröffentlichung vorbereitet.

Vorträge auf Fachtagungen

Eva Hoch, Günter E.M. Tovar und Kirsten Borchers; International Conference on Bio­fab­ri­cation, Manchester (Großbritannien), Oktober 2012: Photo­poly­me­rizable and non-gelling gelatin for the preparation of cartilage substitutes by liquid hand­ling techniques.

Eva Hoch, Günter E.M. Tovar and Kirsten Borchers; European Symposium and Ex­hi­bi­tion on Biomaterials and Related Areas BioMat, Weimar (Deutschland), April 2013: Pho­to­po­ly­merizable and non-gelling gelatin for the preparation of car­ti­­lage sub­sti­tutes by inkjet printing.

Eva Hoch, Achim Weber, Thomas Hirth, Günter E.M. Tovar, Kirsten Borchers; ProcessNet-Jahrestagung und 31. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, Aachen (Deutschland), Oktober 2014: Inkjet-Bioprinting künstlichen Gelenkknorpels – Biotintenentwicklung und Methodenetablierung.

Eva Hoch, Achim Weber, Thomas Hirth, Günter E.M. Tovar, Kirsten Borchers; Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomaterialien, Dresden (Deutschalnd), November 2014 (als Vortrag akzeptiert): Inkjet-Bioprinting von Knorpel­model­len: Ent­wicklung von Biotinten und Untersuchung der Methodik.

Posterbeiträge auf Fachtagungen (Auswahl)

Eva Hoch, Sascha Engelhardt, Daniela Pufky-Heinrich, Petra J. Kluger, Thomas Hirth, Günter E.M. Tovar, Kirsten Borchers; 23rd European Society for Bio­ma­te­rials Con­fe­rence, Tampere (Finland), September 2010: Evaluation of gelatin-based cell substrates and 3D mi­cro­structuring by multiphoton polymerization. Abstract veröffentlicht in Tissue Engineering Part A 17.

Eva Hoch, Sascha Engelhardt, Daniela Pufky-Heinrich, Petra J. Kluger, Thomas Hirth, Günter E.M. Tovar, Kirsten Borchers; Jahrestagung der Deutschen Gesell­schaft für Biomaterialien, Heil­bad Heiligenstadt (Deutschland), November 2010: Photocrosslinking and 3D mi­cro­structuring of gelatin for the generation of sub­strates for artificial cartilage. Abstract veröffentlicht in BioNanoMaterials 11.

Eva Hoch, Julia Jando, Daniela Pufky-Heinrich, Petra J. Kluger, Thomas Hirth, Günter E.M. Tovar, Kirsten Borchers; European Symposium and Exhibition on Bio­materials and Related Areas, Jena (Deutschland), April 2011: Photo­po­ly­me­ri­zable gelatin for the ge­ne­ra­tion of artificial cartilage.

Eva Hoch, Christian Schuh, Thomas Hirth, Günter E.M. Tovar, Kirsten Borchers; World Conference on Regenerative Medicine, Leipzig (Deutsch­­land), November 2011: Photopolymerizable biopolymer-based hydrogels for the generation of arti­fi­cial cartilage.

Eva Hoch, Christian Schuh, Günter E.M. Tovar, Kirsten Borchers; Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomaterialien, Giessen (Deutschland), November 2011: Gelatin-based cell-laden hydrogels co­ve­ring a wide range of viscoelastic pro­perties for the generation of artificial car­ti­lage. Abstract veröffentlicht in BioNanoMaterials 12.

Eva Hoch, Kirsten Borchers, Christian Schuh, Günter E.M. Tovar; Nanomaterials for Biomedical Technologies, Frankfurt am Main (Deutschland), März 2012: Gelatin-based hydrogels covering a wide range of viscoelastic properties as tissue en­gi­nee­ring scaffolds.

Eva Hoch, Günter E.M. Tovar, Kirsten Borchers; Jahrestagung der Deutschen Ge­sell­schaft für Biomaterialien, Ham­burg (Deutschland), November 2012: Photo­po­ly­merizable and non-gelling gelatin for the preparation of cartilage substitutes by biofabrication techniques. Abstract veröffentlicht in BioNanoMaterials 13.

Dr.

Kirsten Borchers

Ehemalige Lehrbeauftragte

Zum Seitenanfang