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Biomimetische Biomaterialien durch intelligente Gele

Dipl. Chem. Alexander Southan, Dipl. Biol. Claudia Kleinhans, Dr. Monika Bach, Priv.-Doz. Dr. Günter Tovar und Dr. Christian Schuh, Dr. Petra Kluger (beide Fraunhofer IGB)



Elastin – die Flexibilität der Haut

Elastin ist ein Hauptbestandteil der extrazellulären Matrix natürlicher Gewebe und als Strukturprotein für die Formgebung und den Halt des Gewebes verantwortlich. Als gummiartiges und elastisches Material können sich dessen Fasern auf das Mehrfache seiner normalen Länge dehnen.

Aus diesem Grund findet es sich in den elastischen Bindegeweben der Lunge, größerer Blutgefäße oder auch der Haut. Die Elastizität wird maßgeblich durch den charakteristischen dreidimensionalen Aufbau des Elastins hervorgerufen (Abb. 1).

Dabei werden lineare Polypeptidabschnitte, sogenanntes Tropoelastin, über einen tetrafunktionellen Vernetzer (Desmosin) stark quervernetzt. Die große Anzahl der kovalenten Vernetzungspunkten sorgen hierbei für die Stabilität und die entropieelastischen Tropoelastinketten für die Elastizität.

Für das Tissue Engineering sind Elastin-Mimetika von großer Bedeutung, da elastische und gleichzeitig stabile Gerüststrukturen nur sehr umständlich hergestellt werden können. Dies liegt zum einen an der stark vernetzten Struktur von Elastin und der damit einhergehenden Unlöslichkeit. Somit lässt sich natürliches Elastin nicht ohne multiple Bindungsbrüche in eine lösliche Form bringen, wodurch aber die einzigartige Struktur zerstört wird. Auf synthetischem Wege wurden bereits einige Verfahren beschrieben, die alle auf synthetische Polypeptide zurückgreifen. Deren breite Anwendung ist jedoch aufgrund der aufwendigen und kostenintensiven Herstellungsmethoden stark eingeschränkt.


Beschreibung des Projekts

Das Gesamtziel des interdisziplinär ausgerichteten SynElast-Projektes ist die Entwicklung neuartiger synthetischer Gerüststrukturen mit den stabilen und elastischen Eigenschaften des natürlichen Elastins.

Auf Basis elastischer Polymere sollen unter Verwendung von synthetischen Desmosin-Mimetika zur Quervernetzung Biomaterialien synthetisiert werden und deren Struktur-Eigenschaftsbeziehungen aufgeklärt werden (Abb. 2).

Das Projekt wird in enger Kooperation zwischen dem IGVT und dem Institut für Organische Chemie, AK Professor Sabine Laschat (Koordinator) der Universität Stuttgart, dem Fraunhofer IGB und dem MPI für intelligente Systeme, AK Professor Dr. Joachim Spatz in Stuttgart bearbeitet.

Hierbei werden die Teilprojekte "Elastische polymere Strukturen" und "Biofunktionalisierung" vom IGVT und Fraunhofer IGB bearbeitet.



Ziel dieser Teilprojekte ist die Entwicklung von multifunktionellen Poly(ethylenglykolen), die zum Aufbau biokompatibler elastischer Hydrogele verwendet werden (Abb. 3).
 
Solche funktionellen Polymere sollen ähnlich wie Tropoelastin vernetzbare Seitengruppen tragen und für die Elastizität des Biomaterials verantwortlich sein.
 
Die Vernetzung der multifunktionellen PEG (mf-PEG) mit den tetrafunktionellen Desmosin-Mimetika, die am IOC von der Arbeitsgruppe Laschat entwickelt wurden, erfolgt über biokompatible Click-Reaktionen (Thio-En bzw. Aza-Michael).


    



Dazu wurde ein mit Thiolgruppen multifunktionelles PEG [Abb. 4] neu entwickelt und zum Patent angemeldet.
 
Dieses neue Material ermöglicht nun die maßgeschneiderte Entwicklung elastischer Biomaterialien über biokompatible Vernetzungsreaktion in wässrigen Lösungen mit Acrylaten ohne Zugabe von potentiell cytotoxischen Katalysatoren.

 



Förderung

Wir danken dem Ministerium für Wirtschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg und der Peter und Traudl Engelhorn Stiftung für die finanzielle Unterstützung.



Projektpartner

  • Professor Dr. Sabine Laschat (Koordinator), Institut für Organische Chemie, Universität Stuttgart
  • Prof. Dr. Günter Tovar, Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik IGVT, Universität Stuttgart
  • Dr. Petra Kluger, Fraunhofer-Institut für Grenzflächen und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart
  • Professor Dr. Joachim Spatz, Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Stuttgart


Weitere Information

Chemische Grenzflächenverfahrenstechnik beim IGVP

Medinzischen Grenzflächenverfahrenstechnik beim IGVP



Kontakt
 Name: Dipl. Chem. Alexander Southan
Name: Prof. Dr. Günter Tovar