Elastische 3-D-Biomaterialien für die regenerative Medizin Integrative Material- und Verfahrenskonzepte mittels Biofabrikation

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1 Unternehmensforum, Medtech: Trends und neue Technologien, Zürich, Elastische 3-D-Biomaterialien für die regenerative Medizin Integrative Material- und Verfahrenskonzepte mittels Biofabrikation Günter Tovar Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP, Universität Stuttgart Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart Tovar, Fraunhofer

2 Warum elastische Biomaterialien? Tovar, Fraunhofer

3 Aufbau künstlicher Gewebe Tissue Engineering Tovar, Fraunhofer Quelle: 3

4 Tissue Engineering Heutige Herausforderungen Bekannt sind ca. 200 verschiedene Zelltypen Bedarf besteht an Komplexen Matrices Blutgefäßsystemen Funktionale Biomaterialien Strukturierende Verfahren Tovar, Fraunhofer 4

5 Gewebeaufbau limitiert durch verfügbare Matrizes (scaffolds) Struktur = Nekrot. Zellen = O2 = Nährstoffe Tovar, Fraunhofer

6 Integrative Material- und Verfahrenskonzepte mittels Biofabrikation: 3-D-Fertigungsverfahren (Rapid Prototyping, Generative / Additive Fertigung) Materialauftrag Materialaushärtung Schichtweiser Aufbau

7 Additive Fertigung Verfahren Pulverbett (Polymer) Pulv er- Binder System Pulverbett (Metall, Polymer, Keramik) Laser 3D Druck Selektives Schmelzen (Laser, Elektronenstrahl) Stereolithographie, Multiphotonen-Polymerisation Photovernetzendes Harz/Support Polymerschmelze /Support Photovernetzendes Harz 3D Tinten-Druck Fused Deposition Modelling

8 Additive Fertigung Maschinen 3D Systems RepRap 3D Systems Stratasys

9 3-D-Fertigungsverfahren in Medizintechnik und Medizin: Status Quo und Vision Rapid Prototyping Additive Fertigung Biofabrikation

10 Status Quo: Prothesen und Implantate Exoprothesen und Orthesen Selectives Lasersintern SLS IPA Dusch- und Badeprothese Komfort-Orthese

11 Vision: Aufbau von Geweben und Organen

12 Simulation Biologie BioRap künstliche Blutgefäßsysteme Biofabrication: use of material transfer processes for patterning and assembling biologically relevant materials - molecules, cells, tissues, and [ ] biomaterials - to accomplish one or more biological functions [1] Prozesstechnik Material

13 BIORAP FRAUNHOFER RAPID MANUFACTURING TECHNOLOGY FOR BIOLOGY mit Dr. Kirsten Borchers, Fraunhofer IGB u.v.a. 20 µm

14 BioRap biomimetisches Design Modelle (Blutgefäßsystem) Simulationen (Scherspannung) y x/y 1, p 1, f 1 x/y 3, p 3, f 3 x/y 4, p 4, f 4 x x x r 3, l 3 r 1, l x r 4, l 4 1 2, y 2 r 2, l 2 x 1, y 1 r 0, l 0 x/y 0, p 0, f 0 x x IWM

15 BioRap Prozesstechnik ILT IPA Multiphotonen (MPP)-Polymerisation Inkjet-Druck unter Inertgas-Atmosphäre Kombinationsprozess MPP Modul (ILT) Kombi-Anlage (IPA)

16 BioRap Technologie 1. Material application 2. UV-Hardening UV printhead 4. Laser-Hardening MPP Laser Line modul Dimension 1 2 mm Resolution 100 µm printhead Supply modul Dimension 200 µm 1 mm Substructures 1 µm 10 µm resolution < 1 µm 3. Material application

17 BioRap Technologie 1. Material application 2. UV-Hardening UV printhead 4. Laser-Hardening MPP Laser Line modul Dimension 1 2 mm Resolution 100 µm printhead Supply modul Dimension 200 µm 1 mm 40 µm 10 mm Substructures 1 µm 10 µm resolution < 1 µm 3. Material application

18 BioRap Materialien Multiphoton Polymerisation Photoinitiator curing ability Biocompatibility toxicity surface functionality HO c b prepolymers b O b a a a a b O b n-2 process polymers b c OH Inkjet Printing viscosity Mechanical Properties elongation surface tension curing ability tensile strength

19 BioRap zytokompatible Harze Material: Synthetische Harze Vernetzbare Polymer- Komponente Poly (Ethylenglykole) PEG Poly (Propylenglykole) PPG Poly (Tetrahydrofurane) pthf etc. Vernetzer Komponente Reaktivverdünner Photoinitiator

20 Biofabrikation Biofunktionale Beschichtung Modifizierung von Biopolymeren Anbindung an Polymeroberfläche Kopplung von Ankerpetiden Dr. K. Borchers Thio-Heparin Heparin 1 H NMR: Intergration vernetzbarer Funktionen Endothelzellen auf biofunktionalisiertem Kunststoff chemical shift

21 Biofunktionalisierung und dynamische Bioreaktor-Kultur Nonfunctionalized polymer material Biofunctionalized polymer material CD 31 von Willebrand Factor VE Cadherin Ac LDL uptake

22 Biofabrikation Zellen mit Matrix drucken Zellen in natürlicher extrazellulärer Matrix: Kollagen, Glykosaminglykane, Glykoproteine, Zellen in Biotinte : Aus Bestandteilen der natürlichen extrazelluären Matrix

23 Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie Biopolymer-basierte Hydrogelsysteme für den Aufbau von Gelenkknorpel mittels Inkjet-Bioprinting Dr. Eva Hoch Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP, Universität Stuttgart UVA

24 Kollagene (v.a. Typ II) Proteoglykane Wasser Druckfestigkeit Reißfestigkeit Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie Vision: Aufbau künstlichen Gelenkknorpels Annahme: Möglichst naturnahe Nachbildung des nativen Aufbaus ist essenziell für die Funktion künstlicher Gewebe und Organe Gewebespezifische funktionale Einheiten mit spezifischer Lokalisierung und Morphologie spezifischen Zelltypen und Zelldichten unterschiedlichen Matrixkomponenten und definierten biologischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften Hyaliner Knorpel 100 μm Eva Hoch, Promotionsvortrag, 13. Dezember 2013 [verändert nach Sunk et al., Arthritis Res Ther 8(4):R106 (2006) // Coates & Fisher, Cartilage Engineering: Current status and future trends. In: Biomaterials for tissue engineering applications, pp (2011)] 3

25 Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie Biopolymer-basierte Hydrogelsysteme für den Aufbau von Gelenkknorpel mittels Inkjet-Bioprinting I. Hydrogelsysteme: Aus Derivaten der extrazellulären Matrix Einstellbare mechanische Eigenschaften II. Formulierung der Hydrogelsysteme als Inkjet-Biotinten III. Bioprinten von Säugerzellen Eva Hoch, Promotionsvortrag, 13. Dezember

26 Biofabrikation Gelatine-basierte Biotinte 3 h 1000 µm 24 h 1000 µm 72 h 250 µm 1000 µm

27 Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie Funktionelle Polyethylenglykolbasierte Polymere für die Bildung von Polymernetzwerken über nebenproduktfreie Reaktionen Dr. Alexander Southan Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP, Universität Stuttgart

28 Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie Funktionelle Polyethylenglykol-basierte Polymere für die Bildung von Polymernetzwerken Aza-Michael- Reaktion polymeranaloge Reaktionen Inkjet-Druck und Thiol-Michael- Reaktion anionische Polymerisation Spin-Coating und Photovernetzung funktionalisierte Epoxidmonomere Synthese neuer funktioneller Polymere mit PEG-Rückgrat Vernetzung der Polymere

29 Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie Inkjet-Druck von Polyglycidylthiol und PEG-DA zu Gelen Vier Doppelschichten direkt nach Drucken Nach Waschen für 1 h in DMF 4 mm 4 mm Polyglycidylthiol über den Inkjet-Druck verarbeitbar und vernetzbar Southan, A.; Hoch, E.; Schönhaar, V.; Borchers, K.; Schuh, C.; Müller, M.; Bach, M. & Tovar, G. E. M., Polym. Chem. 2014, doi /c4py00099d

30 Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie Polyglycidylthiol-PEG-DA-Gele: Zytokompatibilität Humane Fibroblasten Lebend/Tot-Färbung: vitale Zellen grün, tote Zellen rot Besiedelungszeit Zellkulturschal e (Standard) PEG-DA-Gele Polyglycidylthio l-peg-da-gele 3 h 200 µm 200 µm 200 µm 48 h 200 µm 200 µm 200 µm Polyglycidylthiolhaltige Gele in der 2D-Zellkultur mit vergleichbaren Eigenschaften wie Zellkulturschale

31 Gefördert durch die Carl Zeiss Stiftung: Gefördert durch die Carl Zeiss Stiftung: Projekthaus NanoBioMater Neue Forschungsformen für neue Materialien in Stuttgart Nanobiomaterialien Biogen-synthetische Sabine Laschat, Hybrid-Hydrogele Thomas Hirth, Christina Wege, Günter Tovar Projekthaus NanoBioMater Stuttgart, 25. April 2014

32 Fazit Additive Fertigung Aufbau komplexer, frei programmierbarer Geometrien aus Metall, Keramik, Kunststoff, Biomolekülen und Zellen kompatibel mit bildgebenden Verfahren der Medizintechnik Biofabrikation: Ziel: Technische Strukturierung in Kombination mit biologischer Selbstorganisation Zukunftstechnologie der Gewebe-Generation für in vitro Testsysteme und Implantat-Entwicklung und -Herstellung

33 BIORAP FRAUNHOFER RAPID MANUFACTURING TECHNOLOGY FOR BIOLOGY Artificial vascularised scaffolds for 3D-tissue-regeneration Funded by the European Commission GA

34 Dank an Kirsten Borchers, Eva Hoch, Alexander Southan IAP IGB ILT IPA IWM Claas Bierwisch, Melanie Dettling, Sascha Engelhardt, Eva Hoch, Raimund Jaeger, Petra Kluger, Hartmut Krüger, Wolfdietrich Meyer, Esther Novosel, Oliver Refle, Christian Schuh, Nadine Seiler, Michael Wegener, Tobias Ziegler