Ein Verfahren aus der Textilindustrie ist für das Tissue Engineering interessant: Durch das elektrostatische Flocken lässt sich ein Scaffold für die Knorpelbildung erstellen. Wie das funktioniert, haben Forscher aus Dresden gezeigt. Wie sich durch elektrostatisches Flocken Scaffolds für das Tissue Engineering – genauer für die Knorpelbildung – herstellen lassen, haben Forscher aus Dresden gezeigt.
Kaum ein Punkt im Körper ist mechanisch so beansprucht wie das Knorpelgewebe im Kniegelenk. Stoßbelastungen werden dort absorbiert und Scherkräfte ausgeglichen. Etwa 1500 Mal wird das Gelenk jeden Tag gebeugt und manchmal mit dem Achtfachen des Körpergewichtes belastet. Dabei wirken Kräfte, die ihre Spuren hinterlassen und zu Schädigungen führen können.
Schon lange wird daher nach einer Option gesucht, wie sich künstliches Knorpelgewebe herstellen lässt, das ähnlich gute Eigenschaften aufweist wie das natürliche Original. Dahinter steht der Wunsch, lokale Defekte behandeln und letztlich wieder heilen zu können. Wissenschaftler der TU Dresden haben einen neuen Ansatz gefunden, wie beispielsweise Knorpeldefekte im Knie behandelt werden können. Dazu nutzt das Team ein speziell entwickeltes Trägermaterial, einen Scaffold.
Kompromiss zwischen poröser Struktur und Stabilität
Die große Herausforderung bei der Konstruktion war es, einen möglichst guten Kompromiss zwischen poröser Struktur und Festigkeit zu finden, denn je größer die Räume für körpereigene Zellen gestaltet werden, desto instabiler wird der Biomaterial-Scaffold. Aber genau darauf kommt es an, wenn künftig ein Implantat den natürlichen Bewegungen des Gelenkes standhalten soll.
In einer Zusammenarbeit zwischen der Textiltechnik der TU Dresden, namentlich der Arbeitsgruppe von Prof. Dr.-Ing. Chokri Cherif vom Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik, und dem Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung an der Medizinischen Fakultät wurde weltweit erstmals das textiltechnische Verfahren des elektrostatischen Flockens genutzt, um im Körper abbaubare Biomaterial-Scaffolds mit einstellbarer Porosität und sehr guten mechanischen Festigkeiten herzustellen.
Das Flocken ist ein Verfahren, das in der Textilindustrie schon seit Jahrzehnten angewendet wird. Auf ein Substrat werden etwa 1 bis 3 mm lange Fasern aufgebracht. Bei der Anwendung für die Medizin bestehen die Fasern allerdings nicht, wie sonst üblich, aus Kunstfasergewebe, sondern aus dem Biopolymer Chitosan. Dieses wird aus dem Chitinpanzer von Krebstieren gewonnen und aufbereitet. Der Vorteil: Es handelt sich dabei um einen biologischen und nachwachsenden Rohstoff, der in der Lebensmittelindustrie als Abfallprodukt permanent anfällt.
Chitosan lässt sich zu Fäden verspinnen, auf die gewünschte Länge zuschneiden und als Trägermaterial verwenden. In einem elektrischen Feld richten sich kurze Fasern auf und schießen in eine zähflüssige Chitosanlösung ein, welche rasch aushärtet – ein Scaffold, ein Gerüst für die regenerative Medizin, ist entstanden.
Nach der Sterilisation kann der Scaffold mit einer Suspension von Knorpelzellen und einem Hydrogel befüllt werden. So könnte künftig ein biologisches Implantat für Knorpeldefekte im Knie hergestellt werden, das mit dem Vorbild nahezu identisch ist und dessen Trägermaterial sich innerhalb von etwa einem halben Jahr rückstandslos abbaut.
Die Herstellung und Eigenschaften dieser biodegradierbaren Flockscaffolds hat das interdisziplinär arbeitende Forscherteam in einer unlängst erschienenen Publikation in der Fachzeitschrift Acta Biomaterialia beschrieben. Alle verwendeten Komponenten – das Flock-Substrat, der Klebstoff und die Fasern – bestehen aus dem Biopolymer Chitosan. Jetzt geht es darum, die Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten dieses Biomaterial-Scaffolds weiter zu untersuchen. (op) ■
Zum Material und zum Verfahren
- Chitosan: Chitosan ist ein Biopolymer, dass in der Natur zum Beispiel in den Zellwänden mancher Pilze vorkommt. Es lässt sich aus Chitin, dem Material, aus dem das Exoskelett von Krabben und Krebsen besteht, durch chemische Behandlung herstellen. Die Löslichkeit in Wasser wird von vielen Faktoren – darunter Molekülgröße und pH-Wert – beeinflusst, so dass sich Lösungen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften herstellen lassen. Chitosan wird als blutstillend, anti-mikrobiell wirksam und heilend beschrieben. Die Liste möglicher, auch industrieller Anwendungen ist lang. Sie umfasst unter anderem den Einsatz in Wundauflagen, als Filtermaterial in der Lebensmittelindustrie, als Zusatz zu Kosmetika oder auch als Bindemittel für wiederverwendete Zellulose in der Papierindustrie.
- Beflocken: Das Aufbringen kurzer Fasern wurde schon früh für das Verschönern von Wänden genutzt: In China wurden diese schon vor rund 3000 Jahren mit Holzleim bestrichen, auf den Naturfasern aufgestreut wurden. Im 18. Jahrhundert waren beflockte Tapeten in Mode, die königliche Schlösser zierten. Nachdem die Elektrizität entdeckt und erforscht wurde, entstand zu Anfang des vergangenen Jahrhunderts die Technik des elektrostatischen Beflockens. Heute sind dafür High-Tech-Anlagen verfügbar. Beflocken lässt sich fast jeder Untergrund, gegebenenfalls nach entsprechender Vorbehandlung und mit einem geeigneten Kleber.
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