Neuartiges Mikrostruktur-Hydrogel mit einzigartigen antimikrobiellen Eigenschaften

Poröse Gerüste bieten eine dreidimensionale extrazelluläre Umgebung, die der natürlichen Umgebung der Zelle ähnelt. Ihr Anwendungsbereich in der regenerativen Medizin ist enorm. Ein Forschungsteam aus der EU hat ein neues Biomaterial entwickelt, das die Zelldifferenzierung unterstützt und das geschädigte Gewebe wiederherstellt.

Gesundheit

Mithilfe mechanischer Signale ermittelt die extrazelluläre Umgebung Zellverhalten und -prozesse wie Adhäsion, Proliferation, Migration und Differenzierung. Die Materialwissenschaften versuchen die strukturellen, mechanischen und biochemischen Eigenschaften der natürlichen extrazellulären Matrix nachzuahmen, um die Regeneration von geschädigtem Gewebe durch räumlich angeordnetes Zellwachstum zu maximieren.

Ein neuartiges Biomaterial mit einem Netzwerk aus Mikrokanälen

Das EU-finanzierte Projekt CHANNELMAT entwickelte ein neuartiges 3D-Material für die Anwendung als Gerüst für das Zellwachstum. Es ist kostengünstig und biokompatibel. Projektkoordinatorin Christine Selhuber-Unkel erklärt: „Unser Material enthält hohle, wenige Mikrometer große Kanäle, die in eine Polymermatrix eingebettet sind.“ Dadurch ergibt sich eine große Fläche für den Zellkontakt, was den Einfluss des Materials auf das Zellverhalten maximiert, z. B. bei der Steuerung der Transduktion mechanischer Signale. Im Vergleich mit bestehenden Lösungen bietet der Ansatz von CHANNELMAT verschiedene Vorteile. Die Mikrokanäle, deren Durchmesser weniger als 20 μm misst, sind aus einem Polyacrylamid-Substrat hergestellt. Das patentierte Herstellungsverfahren gewährleistet die Interkonnektivität der Poren unabhängig von ihrer Dichte und Größe. Vor allem bieten die feinen Mikrokanäle eine 3D-Umgebung, bei der bis zu 80 % mit der Zelloberfläche in Kontakt sind, was die Steuerung des Zellverhaltens verbessert. Durch die Anpassung der Konstruktion, der Zusammensetzung und der Mechanik des Gerüsts wird gewährleistet, dass die Sauerstoff- und Nährstoffzufuhr den Bedingungen von natürlichen Geweben sehr ähnlich ist. Zudem kann das Gerüst mit Proteinen für die Gewebezüchtung und mit kohlenstoffbasierten Nanopartikeln für die Imitierung von erregbaren Gewebestrukturen wie Herzgewebe funktionalisiert werden. Gleichzeitig kann es dank der hohen Adsorption von Proteinen auf eine Weise konstruiert werden, die der extrazellulären Matrix gleicht.

Medizinische Anwendungen des neuartigen Materials

„Unser Ziel war es, das neuartige CHANNELMAT-Material an Zellanwendungen zu validieren, bei denen die Mechanotransduktion beeinträchtigt ist, wie z. B. beim Herzgewebe nach einem Herzinfarkt“, so Selhuber-Unkel weiter. Durch die klar definierten mechanischen Eigenschaften des Biomaterials und die Möglichkeit, es mit hohem Durchsatz auf verschiedenen Komplexitätsebenen herzustellen, weist es Potenzial für zahlreiche Anwendungen wie 3D-Zellkulturen und Implantationen auf. Doch das wichtigste klinisch relevante Ergebnis ist derzeit unabhängig von der Mechanotransduktion: Das Forschungsteam hat das innovative Material dazu eingesetzt, Acanthamoeba castellanii, einen Krankheitserreger beim Menschen, abzufangen. Die Behandlung dieses Erregers, der zu Augenentzündungen und schwerer Keratitis führt, ist langwierig und komplex. Obwohl die Erkrankung im Allgemeinen relativ selten vorkommt, tritt sie häufig in entwickelten Ländern auf, wo viele Menschen Kontaktlinsen tragen. Acanthamoeba castellanii ist sowohl im Boden als auch im Wasser zu finden, unter anderem auch in Schwimmbädern und in Kontaktlinsenflüssigkeit, obwohl diese desinfiziert werden. Das CHANNELMAT-Material hat das Potenzial, den Parasiten Acanthamoeba castellanii zu entfernen und die Sicherheit für Kontaktlinsenträger zu verbessern, wenn das Material für die Herstellung von Aufbewahrungbehältern verwendet wird. Laut Selhuber-Unkel war dies die bedeutendste Errungenschaft des Projekts, da es neue Wege für die kommerzielle Nutzung des CHANNELMAT-Biomaterials eröffnet. Das Abfangen von krankheitserregenden Mikroorganismen durch gefertigte Fallen ist eine aufstrebende, chemiefreie Strategie gegen Mikroben. Jetzt untersucht das Forschungsteam die Anwendung des Materials in verschiedenen Zusammenhängen, von der Anwendung im Gehirn bis zur weichen Robotik. Mehrere finanzierte Projekte bauen auf den Erkenntnissen von CHANNELMAT auf. Es wird erwartet, das Produkt mit einer angemessenen Industrieinvestition voranbringen zu können.

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Microchannels for controlling cellular mechanotransduction

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Medizinische Anwendungen des neuartigen Materials

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