MigraGel
Bikontinuierliche wässrige Zweiphasensysteme auf der Basis von GelMA und Dextran für maßgeschneiderte poröse Hydrogele im 3D Tissue Engineering
Hydrogele sind Polymermaterialien, die in der Lage sind, eine große Menge Wasser in ihrer dreidimensionalen (3D) Struktur zu absorbieren und zurückzuhalten, was sie zu idealen Materials-Kandidaten als Ersatz für die natürliche extrazelluläre Matrix (EZM) in Tissue Engineering-Anwendungen macht. Abgesehen davon können die mechanische Eigenschaft sowie die Biokompatibilität vieler Hydrogele eingestellt haben. Das bedeutet, dass sie entsprechend abgestimmt werden können, um die spezifischen EZM-Anforderungen nachzuahmen, die von verschiedenen Zelltypen gefordert werden. Von besonderer Bedeutung sind die Mikrostruktur und Porosität des Materials, da diese die Proliferation, Migration und Differenzierung der eingebetteten Zellen maßgeblich beeinflussen.
Das gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Prof. Richtering (RWTH Aachen) durchgeführte und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Projekt zielt darauf ab, ein neuartiges Hydrogel unter Verwendung eines wässrigen Zweiphasensystems (ATPS), bestehend aus Gelatine-Methacryloyl (GelMa ) und Dextran zu synthetisieren und zu charakterisieren. Proof-of-Concept-Experimente haben gezeigt, dass es durch Feinabstimmung der Phasenseparationskinetik möglich ist, Hydrogele mit homogener, separierter Tropfen- bzw. bikontinuierlicher Porenstruktur zu synthetisieren, indem die GelMa-Phase vernetzt und die Dextran-Phase ausgewaschen wird. Die bikontinuierliche Mikrostruktur zeigte vielversprechende Ergebnisse (Abbildung 1). Das Material ist nach dem Biodruck stabil und kann die Zellviabilität sowie die zelltypische Morphologie verschiedener Zellen sieben Tage lang aufrechterhalten.
Um die neuartigen Hydrogele besser zu verstehen und deren Mikrostruktur zu optimieren, ist es daher wichtig, die zugrundeliegenden physikalisch-chemischen Prinzipien zu entschlüsseln, die die Phasenseparation beeinflussen. Mit diesen Informationen wird das Hydrogel prozessiert und seine mechanischen Eigenschaften charakterisiert. Seine Anwendbarkeit für den 3D-Biodruck unter Verwendung der Mikroextrusions- und Drop-on-Demand-Techniken werden evaluiert und die Auswirkung dieser Prozesse auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften des Hydrogels untersucht. Darüber hinaus wird unter Verwendung verschiedener Zelltypen die Auswirkungen des Druckens bzw. des Gießens der Hydrogele auf das des Zellwachstums und die Zelllüberebensfähigkeit untersucht. Dies wird seine Anwendbarkeit für die regenerative Medizin, zahnmedizinische Studien und für die Krebsforschung offenbaren. Die Biofunktionalität der Hydrogele wird dann untersucht, indem das Verhalten von Zytokinen (Verteilung und Freisetzung) in GelMa/Dextran-ATPS-Hydrogelen untersucht wird. Schließlich wird der Einfluss der in der ATPS-Lösung eingebetteten Zellen auf die Bioprinting- und Phasentrennungsprozesse in Abhängigkeit der sich ergebenden Mikrostruktur im resultierenden Hydrogels untersucht. Ebenso wird die Auswirkung des Bioprinting-Prozesses auf die Lebensfähigkeit, Proliferation und ECM-Adhäsion der Zellen analysiert und mit denen in den gegossenen Hydrogelen verglichen.
