BioRap – Künstliche Blutgefäßsysteme

Mithilfe des Tissue Engineerings werden künstliche Gewebe aus menschlichen Zellen im Labor hergestellt. Für den Aufbau größerer Organe fehlt jedoch das für die Versorgung mit Nährstoffen und den Abtransport von Stoffwechselprodukten nötige Gefäßsystem.

Im Projekt »BioRap« entwickeln fünf Fraunhofer-Institute biokompatible und elastische künstliche Blutgefäße mit neuartigen Verfahren. Hierzu kombinieren sie die im Rapid Prototyping etablierte 3-D-Drucktechnik, mit der sich Werkstücke direkt nach einem beliebig komplexen 3-D-Modell aufbauen lassen, mit der Multiphotonenpolymerisation.

Ziel des Tissue Engineerings ist die Herstellung von menschlichen Geweben und Organen im Labor. Der Aufbau größerer Gewebekonstrukte ist bislang jedoch limitiert, da eine Nährstoffversorgung durch ein Gefäßsystem – vergleichbar mit dem Blutgefäßsystem im Körper – fehlt. Fünf Fraunhofer-Institute bringen ihr Knowhow in den Bereichen Bioverfahrenstechnik, Polymerforschung, Prozesstechnik, Lasertechnologie, Simulierung und Werkstoffprüfung zusammen um technische Blutgefäßsystem-Äquivalente zur Versorgung von in vitro Gewebemodellen zu entwickeln. 

Kombination von 3-D-Druck und Multiphotonenpolymerisation

Mittels 3-D-Inkjet-Druck können sehr flexibel dreidimensionale Körper aus verschiedensten Materialien erzeugt werden. Der Drucker trägt das Material auf der Grundlage von CAD Daten in Schichten auf, die dann mittels UV Strahlung chemisch vernetzt werden. So können Strukturen im Mikrometerbereich hergestellt werden. Für die feinen Strukturen von Kapillargefäßen ist die 3-D-Drucktechnik jedoch noch zu ungenau. Daher kombinieren die Forscher diese Technik mit der Multiphotonenpolymerisation. Hierbei erfolgt die Verfestigung des Materials nur ganz punktuell innerhalb der vom Drucker aufgetragenen Schicht mit Hilfe kurzer Laserpulse. Diese Reaktion lässt sich derart gezielt steuern, dass der Aufbau von feinsten Strukturen nach einem dreidimensionalen Bauplan möglich ist. Durch Anpassung der chemischen Zusammensetzung des Baumaterials kann die Elastizität des vernetzten Polymers eingestellt und an die Beschaffenheit natürlicher Gefäße adaptiert werden.

Biofunktionalisierung der Materialien

Für die Biologisierung der synthetischen Röhrenstrukturen hin zu biomimetischen Gefäßsystemen werden die künstlichen Gefäße mit Endothelzellen besiedelt, den Zellen, die auch im Körper die Blutgefäße auskleiden. In einem ersten Schritt erfolgt hierzu die Biofunktionalisierung des künstlichen Materials. Das heisst, es werden Biopolymere (beispielsweise Heparin), und spezifische Ankerproteine für Zellen (z. B. die Peptidsequenz Arginin-Glycin-Asparaginsäure, RGD) auf die Oberflächen der künstlichen Gefäße aufgebracht, um so die Besiedelung mit Endothelzellen zu ermöglichen. Durch die chemische Anbindung  bioaktiver Komponenten kann auch die Thrombogenität – also die Bildung von Blutgerinnseln – der künstlichen Gefäße reduziert werden. Die strikte Vermeidung der Bildung von Blutgerinnseln ist die Voraussetzung für einen Einsatz der künstlichen Gefäße als kleinlumiger Gefäßersatz.

Hybridmaterialien aus synthetischen und biologischen Polymeren

Alternativ zur nachträglichen Biofunktionalisierung der vollsynthetischer Materialien durch Beschichtung werden Hybridmaterialien aus synthetischen und biologischen Polymeren für den Aufbau der künstlichen Gefäße entwickelt: Dazu werden Biopolymere mit polymerisierbaren Gruppen ausgerüstet und in die Tintenformulierung für die generative Fertigungstechnik integriert. Auf diese Weise soll das fertige Gefäßröhrchen bereits kovalent gebundene Biomoleküle enthalten und ohne Nachbehandlung die Interaktion mit Zellen ermöglichen.

Bioreaktor für biomimetische Blutgefäße

Die Ausbildung eines funktionalen Endothels ist essenziell für die Biofunktionalität der künstlichen Blutgefäße. Die Zellschicht verhindert das Gerinnen des Bluts, bildet eine selektive Grenzschicht, die den Stoffaustausch zwischen Blut und Gewebe reguliert und initiiert außerdem die Neoangiogenese. Ziel ist es daher, für in vitro Gewebetestsysteme für Pharmazeutika oder Chemikalien eine vollständige Schicht Endothelzellen als innerste Lage der Röhrchen zu etablieren. Ein wesentlicher Schritt zur Kultivierung funktioneller Endothelzellen ist die Nachbildung der Bedingungen im Körper. Hierzu entwickelt Fraunhofer ein Bioreaktorsystem, in dem die mit Endothelzellen besiedelten künstlichen Gefäßstrukturen dynamisch kultiviert werden.

Anwendungen

Mit den so erzeugten Blutgefäßen tragen wir zur Erzeugung komplexer bioartifizieller Gewebe und Organe bei. Ein solches Organsystem könnte als Testsystem genutzt werden und so Tierversuche ersetzen. Längerfristig könnten solche Gewebe oder Organe auch als Implantate genutzt werden und über das künstliche Versorgungssystem direkt an den Blutkreislauf des Patienten angeschlossen werden. Auch die Behandlung von Bypass-Patienten mit kleinkalibrigen künstlichen Gefäßprothesen ist auf der Grundlage verbesserter Materialien und den vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten der generativen Fertigung denkbar.

Weiterführende Links:

www.biorap.de
→ www.igb.fraunhofer.de/de/kompetenzen/grenzflaechentechnik/biomaterialien/biorap.html

Herstellung von Röhrenstrukturen auf der  Mikrometer- bis Zentimeter-Skala

Durch die Kombination aus 3-D-Inkjet-Drucktechnik (Fraunhofer IPA), Multiphotonenpolymerisation und 3-D-Laserhärtung (Fraunhofer ILT) wird es erstmals möglich, verzweigte Gefäße mit Durchmessern unter 1 mm herzustellen. Für die Verarbeitung in dem kombinierten Verfahrensprozess wurden unter Leitung des Fraunhofer IAP spezielle Tinten entwickelt. Sie basieren auf einem Baukasten mit unterschiedlichen Monomer- und Polymerkomponenten und lassen sich zu Materialien mit maßgeschneiderten elastischen Eigenschaften vernetzen. Der Prototyp der Fertigungsanlage wird am Fraunhofer-Institut für Produktion und Automatisierungstechnik IPA am Fraunhofer-Institutszentrum in Stuttgart weiterentwickelt.

Biologisierung der Röhrenstrukturen

Die biomimetische Geometrie für die künstlichen Blutgefäßsysteme und fluid-dynamische Simulationen für komplexe Flüssigkeiten zur Ermittlung von Wandscherraten und optimalen Verzweigungswinkeln zur Vermeidung von Totzonen und Wirbelbildung werden am Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik IWM entwickelt. Für die Biologisierung der synthetischen Röhrenstrukturen hin zu biomimetischen Gefäßsystemen hat das Fraunhofer IGB die Biofunktionalisierung des künstlichen Materials untersucht.

Durch spezielle Waschprozeduren werden zunächst toxische Komponenten aus den vernetzten Polymeren ausgewaschen. Für eine chemische Ankopplung biofunktionaler Beschichtungen an die synthetische Polymeroberfläche werden Biomoleküle wie z. B. Heparin chemisch modifiziert und mit vernetzbaren Gruppen ausgerüstet. Mikrovaskulare Endothelzellen adhärieren bereitwillig an den so biofunktionalisierten Materialien und proliferieren in statischen Kulturen oder auch im Bioreaktor unter dynamischen Bedingungen bis sie einen konfluenten Zelllayer ausbilden.

Durch Integration des Wachstumsfaktors VEGF in die Heparin-basierte Schicht werden die Zellen zu verstärkter Proliferation und Stoffwechselaktivität angeregt. In Zukunft soll untersucht werden, ob in porösen Gefäßen durch Wirkung des VEGF weiterhin eine Aussprossung neuer, natürlicher Kapillarstrukturen (Neoangiogenese) erreicht werden kann.

Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP,
Geiselbergstr. 69,
14476 Potsdam

www.iap.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB,
Nobelstraße 12,
70569 Stuttgart

www.igb.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT,
Steinbachstr. 15,
52074 Aachen

www.ilt.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA,
Nobelstraße 12,
70569 Stuttgart

www.ipa.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM,
Wöhlerstraße 11,
79108 Freiburg

www.iwm.fraunhofer.de