Sta­bi­le bio­lo­gi­sche Beschich­tung für Implantate

Die extra­zel­lu­lä­re Matrix (ECM) regelt alle wich­ti­gen Funk­tio­nen von Zel­len und ist für Wis­sen­schaft­ler ein inter­es­san­tes Bio­ma­te­ri­al. Fraun­ho­fer-For­scher haben eine ECM ent­wi­ckelt, die künst­li­che reak­ti­ve Grup­pen ent­hält und auch außer­halb des Kör­pers das natür­li­che Ver­hal­ten der Zel­len för­dert. Sie kann des­halb als sta­bi­le Beschich­tung auf Implan­ta­te auf­ge­bracht oder für Zell­kul­tur­ge­fä­ße und Wund­auf­la­gen ver­wen­det werden.

Bio­lo­gen, Che­mi­ker und Medi­zi­ner müs­sen wis­sen, wie bio­lo­gi­sche Reak­tio­nen im Innern des mensch­li­chen Kör­pers ablau­fen. Zum Bei­spiel um Implan­ta­te ein­zu­set­zen, neue Wirk­stof­fe zu ent­wi­ckeln oder kran­kes Gewe­be zu erset­zen. Eine wich­ti­ge Rol­le spielt bei den Unter­su­chun­gen die extra­zel­lu­lä­re Matrix (ECM). Sie stellt im mensch­li­chen Gewe­be die natür­li­che Umge­bung der Zel­len dar und erfüllt wich­ti­ge Funk­tio­nen (sie­he Info­kas­ten). Durch ihre gewe­be­ty­pi­sche Zusam­men­set­zung ist sie das idea­le Mate­ri­al für Anwen­dun­gen in der Medi­zin­tech­nik. „Es ist jedoch sehr kom­pli­ziert, die Matrix so zu modi­fi­zie­ren, dass sie für unter­schied­li­che Auf­ga­ben­stel­lun­gen ange­passt wer­den kann, sich aber trotz­dem wie in natür­li­cher Umge­bung ver­hält“, sagt Dr. Moni­ka Bach aus der Abtei­lung Grenz­flä­chen­tech­no­lo­gie und Mate­ri­al­wis­sen­schaft des Fraun­ho­fer-Insti­tuts für Grenz­flä­chen- und Bio­ver­fah­rens­tech­nik IGB.

Bio­lo­gi­sche Beschich­tung für die Medizintechnik

Che­mi­ker und Bio­lo­gen des Stutt­gar­ter For­schungs­in­sti­tuts haben gemein­sam eine funk­tio­na­le ECM ent­wi­ckelt, die auch außer­halb des Kör­pers das natür­li­che Ver­hal­ten der Zel­len för­dert und fle­xi­bel an bio­lo­gi­sche oder mate­ri­al­tech­ni­sche Auf­ga­ben­stel­lun­gen ange­passt wer­den kann. „Im Labor haben wir gezeigt: Das Bio­ma­te­ri­al erfüllt trotz der ein­ge­brach­ten künst­li­chen reak­ti­ven Grup­pen sei­ne Funk­tio­nen und unter­stützt das natür­li­che Ver­hal­ten der Zel­len, die mit ihr in Kon­takt ste­hen“, schil­dert Prof. Dr. Petra Klu­ger, Lei­te­rin der Abtei­lung Zell- und Tis­sue Engi­nee­ring, den Forschungsstand.

Der­zeit suchen die IGB-For­sche­rin­nen und ‑For­scher Koope­ra­ti­ons­part­ner, um mit Hil­fe der paten­tier­ten Tech­no­lo­gie kon­kre­te Pro­duk­te zu ent­wi­ckeln: Zum Bei­spiel um Implan­ta­te zu beschich­ten, damit sie schnel­ler vom Kör­per ange­nom­men wer­den. „Grund­sätz­lich wäre die­se Tech­no­lo­gie aber auch inter­es­sant, um neue Mate­ria­li­en zu ent­wi­ckeln, die zur Wund- oder Kno­chen­hei­lung ein­ge­setzt wer­den könn­ten“, sagt Bach. Denk­bar wäre zudem eine Beschich­tung für Zell­kul­tur­ge­fä­ße im Labor. Sie lie­fert den jewei­li­gen Zel­len eine idea­le Umge­bung, sodass die­se wäh­rend der Kul­ti­vie­rung ihr natür­li­ches Wachs­tums­ver­hal­ten zei­gen. „Denn Zel­len reagie­ren sehr emp­find­lich auch auf klei­ne Ver­än­de­run­gen in ihrer Umge­bung“, erklärt Bach.

Che­mi­sche Reak­ti­on, die klickt

Um die ECM mit künst­li­chen che­mi­schen Grup­pen aus­zu­stat­ten, nut­zen die Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler den natür­li­chen Stoff­wech­sel der Zel­len und las­sen sie die che­mi­sche Grup­pe selbst ein­bau­en. Dazu wer­den Zel­len, die zuvor aus mensch­li­chen Gewe­be­pro­ben gewon­nen wur­den, in einer Zell­kul­tur­scha­le mit Zucker­mo­le­kü­len gefüt­tert, die im Ver­gleich zu her­kömm­li­chen Zuckern an einer Stel­le eine reak­ti­ve Grup­pe tra­gen. Die Zel­len neh­men die­sen modi­fi­zier­ten Zucker auf und nut­zen ihn als Bau­stein, um ande­re Mole­kü­le inner­halb der Zel­le und in der ECM auf­zu­bau­en. „Die­se che­mi­sche Grup­pe kann anschlie­ßend in einer selek­ti­ven che­mi­schen Reak­ti­on – Click-Reak­ti­on – mit einem pas­sen­den Bin­dungs­part­ner wei­ter reagie­ren. Das muss man sich wie bei einem Druck­knopf vor­stel­len: Eine Hälf­te, ande­re Hälf­te – Klick!“, schil­dert Bach den Vor­gang. Auf die­se Wei­se kann eine Implan­tat­ober­flä­che, die die ande­re Hälf­te des Druck­knopfs trägt, sta­bil mit der cli­ck­ECM beschich­tet – und das Ein­wach­sen des Implan­tats in das umlie­gen­de Gewe­be deut­lich ver­bes­sert wer­den. Der Vor­teil des Zusam­men­kli­ckens: Die selek­ti­ve che­mi­sche Reak­ti­on hat eine hohe Aus­beu­te, läuft ohne Neben­re­ak­tio­nen und unter phy­sio­lo­gi­schen Bedin­gun­gen ab, ohne in natür­li­che Pro­zes­se der Zel­le einzugreifen.