Tissue Engineering im großem Maßstab

Mit unserer hochpräzisen Rolle-zu-Rolle-Anlage können nano- und mikrostrukturierte Oberflächen kontinuierlich gefertigt werden, um die Fertigungskosten zu senken und die Produktion hoch zu skalieren.

Fertigungsverfahren für das Tissue Engineering

Beim Tissue Engineering treffen Biologie und Technik zusammen, mit dem Ziel, anhand von in-vitro erzeugten Gewebezellen Krankheiten zu heilen und die natürliche Wundheilung bei Traumata zu unterstützen. Heute wird mit biotechnologischen Tissue-Engineering-Verfahren humaner Gewebezellersatz aus Stammzellen gewonnen und für die Erforschung individualisierter Medikamente eingesetzt.

Strukturiertes Biomaterial mit gewebespezifischer Steifigkeit

Damit die Differenzierung von Stammzellen in spezifische Gewebezellen gelingt, ist es entscheidend, die direkte in-vivo-Umgebung solcher Gewebe zu simulieren. Das Fraunhofer IPT hat ein Tissue-Engineering-Verfahren entwickelt, mit dem sich Nano- und Mikrostrukturen in Biomaterialien prägen lassen. Zum Einsatz kommen hier beispielsweise artifizielle Silkonderivate und semi-artifizielle Hydrogele. Diese Biomaterialien mit gewebespezifischen Steifigkeiten können im hauseigenen Labor für angewandte Zellbiologie in unterschiedliche Topographien abgeformt werden und elektrischen und biomechanischen Impulsen, wie elektromagnetischer Spannung, Ultraschall, Licht, Zugspannung oder Flüssigkeitsströmen, ausgesetzt werden.

Kontrolliertes Zellwachstum durch Messtechnik

Durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Biologen und Ingenieuren ist es uns gelungen biologische Systeme wie Gewebeäquivalente und Stammzellnischen zu simulieren und Stammzellen zu spezifischen Gewebezellen auszudifferenzieren. Darüber hinaus messen und interpolieren wir die von den ausdifferenzierten Zellen gesendeten biologischen Signale, um ihre jeweiligen Funktionalitäten zu erfassen.

Vom Prototypen bis zur Hochskalierung der Produktion

Um mikro- und nanostrukturierte Prägewerkzeuge zu fertigen, greifen wir auf die Diamantzerspanung, Zwei-Photonen-Lithographie und Laserstrukturierung zurück. Mit den abgeformten Substrat-Prototypen können die Strukturen getestet werden. Gelingt die Zelldifferenzierung auf den Substraten, können wir im nächsten Schritt den Herstellungsprozess optimieren und Prozesse nutzen, die die Produktion hochskalieren. Dabei setzen wir Rolle-zu-Rolle- und Spritzgussverfahren ein.

Unser Leistungsangebot

  • Entwicklung spezifischer Stammzellnischen und Gewebekonstrukte
  • Mechanische Stimulation durch spezifische Oberflächenstrukturierung, Zugspannung, Flüssigkeitsströme und Ultraschall
  • Elektromagnetische Stimulation
  • Funktionsanalytik der Zielgewebe durch Messung von Zellaktivitäten und Zellkräften
  • Charakterisierung der differenzierten Zellen auf Gen- und Proteinebene
  • Hochskalierung des Produktionsprozesses zur Herstellung differenzierter Gewebezellen in großem Maßstab.

Neuronale Zellen

In bisherigen Projekten haben wir am Fraunhofer IPT neuronal-induzierende Strukturen anhand der Diamantzerspanung hergestellt und in Hydrogele abgeformt. Auf den Substraten haben sich primäre Stammzellen aus humanem adipösem Gewebe differenziert. Pluripotente neural-crest-abstammende Stammzellen aus humanem Dermisgewebe differenzierten sich zu neuronal-ähnlichen Zellen. Elektromagnetische Impulse verstärkten die neuronale Differenzierung.

Muskelähnliche Zellen

In einem weiteren Projekt haben wir mithilfe der Lasertechnologie muskelinduzierende Strukturen hergestellt. Auf den laserstrukturierten Oberflächen differenzierten sich mesenchymale Stammzellen aus humanem Vorhautgewebe in muskelähnliche Zellen. Zugkräfte und elektrische Impulse verstärkten die Differenzierung erheblich.

Corneale Endothelzellen

Anhand der Zwei-Photonen-Lithographie fertigen wir eine Topographie, auf der sich mesenchymale Stammzellen aus Nabelschnurgewebe oder Vorhautgewebe differenzieren. Pluripotente Stammzellen aus dentalem Pulp oder Augenlidgewebe differenzieren sich in corneale Endothelzellen. Die dafür erforderliche Struktur wird in ein Biomaterial abgeformt, das der Steifigkeit einer spezifischen Hornhautschicht entspricht.