Forschungsgruppe "Biofabrikation"

Gruppenmitglieder:

Tamara Aigner, Elise DeSimone, Dr. Kiran Pawar, Vanessa Trossmann, Vanessa Wicklein


Überblick:

Biofabrikation ist ein junger, aufstrebender Teilbereich des Forschungsgebietes Biomaterialien mit dem Ziel, 3-dimensionale biokompatible Gerüste für die regenerative Medizin aus natürlichen Materialien als Basiskomponenten in Kombination mit Zellen herzustellen. Durch den Einsatz von neuen Materialien sollen dabei die nativen Gewebeeigenschaften von Knochen, Sehnen, Haut, Nerven u.a. mimetisch nachgestellt werden. Notwendige Eigenschaften von Implantaten sind definierte 3D-Strukturen, gewebespezifische hierarchische Morphologie und angepasste biochemische Zusammensetzung. Die Eigenschaften biologischer Materialien übertreffen oft die der künstlich hergestellten. Ein bekanntes Beispiel ist die Spinnenseide. Die Arbeitsgruppe Biofabrikation untersucht rekombinant hergestellte modellhafte Strukturproteinen, die von den natürlichen Sequenzen von Spinnenseide und Muschelkollagenen mimetisch abgeleitet sind, für die Eignung in der regenerativen Medizin. In der Natur werden diese Proteine fast ausschließlich zu Fäden verarbeitet. Allerdings ist es in-vitro mit Hilfe unterschiedlicher verfahrenstechnischer Methoden andere Formkörper wie zum Beispiel Filme, Hydrogele, Schäume, Vliese, und Nanofasern mit ausgerichteter Struktur und kontrollierter Topografie in Kombination mit unterschiedlichen Zelltypen herzustellen.

 

Abb. 1: Filme, Schäume und Nanofaser-Vliesse als Gerüste für Zellen.

 
 

Tamara Aigner (M.Sc.)  
0921-55 7335
tamara.aigner(.at.)bm.uni-bayreuth.de  
Forschungsprojekt:

Röhrenförmige Strukturen aus Verbundmaterialien mit Spinnenseide als Nervenleitstruktur

Die Verwendung von Nerven-Autotransplantaten ist auch heutzutage noch immer der Goldstandard zur Behandlung von peripheren Nervenverletzungen. Problematisch hierbei ist der Verlust an der Entnahmestelle, wobei eine vollständige Wiederherstellung der Funktion an der Empfängerstelle nicht garantiert werden kann. Nervenleitstrukturen stellen eine Alternative zu Nerven-Autotransplantaten dar. Spinnenseidenproteine besitzen durch ihre herausragende mechanische Stabilität bei gleichzeitiger enormer Elastizität die perfekten Voraussetzungen hierfür. Des Weiteren kann Spinnenseide modifiziert werden, um die Attraktivität für Nervenzellen zu optimieren. Diese Proteine können dann für selbstrollende Röhrchen bestehend aus einem zweilagigen Film verwendet werden, wobei die zweite Schicht von einem stimuli-responsiven Polymer gebildet wird. Das Prinzip hinter dem Roll-Mechanismus ist das inhomogene Verhalten der beiden Schichten als Antwort auf einen Stimulus wie zum Beispiel eine Änderung des pH-Wertes, der Temperatur oder des Lösungsmittels. Üblicherweise bezeichnet man diese beiden Schichten als „aktive“ und „passive“ Schicht, wobei die aktive Schicht durch den Stimulus anschwillt, während die passive Spinnenseidenschicht nicht reagiert und so das Rollen induziert wird.


Elise DeSimone (M.Sc.)  
0921-55 5593
elise.desimone(.at.)bm.uni-bayreuth.de  
Forschungsprojekt:

Biofabrikation entwickelt sich rasant als Alternative für etablierte Ansätze der Gewebe­regeneration mit dem Ziel, 3-dimensionale gewebeähnliche Konstrukte aus Polymeren zusammen mit Zellen herzustellen. Eine erfolgsversprechende Methode ist dabei der 3D Biodruck zur präzisen räumlichen Anordnung von Gerüstkomponenten. Limitierungen des 3D-Drucks betreffen (1) die Auflösung im Mikrometer-Maßstab und (2) eine geringe Anzahl biokompatibler Materialien als “Biotinte”. Rekombinant hergestellte Spinnenseidenproteine zeichnen sich durch eine geringe Immunogenität aus, und können in verschiedene Morphologien mit einstellbaren mechanischen Eigenschaften verarbeitet werden, darunter elektro-gesponnene Fasern und Hydrogele. In diesem Projekt soll ein hybrides 3D Biodruck-System entwickelt und die Herstellung von gewebeähnlichen Gerüsten aus neuen Biotinten basierend auf rekombinanten Spinnenseidenproteinen für die Anwendung in der Geweberegeneration getestet werden.

 


Michael Suhre
Dr. Kiran Pawar  
0921-55 5593
kiran.pawar(.at.)bm.uni-bayreuth.de  
Forschungsprojekt:

Spinnenseiden-basierte Gerüste für Geweberegeneration

Rekombinant produzierte Spinnenseidenproteine haben ein hohes Potential für den Einsatz in der Geweberegeneration. Die Proteine können in verschiedene Morphologien mit kontrollierter Topographie verarbeitet werden, beispielsweise ausgerichtete oder regelose Fasergerüste, Schäume oder Hydrogele. Wir forschen an der Prozessierung von Faserproteinen oder Protein-Polymermischungen in 3D Biomaterialgerüste durch die Verwendung verschiedener Methoden wie z.B. Elektrospinnen, 3D Druck, Gefriertrocknen etc. Der Hauptfokus liegt auf der Herstellung von geeigneten Zellgerüststrukturen für Anwendungen in der Geweberegeneration mit naturähnlichen Eigenschaften, sowohl mit ausgerichteten Strukturen zur Unterstützung eines gerichteten Zellwachstums als auch Morphologien für flächiges Wachstum von Geweben.

 

Michael Suhre
Vanessa Trossmann (M.Sc.)  
0921-55 7349
vanessa.trossmann(.at.)bm.uni-bayreuth.de  
Forschungsprojekt:

Rekombinante Spinnenseidenproteine mit designter Zell-Substrat-Interaktion für biomedi-zinische Anwendungen


Aufgrund ihrer einzigartigen mechanischen und biochemischen Eigenschaften ist Spinnenseide seit einiger Zeit im Fokus der Wissenschaft. Spinnenseidenproteine sind bioabbaubar, biokompatibel und rufen keine Immunantwort im menschlichen Körper hervor, wodurch sie ein geeignetes Material für die Verwendung in der Biomedizin darstellen. Die Entwicklung entsprechender rekombinanter Technologien, inspiriert durch die natürlich vorkommenden Gensequenzen der Gartenkreuzspinne Araneus diadematus, ermöglicht die biotechnologische Herstellung von Spinnenseidenprotein mit hohen Ausbeuten. Diese rekombinanten Seidenproteine können in verschiedene Morphologien, wie beispielsweise Fasern, Filme, Hydrogele, Schäume, Vliese und Partikel, verarbeitet werden, wodurch sich ein breites Anwendungsspektrum ergibt. Im Zusammenhang mit Tissue Engineering und regenerativer Medizin spielt häufig die spezifische Anhaftung von Zellen eine entscheidende Rolle. Da die Zelladhäsion auf unmodifizierten Spinnenseidenproteinen allerdings niedrig ist, ist es manchmal notwendig, Proteine mit Zell-interagierenden Liganden zu entwickeln. Der Fokus des Projektes liegt deswegen darauf, biokompatible Gerüste aus Spinnenseide so zu modifizieren und zu funktionalisieren, dass eine gerichtete Zell-Substrat-Interaktion ermöglicht wird. Dies kann anhand genetischer oder chemischer Kopplung und durch variierende Verarbeitungsmethoden erfolgen.

 

Abb. 2: Hydrogel bzw. Schaum aus dem rekombinanten Spinnenseidenprotein eADF4(C16).

 

Vanessa Wicklein (M.Sc.)  
0921-55 7343
vanessa.wicklein@bm.uni-bayreuth.de  
Forschungsprojekt:

Biofabrikation von biomineralisierten 3D Protein-Gradientgerüsten

Eine der großen Herausforderungen der modernen Medizin ist die Regeneration von Geweben. Ein vielversprechender Ansatz ist die Herstellung von maßgeschneiderten Gewebegerüsten für die regenerative Medizin, das Tissue Engineering. Spinnenseide ist ein geeigneter Kandidat für biomedizinische Anwendungen, da sie biokompatibel und biologisch abbaubar ist und keine Immunantwort auslöst. Durch die Prozessierung von rekombvon rekombinant hergestellten Spinnenseidenprotein zu Hydrogelen können 3D-Gerüste für biomedizinische Anwendungen  gedruckt werden. In diesem Zusammenhang sollen in diesem Projekt Gradientenmaterialien für den Sehnenersatz hergestellt und untersucht werden. Dabei spielt, wie beim natürlichen Vorbild, eine gerichtete Biomineralisation des Gradientmaterials eine entscheidende Rolle.