Biofabrikation
Biofabrikation ist ein interdisziplinäres Forschungsfeld mit dem Ziel, funktionelle Gewebekonstrukte zu generieren. Die Grundkomponenten hierfür sind Zellen, Matrixmaterialien und Wachstumsfaktoren. Es werden Prinzipien und Methoden aus der Medizin, den Natur- und den Ingenieurwissenschaften kombiniert, um ein fundamentales Verständnis der Beziehung zwischen Struktur und Funktion von Gewebe zu entwickeln und anzuwenden. Notwendige Eigenschaften von Implantaten sind eine definierte 3D-Struktur, eine gewebespezifische hierarchische Morphologie und eine biokompatible biochemische Zusammensetzung.
Die Arbeitsgruppe Biofabrikation untersucht die Eignung und Verarbeitung verschiedener Biopolymere – darunter Strukturproteine – für die Geweberegeneration. Um eine präzise dreidimensionale Anordnung des Zell-Material Gerüstes zu ermöglichen, werden zudem neue zellfreundliche Biotinten für den 3D-Biodruck entwickelt. Insbesondere rekombinant hergestellte Spinnenseidenproteine werden anwendungsspezifisch modifiziert und mit Hilfe unterschiedlicher Verarbeitungsmethoden zu Filmen, Hydrogelen, Schäumen, Vliesen, und Nanofasern mit ausgerichteter Struktur und kontrollierter Topografie verarbeitet.
Abb. 1: Filme, Schäume und Nanofaser-Vliesse aus rekombinanter Spinnenseide als Gerüste für Zellen.
Research Projects
Ng, Xuen (M.Sc.)
xuen.ng(.at.)uni-bayreuth.de
0921-55 6709
Organtransplantationen sind bis dato die einzig umsetzbare klinische Lösung für die Behandlung von schwerem Organversagen. Während Leber, Niere, Herz, Pankreas und Lunge zu den am häufigsten benötigten Spenderorganen gehören, können insbesondere der Pankreas, die Lunge oder das Herz nur post mortem entnommen werden. Mit der zunehmenden Verfügbarkeit von 3D Druckverfahren und der Etablierung von induzierten pluripotenten Stammzellen entwickelte sich die biomedizinische Forschung in Richtung der Biofabrikation von künstlichem Gewebe. Zukünftig sollen so auch ganze Organe aus körpereigenen Zellen eines Patienten hergestellt werden können. Beim Herz ist die Regenerationsfähigkeit des Muskelgewebes besonders limitiert, wodurch bei Schädigung durch z.B. einen Infarkt die Organfunktion stark eingeschränkt sein kann. Dies könnte durch die Implantation von Gewebe-patches („Flicken“) kompensiert werden. Für die Fabrikation solcher künstlichen Gewebe sind insbesondere Hydrogele als Polymer-Netzwerke mit hohem Wasseranteil von besonderer Relevanz, da sie dem natürlichen Gewebe ähneln. Biopolymere wie rekombinante Spinnenseide sind gut geeignet das Verarbeitungsfenster für eine gute Prozessierbarkeit ohne Beeinträchtigung der Zellfunktion zu erweitern, da sie durch molekularbiologische Methoden modifiziert werden können und zudem in verschiedene Morphologien prozessiert werden können, darunter auch Hydrogele.
In diesem Projekt werden Verarbeitungstechniken und Biotinten auf Basis von rekombinanter Spinnenseide entwickelt, um das Drucken von Herzmuskelzellen aus induzierten Stammzellen mit komplexer hierarchischer Struktur zu erlauben.
Heinritz, Christina (M. Sc.)
christina1.heinritz(.at.)uni-bayreuth.de
0921 55-6708
Bei der Behandlung schwer geschädigter oder sogar verlorener Gewebe/Organe aufgrund von Krankheiten oder Verletzungen sind gezüchtete Gewebe eine attraktive Alternative zur Transplantation. Diese bestehen aus drei Hauptkomponenten: Zellen, einer geeigneten Gerüststruktur und Signalen wie beispielsweise Wachstumsfaktoren oder mechanische/elektrische Reize. Spinnenseidenmaterialien sind gut für eine solche Gerüststruktur geeignet, aufgrund ihrer Eigenschaften der biologischen Abbaubarkeit, Biokompatibilität und des Nicht-hervorrufens einer Immunantwort im menschlichen Körper.
Eine große Herausforderung bei der Gewebezüchtung und der Biofabrikation von 3D-Scaffolds ist die ausreichende Versorgung mit Sauerstoff und Nährstoffen, da oft ein funktionierendes Gefäßsystem fehlt. In der Natur entstehen neue Blutgefäße im frühen Embryonalstadium durch die Differenzierung von Angioblasten in Endothelzellen, ein Prozess, der auch Vaskulogenese genannt wird. Die Angiogenese beschreibt die Aussprossung von Kapillaren aus bereits bestehenden Gefäßen. In diesem Projekt soll ein hierarchisch strukturiertes Gewebe mit röhrenförmigen Elementen zur Sauerstoff- und Nährstoffversorgung hergestellt werden, das die Grundlage für eine spätere Vaskularisation der Konstrukte nach der Gewebereifung bildet. Für diesen Zweck werden rekombinante Spinnenseidenproteine unterschiedlich verarbeitet und die resultierenden Konstrukte mit Zellen besiedelt, um die natürliche Gefäßstruktur nachzuahmen.
Rajwar, Ashish (M.Sc.)
ashish.rajwar(.at.)uni-bayreuth.de
0921 55 6705
In den letzten Jahren wurde das Thema alternativer proteinbasierter Lebensmittelproduktionswege von im Labor gezüchtetem oder kultiviertem Fleisch zunehmend erforscht. Bei der Züchtung von Fleisch werden Stammzellen in einem Nährmedium angezogen und in Fett- und Muskelgewebe ausdifferenziert. Während Hackfleisch z. B. für Burger bereits marktreif hergestellt wird, ist die Kultivierung von strukturiertem Fleisch immer noch eine große wissenschaftliche Herausforderung. Das Projekt konzentriert sich auf die Herstellung eines solchen Fleischprodukts unter Verwendung von protein-basierten Matrixgerüsten. Im Laufe des Projekts werden Vorläuferzellen von Myoblasten (so genannte Myosatellitenzellen) und Adipozyten (so genannte Adipozyten-Stammzellen oder Präadipozyten) aus Rindern isoliert und in Hydrogelen und Cryogelen kultiviert.
Claussen, Julia (M.Sc.)
julia.claussen(.at.)uni-bayreuth.de
0921-55 6706
In meinem Projekt geht es darum, durchtrennte periphere Nerven wieder zu verbinden. Ziel ist es, ein selbstrollendes Transplantat zu entwickeln, das stimuli-responsiv Nervenstümpfe umschließt und die Nervenregeneration fördert. Das Transplantat soll die Transdifferenzierung von Schwann-Zellen in ihre Reparaturfunktion fördern, um die Axone des beschädigten Nervs zu leiten.
Das Projekt vereint Biomaterialforschung und Zellkultur. Zum einen soll ein Polysaccharid-basiertes selbst-rollendes Konstrukt mit ausgerichteten, elektro-gesponnenen Proteinfasern aus rekombinant hergestellter Spinnenseide entwickelt werden. Zum anderen werden diese Konstrukte in Zellkulturexperimenten getestet, dabei wird die Lebensfähigkeit, Proliferation, Morpholgie und Adhärenz von Schwann-Zellen untersucht. Des Weiteren soll eine Co-Kultur mit Nervenzellen mit aktivierbarem Neuritenwachstum etabliert werden, um das komplexe Zusammenspiel von Schwann-Zellen und Neuronen in den Biomaterialkonstrukten zu untersuchen.
Hahn, Jonas (M. Sc.)
jonas.hahn(.at.)uni-bayreuth.de
0921 55-6707
Der Projekttext wird derzeit überarbeitet
| 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).
Publications
Bargel H., Scheibel T.
A bio-engineering approach to generate bioinspired (spider) silk protein-based materials
AT-Automatisierungstechnik, 2024, 72, 657-665.
Troßmann, V. & Scheibel, T.
Spider silk and blend biomaterials: recent advances and future opportunities
Silk-Based Biomaterials for Tissue Engineering, Regenerative and Precision Medicine. Woodhead Publishing Series in Biomaterials 2024, Pages 133-190
Charlotte Hopfe, Bryan Ospina-Jara, Thilo Schulze, Marta Tischer, Diego Morales, Vivien Reinhartz, Rashin Esghi Esfahani, Carlos Valderrama, José-Pérez-Rigueiro, Christoph Bleidorn, Heike Feldhaar, Jimmy Cabra-Garcia & Thomas Scheibel
Impact of environmental factors on spider silk properties
Lang, G., Grill, C. & Scheibel, T.
Site-specific functionalization of recombinant spider silk Janus fibers
Shakir Zainuddin & Thomas Scheibel
Continuous yarn electrospinning
Matthias Völkl, Valérie Jérome, Alfons Weig, Julia Jasinski, Nora Meides, Peter Strohriegl, Thomas Scheibel & Ruth Freitag
Pristine and artificially-aged polystyrene microplastic particles differ in regard to cellular response
Sawan Shetty, Selvakumar Murugesan, Sahar Salehi, Alexandra Pellert, Melanie Scheibel, Thomas Scheibel & Srinivasan Anandhan
Evaluation of piezoelectric behavior and biocompatibility of poly(vinylidene fluoride) ultrafine fibers with incorporated talc nanosheets
Nicholas J. Chan, Sarah Lentz, Paul A. Gurr, Thomas Scheibel & Greg G. Qiao
Mimicry of silk utilizing synthetic polypeptides
Sarah Lentz, Vanessa T. Troßmann, Christian B. Borkner, Vivien Beyersdorfer, Mrkus Rottmar & Thomas Scheibel
Structure−Property Relationship Based on the Amino Acid Composition of Recombinant Spider Silk Proteins for Potential Biomedical Applications
Vanessa T. Troßmann, Stefanie Heltmann-Meyer, Hanna Amouei, Harald Wajantm, Raymund E. Horch, Dominik Steiner & Thomas Scheibel
Recombinant Spider Silk Bioinks for Continuous Protein Release by Encapsulated Producer Cells
Hendrik Bargel, Vanessa Troßmann, Christoph Sommer & Thomas Scheibel
Bioselectivity of silk protein-based materials and their bio-inspired applications
Vanessa J. Neubauer, Florian Hüter, Johannes Wittmann, Vanessa T. Troßmann, Claudia Kleinschrodt, Bettina Alber-Laukant, Frank Rieg & Thomas Scheibel
Flow Simulation and Gradient Printing of Fluorapatite- and Cell-Loaded Recombinant Spider Silk Hydrogels
Julia Jasinski, Magdalena V. Wilde, Matthias Voelkl, Valérie Jerôme, Thomas Fröhlich, Ruth Freitag und Thomas Scheibel
Tailor-Made Protein Corona Formation on Polystyrene Microparticles and its Effect on Epithelial Cell Uptake
Sarah Lentz, Vanessa T. Troßmann & Thomas Scheibel
Selective Topography Directed Cell Adhesion on Spider Silk Surfaces
Mirjam Hofmaier, Mikhail Malanin, Eva Bittrich, Sarah Lentz, Birgit Urban, Thomas Scheibel, Andreas Fery & Martin Müller
β‑Sheet structure formation within binary blends of two spider silk related peptides
Vanessa T. Trossmann & Thomas Scheibel
Design of Recombinant Spider Silk Proteins for Cell Type Specific Binding
Martin Reimer, Kai Mayer, Daniel Van Opdenbosch, Thomas Scheibel, & Cordt Zollfrank
Biocompatible Optical Fibers Made of Regenerated Cellulose and Recombinant Cellulose-Binding Spider Silk
Lamberger, Z., Zainuddin, S., Scheibel, T. & Lang, G.
Polymeric Janus Fibers
Saric, M. & Scheibel, T.
Two-in-One Spider Silk Protein with Combined Mechanical Features in All-Aqueous Spun Fibers
D. Stengel, M. Saric, H. R. Johnson, T. Schiller, J. Diehl, K. Chalek, D. Onofrei, T. Scheibel, G. H. Holland
Tyrosine’s Unique Role in the Hierarchical Assembly of Recombinant Spider Silk Proteins: From Spinning Dope to Fibers
Herold H.M., Döbl A., Wohlrab S., Humenik M., Scheibel T.
Designed Spider Silk-Based Drug Carrier for Redox- or pH-Triggered Drug Release
Biomacromolecules 21, 4904-4912
Schwarzer, M. Brehm, J., Vollmer, M., Jasinski, J., Xu, C., Bin Zainiddin, S., Frazöhlilch, T., Schott, M., Greiner, A., Scheibel, T. &Laforsch, C.
Shape, size, and polymer dependent effects of microplastics on Daphnia magna
Hazardous Materials, 436, 2022
Chan, N., Lentz, S., Gurr, P., Tan, S., Scheibel, T. & Qiao G.
Vernetzte Polypeptide durch RAFT-vermittelte Polymerisation zum kontinuierlichen Aufbau von Polymerfilmen
Angewandte Chemie, 2021
Riedl, S., Völkl, M., Holzinger, A., Jasinski, J., Jerome, V., Scheibel, T., Feldhaar, H. & Freitag, R.
In vitro cultivation of primary intestinal cells from Eisenia fetida as basis for ecotoxicological studies
Ecotoxicology, 2021
Koeck, K. S., Salehi, S., Humenik, M. & Scheibel, T.
Processing of Continuous Non-Crosslinked Collagen Fibers for Microtissue Formation at the Muscle-Tendon Interface
Advanced functional Materials, 2021
Ramsperger, A., Jasinski, J., Völkl, M., Witzmann, T., Meinhart, M., Jerome, V., Kretschmer, W., Freitag, R., Senker, J., Fery A., Kress, H., Scheibel, T. & Laforsch, Ch.
Vermeintlich identische Mikroplastikpartikel unterscheiden sich wesentlich in ihren Materialeigenschaften, die Partikel-Zell-Interaktionen und zelluläre Reaktionen beeinflussen.
Hazardous Materials, Jahrgang 425, 05.03.2022
Lechner, A., Trossmann, V. & Scheibel, T.
Impact of Cell Loading of Recombinant Spider Silk Based Bioinks on Gelation and Printability
Macromol. Biosci. 2021, 2100390
Laomeephol, Ch., Vasuratna, A., Ratanavaraporn, J., Kanokpanont, S., Luckanagul, J., Humenik, M. Scheibel, Th. & Damrongsakkul, S.
Auswirkungen von blended Bombyx mori Silk Fibroin und rekombinanten Spider Silk Fibroin Hydrogels auf das Zellwachstum
Polymers 2021, 13, 4182
Sonnleitner, D., Sommer, Ch., Scheibel, T. & Lang, G.
Ansätze zur Hemmung der Biofilmbildung unter Verwendung natürlicher und künstlicher Seidenmaterialien
Matereials Science & Engineering, Jahrgang 131, Dezember 2021
Jasinski, J., Völkl, M., Jérome, V., Scheibel, T. & Freitag, R.
Noxic effects of polystyrene microparticles on murine macrophages and epithelial cells
Scientific Reports 11, online 03.08.2021
Steiner, D., Winkler, S., Heltmann-Meyer, S., Troßmann, V., Fey, T., Scheibel, T., Horch, R. & Arkudas, A.
Enhanced vascularization and de novo tissue formation in hydrogels made of engineered RGD-tagged spider silk proteins in the arteriovenous loop model
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Chitosan-based nanocomposites for medical applications
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Esser, T. U., Trossmann, V. T., Lentz, S., Engel, F. B. & Scheibel, T.
Designing of spider silk proteins for human induced pluripotent stem cell-based cardiac tissue engineering
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Microbial repellence properties of engineered spider silk coatings prevent biofilm formation of opportunistic bacterial strains
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Röber, M., Scheibel, Th. & Börner, H. G.
Toward Activatable Collagen Mimics: Combining DEPSI “Switch” Defects and Template-Guided Self-Organization to Control Collagen Mimetic Peptides
Macromol Biosci, online May 2021
Röber, M., Scheibel, Th. & Börner, H. G.
Toward Activatable Collagen Mimics: Combining DEPSI “Switch” Defects and Template-Guided Self-Organization to Control Collagen Mimetic Peptides
Macromol Biosci, online May 2021
Sommer, Ch., Bargel, H., Raßmann, N. & Scheibel, Th.
Microbial repellence properties of engineered spider silk coatings prevent biofilm formation of opportunistic bacterial strains
Neubauer, V., Kellner, Ch., Gruen, V., Schenk, A. & Scheibel, T.
Recombinant major ampullate spidroin-particles as biotemplates for manganese carbonate mineralization
Multifunct. Materials, 2021, 4 014002
Neubauer, V., Döbl, A. & Scheibel, T.
Silk-based materials for hard tissue engineering
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Strassburg, St., Mayer, K. & Scheibel, T.
Functionalization of biopolymer fibers with magnetic nanoparticles
Physical Sciences, online Jan. 21
Saric, M., Eisoldt, L., Döring, V. & Scheibel, T.
Interplay of different Major Ampullate spidroins during assembly and implications for fiber mechanics
Advanced Materials, online Jan. 2021
Hofmaier, M., Urban, B., Lentz, S., Borkner, C., Scheibel, T., Fery, A. & Müller, M.
Dichroic Fourier Transform Infrared Spectroscopy characterization of the β-sheet orientation in spider silk films on silicon substrates
Journal of Physical Chemystry, online Jan. 2021
Humenik, M., Winkler, A. & Scheibel, T.
Patterning of protein-based materials
Biopolymers, 2020; online Dec. 2020
Bargel, H., Hopfe, Ch. & Scheibel, T.
Proteinfasern als Hochleistungsmaterial
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Müller, F., Bin Zainuddin, M. S. & Scheibel, T.
Roll-to-Roll production of spider silk nanofiber nonwoven meshes using centrifugal electrospinning for filtration applications
Molecules 2020, 25(23), 5540
Hopfe, Ch., Ospina-Jara, B., Scheibel, Th. & Cabra-Garcı´, J.
Ocrepeira klamt sp. n. (Araneae: Araneidae), a novel spider species from an Andean páramo in Colombia
PLOS One
Neubauer, V. & Scheibel, T.
Spider silk fusion proteins for controlled collagen binding and biomineralization
ACS Biomaterials Science & Engineering 2020 6 (10), 5599-5608
Kumari, S., Lang, G., DeSimone, E., Spengler, C., Trossmann, V., Lücker, S., Hudel, M., Jacobs, K., Krämer, N. und Scheibel, T.
Data for microbe resistant engineered recombinant spider silk protein based 2D and 3D materials
Data in Brief, Vol. 32, Okt.2020
Haynl, C., Vongsvivut, J., Mayer, K., Bargel, H., Neubauer, V., Tobin, M., Elgar, M. & Scheibel, T.
Free‑standing spider silk webs of the thomisid Saccodomus formivorus are made of composites comprising micro‑ and submicron fiber
Sci Rep, 10, 17624 (2020)
Müller, F., Jokisch, S., Bargel, H. & Scheibel, T.
Centrifugal electrospinning enables the production of meshes of ultrathin polymer fibers
ASC Applied Polymer Materials, 2020 2 (11), 4360-4367
Mathilde Lefevre, Patrick Flammang , A. Sesilja Aranko , Markus B. Linder , Thomas Scheibel , Martin Humenik , Maxime Leclercq , Mathieu Surin , Lionel Tafforeau, Ruddy Wattiez, Philippe Leclère, Elise Hennebert
Sea star-inspired recombinant adhesive proteins self-assemble and adsorb on surfaces in aqueous environments to form cytocompatible coatings
Scheibel T., Bell S., Walke S.
S. cerevisiae and sulfur – a unique way to deal with the environment
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Hsp90 proteins – The Hsp90 Family
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Thomas Scheibel
Spider silk-based biomaterials: a new opportunity for product development in many industries
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Surface modification of spider silk particles to direct biomolecular corona formation
Kramer J. P. M., Aigner T. B., Petzold J., Roshanbinfar K., Scheibel T., Engel F. B.
Recombinant spider silk protein eADF4(C16)-RGD coatings are suitable for cardiac tissue engineering
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Copolymer clay nanocomposites for biomedical applications
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Functionalized DNA spider silk nanohydrogels for controlled protein binding and release
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Nerve guidance conduit design based on self-rolling tubes
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Salehi S., Koeck K., Scheibel T.
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Assessment of the ATP binding properties of Hsp90
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ATP binding properties of human Hsp90
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Scheibel T., Siegmund H. I., Jaenicke R., Ganz P., Lilie H., Buchner J.
The charged region of Hsp90 modulates the function of the N-terminal domain
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The Hsp90 complex – a super-chaperone machine as a novel drug target
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Two chaperone sites in Hsp90 differing in substrate specificity and ATP dependence
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Facile photochemical modification of silk protein-based biomaterials
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Electroconductive biohybrid hydrogel for enhanced maturation and beating properties of engineered cardiac tissues
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Coacervation of the recombinant Mytilus galloprovincialis foot protein-3b
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Modulating the collagen triple helix formation by switching: Positioning effects of depsi-defects on the assembly of [Gly-Pro-Pro]7 collagen mimetic peptides
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Universal nanothin silk coatings via controlled spidroin self-assembly
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Recombinant production of mussel byssus inspired proteins
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Hofmann E., Krüger K., Haynl C., Scheibel T., Trebbind M., Förster S.
Microfluidic nozzle device for ultrafine fiber solution blow spinning with precise diameter control
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Engineered Collagen: A redox switchable framework for tunable assembly and fabrication of biocompatible surfaces
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Lucke M., Mottas I., Herbst T., Hotz C., Römer L., Schierling M., Slotta U., Spinetti T., Scheibel T., Winter G. T., Bourquin C., Engert J.
Engineered spider silk hybrid particles as delivery system for peptide vaccines
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Recombinant spider silk hydrogels for sustained release of biologicals
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Routes towards novel collagen-like biomaterials
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Altering silk film surface properties through Lotus-like mechanisms
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Biomimetic spider silk fibres: from vision to reality
The Biochemist, 40: 4 – 7
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In-vivo coating of bacterial magnetic nanoparticles by magnetosome expression of spider silk-inspired peptides
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Haug M., Reischl B., Prölß G., Pollmann C., Buckert T., Keidel C., Schürmann S., Hock M., Rupitsch S., Heckel M., Pöschel T., Haynl C., Kiriaev L., Head S. L., Friedrich O., Scheibel T.
The MyoRobot: A novel automated biomechatronics system to assess voltage/Ca2+ biosensors and ctive/passive biomechanics in muscle and biomaterials
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Silk nanofibril self-assembly versus electrospinning
Wiley Interdiscip. Rev.: Nanomed. Nanobiotechnol., 10: e1509
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Inspirationen für mechanisch stabile Materialien aus der Natur – Von Gräsern über Spinnenseide bis zu Kieselalge
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Einsatz von Biomaterialien in Filtersystemen
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