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4D-Bioprinting von vaskularisiertem Knochengewebe und Evaluation der Blutgefäß- und Knochenbildung in einem orthotopen Knochendefektmodell

Projektbild

Projektbeschreibung

Im Vorläufer-Projekt 3D-Bioprinting konnten wichtige Grundlagen für das Bioprinting von vaskularisiertem Knochengewebe geschaffen werden. So wurden zwei Hydrogele identifiziert, die in der Lage sind die relevanten Zelltypen in geeigneter Weise zu unterstützen. Des Weiteren wurde ein 3D-Bioprinter entwickelt, der verschiedene Drucktechnologien integriert. Damit wurden stabile Würfel von 1 cm Kantenlänge gedruckt. Sowohl in vitro, als auch in vivo konnte in einem subkutanen Implantationsmodell gezeigt werden, dass gedruckte Endothelzellen in der Lage sind Blutgefäße auszubilden und gedruckte mesenchymale Stammzellen eine knochenspezifische kalzifizierte Extrazellularmatrix ausbilden können. Die Steifigkeit der mittels 3D-Druck hergestellten Konstrukte entspricht ungefähr der von nativem humanen Weichgewebe (ca. 1 kPa), die von nativem Knochengewebe ist ca. 100.000-fach höher (ca. 1 x 105 kPa). Eines der Hauptziele dieses Fortsetzungsprojektes ist daher die Entwicklung eines kombinierten Druckverfahrens zum Druck von zellhaltigen Hydrogelen und stabilitätsgenerierenden Thermoplasten und/oder Kalziumphosphat-Zementen (CPC), um somit vaskularisiertes Knochenersatzgewebe drucken zu können, dessen Steifigkeit dem von nativem Knochengewebe entspricht. Das zweite Hauptziel ist die Implementierung des sog. 4D-Drucks („Zeit“ als vierte Dimension), bei dem die zeitliche und räumliche Reifung der Konstrukte gezielt gesteuert werden soll durch den zusätzlichen ortsaufgelösten Druck von Wachstumsfaktoren, Differenzierungsfaktoren und/oder zusätzlicher Zellentitäten. Das dritte Hauptziel dieses Projektes ist die in vivo Validierung der gedruckten 4D-Kombinationskonstrukte in einem physiologisch relevanten orthotopen Knochenheilungsmodell der Ratte bezüglich Vaskularisation und Knochenbildung. Hier soll insbesondere auch untersucht werden, ob sich die Quantität und/oder Qualität der Knochen- und Blutgefäßbildung über eine Modulation der E-Moduli der gedruckten Konstrukte steuern lässt.

Laufzeit

01.06.2020 bis 31.05.2023

Projektleitung

Dr. Peter Koltay (Prof. Dr. R. Zengerle)

Ansprechpartner/in

Dr. Peter Koltay
Telefon:+49 761 203-73240

Kooperationspartner

Prof. Dr. Günter Finkenzeller, Forschungs-Sektionsleiter an der Klinik für Plastische und Handchirurgie des Universitätsklinikums Freiburg Das Projekt ist angesiedelt im Freiburger Zentrum für interaktive Werkstoffe und bioinspirierte Technologien (FIT), Uni Freiburg.

Finanzierung

DFG

Schlagworte

3D-Bioprinting, 4D-Bioprinting, bone replacement, mesenchymal stem cells, endothelial cells, vascularization, tissue engineering, growth factors, drug-release system
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