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Kleine Fäden – großes Wachstum: Scaffolds elektro-spinnen

| Autor/ Redakteur: / Kathrin Schäfer

Beim Elektro-Spinning werden künstliche Gewebestrukturen funktionsbezogen hergestellt und konditioniert. Auf dem Weg dorthin gilt es, eine Vielzahl an Parametern zu beachten.

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Scaffolds stellt Statice nicht nur in verschiedenen Formen her, sondern – je nach Anwendung – auch aus unterschiedlichen Polymeren.
Scaffolds stellt Statice nicht nur in verschiedenen Formen her, sondern – je nach Anwendung – auch aus unterschiedlichen Polymeren.
(Bild: Agence DER Lydie_Besançon / Statice)

Die künstliche Herstellung unterschiedlicher Gewebestrukturen eröffnet im Gebiet der regenerativen Medizin breite Anwendungsmöglichkeiten. So kommt es beim Tissue Engineering darauf an, Oberflächenmaterialien wie Haut oder auch Knorpel in erster Linie zweidimensional in der Fläche wachsen zu lassen, zum Beispiel nach Verletzungen oder Verbrennungen. Mit dreidimensionalen Scaffolds lassen sich Herzklappen oder Teile von Organen rekonstruieren. „Zellen wachsen außerhalb ihrer natürlichen Umgebung nur eingeschränkt in dreidimensionale Strukturen. Das Scaffold-Material als Stützstruktur muss deshalb insbesondere das mehrdimensionale Wachstum ermöglichen“, erklärt in diesem Zusammenhang Benoit Studle, Vorstandssprecher von Statice.

Scaffolds werden selten vom Körper abgestoßen

Der Vorteil solcher Implantate ist sehr naheliegend: Weil sich das neue Gewebe aus Zellen der jeweiligen Patienten entwickelt, wird es selten abgestoßen. Eine medikamentöse Therapie, wie sie bei Fremdtransplantationen erforderlich ist, kann demnach entfallen. Welche Variablen mit welcher Zielsetzung beeinflusst werden können, um das bestmögliche Scaffold beziehungsweise Gerüst für die geplante Anwendung zu realisieren, weiß man bei der Firma Statice in Besançon. Zusammen mit Kunden übersetzt der französische Entwicklungsdienstleister und Hersteller mikromechanischer Systeme die Möglichkeiten des Elektro-Spinnings in Medizinprodukte.

Dank langjähriger Erfahrung durch Forschungs- und Entwicklungsprojekte mit Universitäten und Industriekunden sowie durch die Einbindung in zwei große europäische Forschungsprojekte ist Statice in der Lage, mit dem eigenen Maschinenpark prozesssicher sogar schlauchförmige Scaffolds unterschiedlicher Durchmesser zu produzieren. Sie sind in der regenerativen Medizin Grundlage für die Rekonstruktion von Blutgefäßen, daneben gibt es zahlreiche Ansätze zur Rekonstruktion der Luft- und der Speiseröhre.

Achtung: Wann unterliegen Scaffolds dem Arzneimittelrecht?

„Für die unterschiedlichen Gerüststrukturen erweisen sich unterschiedliche Materialien als geeignet“, erläutert Studle. Das bezieht sich einerseits auf die Art und Zusammensetzung der verwendeten Polymere im Hinblick auf die gewünschte Dimensionalität, andererseits auf die zu erzielende Oberflächenstruktur: „Scaffolds führen besonders dann zum Erfolg, wenn Anordnung und Struktur sowie die Oberfläche der natürlichen Umgebung der Zellen, die sich auf dem Gerüst ansiedeln sollen, möglichst ähnlich sind.“

Unbedingt zu beachten ist die passende Oberflächenspannung, die ebenfalls möglichst der natürlichen Umgebung entsprechen sollte und über das grobe Raster hydrophil/hydrophob hinausgeht. Passende Oberflächenspannung hilft, bestimmte Zelltypen von einer Ansiedlung fernzuhalten oder anzulocken. Die Zugabe natürlicher Stoffe wie etwa Kollagen kann den Zellaufbau ebenfalls unterstützen. Grundsätzlich sind natürliche von chemischen oder industriell hergestellten Polymeren zu unterscheiden, wobei natürliche Bio-Polymere in der Regel in der Medizintechnik Verwendung finden.

Gleichzeitig lässt sich die Art der Zellen, die sich an den Fasern ansiedeln sollen, durch die Beimischung entsprechender Peptide fördern. Welches Verfahren gewählt wird, um die Peptide gleichsam als Lockstoffe der Polymerformulierung beizumischen und sie im eigentlichen Spinningprozess zu erhalten, wird im konkreten Projektverlauf entschieden. Gleichzeitig bewirkt die naturnahe Beschaffenheit der Scaffold-Struktur- und Oberfläche, dass die Ansiedlung nicht erwünschter Zellen, zum Beispiel aus dem Sektor der Immunabwehr, möglichst gering gehalten wird. Prinzipiell sind zellfreie oder mit Zellen dotierte Scaffolds technisch möglich. Der entscheidende Unterschied neben der Wirkungsweise: Zellfreie Scaffolds gelten als medizintechnisches Produkt, während dotierte Scaffolds dem Arzneimittelrecht unterliegen und entsprechend umfangreichere Prüf- und Zulassungsprozedere absolviert werden müssen. „Auch in dieser Frage sollte man sich früh im Entwicklungsprozess im Klaren darüber sein, welchen Weg man beschreiten möchte“, sagt Studle.

Scaffolds als Drug-Delivery-Systeme arbeiten lassen

Elektrogesponnene mikro- oder nanoskalige Polymerfasern bieten sich außerdem als Trägermaterialien für aktive Moleküle an, da sie bei entsprechender Materialzusammensetzung Leitfähigkeit zum Beispiel für elektrische Signale besitzen. Signale können so in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden. „Diese Moleküle können mit dem Wirkstoff direkt in die Polymermischung vor dem Spinning-Prozess eingebracht werden – oder sie werden im Anschluss auf die Oberfläche aufgebracht“, benennt Studle zwei Möglichkeiten. Wie bei den Peptiden bedarf es bei Wirkstoffen eines exakt angepassten Spinning-Prozesses (zum Beispiel unter kontrollierten Bedingungen der relativen Luftfeuchtigkeit und Temperatur) sowie exakt definierter Polymerformulierungen, damit eingeschlossene Wirkstoffe zur Wundheilung, antibakterielle oder antivirale Wirkstoffe kontinuierlich an das umliegende Gewebe abgegeben werden und das Scaffold als Drug-Delivery-System arbeitet.

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