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Entwicklung von proteinbasierten biokompatiblen Keramikstrukturen für Bioreaktoren
- Abbildung 1: REM-Aufnahme eines besiedelten Schaums
- © TUB, ES 3
Einleitung und Zielstellung des Projekts:
Ziel dieses Projekts ist es, offenporige Aluminiumoxidschäume als 3D-Zellkulturträger über eine innovative und kostengünstige Technik herzustellen. Für die Anwendung in Bioreaktoren müssen die Schäume eine geeignete Morphologie, eine gute Durchströmbarkeit und mechanische Stabilität aufweisen. Der Einfluss dieser Parameter auf das Zellwachstum wird anhand der Kultivierung von tierischen und humanen Zellen geprüft. Die weiterführenden Besiedlungstests werden in einem Bioreaktor des FG Mess- und Reglungstechnik durchgeführt. Mit Hilfe ausgesuchter Biopolymere können schaumartigen Strukturen mit sehr unterschiedlichen Porositäten hergestellt werden. Das Vorbild für diese Keramikschäume liefert die Natur selbst: Der menschliche Knochen besteht im Innern aus einer lockeren, schaumartigen Substanz, aus Hydroxylapatit und Kollagen, in der sich das Knochenmark befindet. Dort siedeln die Zellen, die zu weißen oder roten Blutkörpern ausreifen. Im Labor erwies sich hierfür eine Schaumstruktur aus Aluminiumoxid als besonders geeignet (Abbildung 1). Diese Gerüststruktur (Scaffold) wird über ein innovatives Verfahren mittels Proteinen hergestellt.
Experimentelles
- Abbildung 2:REM-Aufnahmen von Querschnittsflächen der gesinterten Schaumstrukturen, die zuvor mit unterschiedlichen Proteinen unter Umgebungsdruck (a, b) oder unter Unterdruck (c, d) konsolidiert wurden
- © TUB, ES3
Um hochporöse keramische Strukturen zu erzeugen, können verschiedene Proteine während des Verschäumungsprozesses zum Einsatz kommen. Dabei legen sich die Proteine um die entstandenen Gasblasen und Stabilisieren den Schaum. Nach der im Anschluss erfolgenden Konsolidierung und dem Ausbrennen des organischen Anteils werden die Scaffolds durch einen Sinterprozess in einen mechanisch stabileren Zustand überführt. Anschließend bestehen sie ausschließlich aus Aluminiumoxid, das eine sehr hohe Biokompatibilität sowie eine hervorragende chemische und thermische Beständigkeit aufweist.
Je nachdem, welche Rohstoffe bzw. prozentuale Anteile eingesetzt und wie die Herstellungsparameter varriert werden, entstehen Scaffolds mit unterschiedlichen Porenstrukturen (Abbildung 2). Die Herstellung und Testung dieser Scaffolds unter Verwendung von Biopolymeren ist eine interdisziplinäre Zusammenarbeit der institute für Werkstoffwissenschaften und -technologien, Mess- und Regeltechnik und Lebensmitteltechnologie der TU-Berlin.