Melt Electrospinning Writing: Polymerfasern für das Tissue Engineering

Interview mit Prof. Paul Dalton, fmz - Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe für Medizin und Zahnheilkunde, Universität Würzburg

Manchmal muss Weichgewebe in unserem Körper infolge einer Operation oder Verletzung ersetzt werden. Chirurgen können Ersatz aber nicht immer aus einem anderen Teil des Körpers entnehmen. Dann müssen sie auf Implantate zurückgreifen. Die Herstellung weicher Implantate, die konstant so belastbar wie unser eigenes Gewebe sind, ist eine große Herausforderung.

01.02.2016

Foto: Prof. Paul Dalton

Prof. Paul Dalton; © privat

Im Interview mit MEDICA.de erklärt Prof. Paul Dalton, wie Melt Electrospinning Writing eine Lösung dafür sein kann, wie aus zwei weichen Komponenten ein widerstandsfähiges Kompositmaterial für den Knorpelersatz entsteht und wie Implantate in Zukunft direkt im Krankenhaus produziert werden könnten.

Prof. Dalton, was genau ist Melt Electrospinning Writing?

Prof. Paul Dalton: Bei diesem Herstellungsprozess ziehen wir mit elektrischen Feldern sehr feine Polymerfasern aus einer Polymerschmelze. Wenn diese Fasern abgekühlt sind, können wir mit ihnen sozusagen "malen", das heißt wir tragen Strukturen auf einem Zielobjekt auf. Das kann zum Beispiel eine flache oder röhrenförmige Oberfläche sein. Wir erforschen auch das "freie Malen" von Strukturen auf nicht-idealen Oberflächen mit komplexer Form.
Melt Electrospinning Writing ist eine 3D-Druck-Technologie. Sie ist auf sehr feine Fasern spezialisiert. Die kleinsten Durchmesser, die wir produzieren, betragen 200 nm, die größten bis zu 200 µm. Die am häufigsten genutzte Form des 3D-Drucks ist Fused Deposition Modeling, FDM. Die kleinsten Durchmesser, die man damit erreicht, sind 50 µm. Das ist ein Größenlimit für den 3D-Druck, das wir mit Melt Electrospinning Writing unterbieten können.
Foto: Druckkopf über Glasplatte

Mit diesem Drucker werden die Polymerfasern beim Melt Electrospinning Writing mit elektrischen Feldern aus der Schmelze auf die Zieloberfläche gezogen; ©Paul Dalton

Was ist der Unterschied zwischen Melt Electrospinning Writing und Solution Electrospinning?

Dalton: 99 Prozent der Forschung auf dem Gebiet des Elektrospinnens befasst sich mit dem Solution Electrospinning, das andere Prozent ist Melt Electrospinning Writing. Beim Solution Electrospinning wird Polymer zum Spinnen in einem Lösungsmittel aufgelöst. Dabei kann man aber nicht kontrollieren, wo sich die Fasern am Ende ablagern. Beim Melt Electrospinning Writing schmelzen wir fließfähige Polymere. Hier können wir am Schluss die Ablagerung der Fasern mit einer Genauigkeit von circa 2 µm kontrollieren. Beim Solution Electrospinning liegt diese Kontrolle eher in der Größenordnung von Zentimetern.

Ein weiterer Unterschied betrifft natürlich die Verwendung in Medizinprodukten. Lösungsmittel sind normalerweise flüchtig und zu einem gewissen Grad auch giftig. Es ist also ein klarer Vorteil, sie nicht im fertigen Produkt zu haben, wo sie Zellen schädigen könnten.
Foto: REM-Bild von gestapelten Fasern

Diese Kästen mit einer Kantenlänge von 250µm wurden mittels Melt Electrospinning Writing angefertigt; ©Almoataz Youssef

Sie verwenden nicht nur Polymere, sondern auch Hydrogele. Welche Rolle spielen diese?

Dalton: Im letzten Jahr haben wir ein Kompositmaterial aus Polymerfasern und Hydrogel produziert. Besonders bemerkenswert dabei ist, dass das Komposit sehr widerstandsfähig ist, während seine Komponenten individuell sehr weich sind. Wir haben das Hydrogel mit 7 Prozent Polymerfasern gemischt und so die mechanische Festigkeit des Hydrogels um das 54-fache erhöht. Das liegt alleine an der Platzierung und Anordnung der Fasern.

Dahinter steht die Idee, einen Ersatz für Knorpel in Knie und Schulter zu erzeugen. Das Hydrogel selber ist eine weiche Komponente, bietet Zellen aber eine gute Umgebung, denn es kann sie mit Nährstoffen versorgen. In Verbindung mit den Polymeren kann es wie normaler Knorpel starker mechanischer Belastung widerstehen. Dieses Komposit könnte damit eine Möglichkeit sein, Zellen zur Reparatur von Knorpel anzuregen und sie so zu ersetzen.
Foto: Durchsichtige Gewebematrix im Gegenlicht

Eine fertige Gewebematrix aus Hydrogel und Polymerfasern; ©Paul Dalton

Wie könnte eine mögliche zukünftige Anwendung des Melt Electrospinning Writings und der Materialien, die Sie damit produzieren, im Tissue Engineering aussehen?

Dalton: Sehr feine Fasern sind oft sehr weich und flexibel. Denken Sie an einen Glasstab, der bricht, wenn Sie ihn biegen wollen. Und dann vergleichen Sie ihn mit einer Glasfaser, die Sie sehr einfach verbiegen und sogar verknoten können. Diese Technologie eignet sich also gut für den Ersatz weicher und flexibler Gewebestrukturen, wie Haut, Herzpflaster oder die Heilung peripherer Nerven. Wir befassen uns auch mit einem künstlichen Band für die Implantation im Knie. Keines dieser Implantate würde irgendwelche Zellen enthalten. Stattdessen würde das Material sie dabei unterstützen, hineinzuwachsen, bis der Körper das Implantat völlig in sich aufgenommen hätte.

Eine eher futuristisch anmutende Anwendung der Technologie wäre der Druck direkt im Krankenhaus. Wir könnten Implantate für Patienten anpassen, die sich einer Operation unterziehen, möglicherweise sogar direkt während der Operation. Es gibt bereits Krankenhäuser, die mit 3D-Druckern ausgestattet sind. Diese werden aber eher zur Planung von Operationen genutzt. Ich halte es aber trotzdem nicht für undenkbar, in zehn Jahren Implantate direkt im Krankenhaus zu drucken und anzupassen.

Apropos zukünftige Anwendung, wie weit entwickelt ist dieser Prozess denn schon?

Dalton: Die größte Herausforderung dabei ist es vermutlich, die Produktionsmenge zu erhöhen: Natürlich wollen wir unsere Implantate gerne schneller herstellen. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir gerade Fördermittel von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AiF) erhalten.
Was die Zulassung betrifft, orientieren wir uns am FDM. Es gibt eine Firma in Singapur namens Osteopore, die mit FDM Gewebematrizen zur Reparatur von nicht-tragenden Knochendefekten herstellt. Diese Matrizen sind bereits von der amerikanischen FDA zugelassen. Ich denke, mit dem Melt Electrospinning Writing könnten wir einen ähnlichen Weg gehen, um unsere Implantate in klinische Studien zu bringen. Vorher müssen wir allerdings nachweisen können, dass unsere Implantate einen Mehrwert im Vergleich zum Status Quo des Tissue Engineerings haben. Dies müssen wir anfangs in Kleintierstudien nachweisen, die allerdings noch durchgeführt werden müssen.
Foto: Timo Roth; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview wurde geführt und aus dem Englischen übersetzt von Timo Roth.
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