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Fragestellung: Der Einsatz von geeigneten Trägermaterialien zur Behandlung von Knochendefekten mittels Tissue Engineering gewinnt zunehmend an Bedeutung. Zielstellung ist die Etablierung einer bioaktiven Matrix, mit der ein direkter Einfluss auf die Gewebeentwicklung ermöglicht werden kann. Das Elektrospinning von Nanofasern ermöglicht diese gezielte Beeinflussung der physiko-chemischen Eigenschaften polymerer Verbindungen. In der hier vorliegenden Studie wurden Polymer- und Kollagenfasermatrices mit integriertem Wachstumsfaktor hinsichtlich ihrer Eignung als Trägermaterial für Tissue Engineering Anwendungen untersucht und verglichen.

Methodik: Als zwei- bzw. dreidimensionale Trägermatrices wurde zum einen Kollagen I, sowie Poly-L-lactid auf der Basis elektrogesponnener Nanofasern eingesetzt, die je zur Hälfte mit dem Wachstumsfaktor BMP-2 (Bone Morphogenetic Protein) dotiert wurden. Nach Beimpfung der Matrix mit humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) erfolgte, im Anschluss an eine 4-tägige Proliferationszeit, die osteogene Differenzierung über einen Zeitraum von 28 Tagen. Zur Kontrolle wurden hMSC ohne Fasern kultiviert. In einer zweiten Referenzgruppe erfolgte die Kultur der hMSC ohne osteogene Differenzierung. Darüber hinaus wurden beide Fasertypen, je mit und ohne BMP, jedoch ohne Zellbesiedlung über den gleichen Zeitraum in Standard- und Differenzierungsmedium inkubiert, um den BMP-Release zu kontrollieren. Die Auswertung der Zell-Matrix-Komposite erfolgte mit Hilfe der Rasterelektronen- und Immunfluoreszenzmikroskopie, sowie PCR. Des weiteren wurden die Konzentrationen, der in regelmäßigen Abständen entnommen Kulturmediumproben, von Osteoprotegerin (OPG) und BMP mittels ELISA bestimmt.

Ergebnisse: Unsere Untersuchungen konnten zeigen, dass hMSC problemlos auf derartigen Matrices besiedelt und zu Osteoblasten differenziert werden können. Die Immunfluoreszenzfärbung der osteogenen Differenzierungsprodukte Osteocalcin, Osteopontin, Kollagen-I, und knochenspezifische alkalische Phosphatase zeigte die erfolgte osteogene Differenzierung der humanen Stammzellen in den Faserkonstrukten. In der rasterelektronenmikroskopischen Untersuchung konnte eine deutlich dreidimensionale Besiedelung der Matrix festgestellt werden. Auch die quantitative Bestimmung der Osteoprotegerin-Konzentration im Mediumüberstand (ELISA) zeigte signifikante Unterschiede im Verlauf der osteogenen Differenzierung.

Schlussfolgerung: Die Technologie des Elektrospinnings zur Herstellung von biodegradierbaren Nanofasern ermöglicht die Entwicklung völlig neuartiger Biomaterialien. Durch die Variierung der Herstellungsbedingungen, können die physiko-chemischen Eigenschaften der Nanofasern in weitem Umfang modifiziert werden. Zusätzliche Dotierung der Fasern mit Wachstumsfaktoren erlaubt die Entwicklung bioaktiver Scaffolds.

Somit erfüllen elektrogesponnene Nanofasern grundlegende Voraussetzungen für die Synthese gewebsadaptierter Matrices im Rahmen des Tissue Engineerings.