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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012)

23.10. - 26.10.2012, Berlin

Co-Elektrospinning von Polycaprolacton und Kollagen Typ II - Heteropolymere Nanofaserscaffolds für die azelluläre Knorpelrekonstruktion

Meeting Abstract

  • presenting/speaker Lars Rackwitz - Orthopädische Klinik König-Ludwig-Haus, OZMF, Abt. Tissue Engineering/Regenerative Medizin, Lehrstuhl für Orthopädie der Universität Würzburg, Würzburg, Germany
  • Ralf Hallinger - Orthopädische Klinik König-Ludwig-Haus, OZMF, Abt. Tissue Engineering/Regenerative Medizin, Lehrstuhl für Orthopädie der Universität Würzburg, Würzburg, Germany
  • Sebastian Schürlein - Orthopädische Klinik König-Ludwig-Haus, OZMF, Abt. Tissue Engineering/Regenerative Medizin, Lehrstuhl für Orthopädie der Universität Würzburg, Würzburg, Germany
  • Oliver Pullig - Orthopädische Klinik König-Ludwig-Haus, OZMF, Abt. Tissue Engineering/Regenerative Medizin, Lehrstuhl für Orthopädie der Universität Würzburg, Würzburg, Germany
  • Maximilian Rudert - Orthopädische Klinik König-Ludwig-Haus, OZMF, Abt. Tissue Engineering/Regenerative Medizin, Lehrstuhl für Orthopädie der Universität Würzburg, Würzburg, Germany
  • Ulrich Nöth - Orthopädische Klinik König-Ludwig-Haus, OZMF, Abt. Tissue Engineering/Regenerative Medizin, Lehrstuhl für Orthopädie der Universität Würzburg, Würzburg, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012). Berlin, 23.-26.10.2012. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2012. DocGR19-1518

DOI: 10.3205/12dkou490, URN: urn:nbn:de:0183-12dkou4904

Veröffentlicht: 2. Oktober 2012

© 2012 Rackwitz et al.
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Gliederung

Text

Fragestellung: Die Verfügbarkeit biomimetischer Matrices ist im Hinblick auf die steigende Bedeutung azellulärer Verfahren der Gelenkknorpelrekonstruktion, wie der autologen matrix-induzierten Chondrogenese (AMIC), von essentieller Bedeutung. Hierbei stellt die Kombination von synthetischen Polymeren mit kontrolierter hydrolytischer Biodegradation und bioaktiven Gelenknorpelproteinen einen vielversprechenden Ansatz dar. Unser Ziel war die Entwicklung biomimetischer Nanofaserscaffolds (NFS) durch Co-Elektrospinning von Polycaprolacton (PCL), als "back bone"-Struktur, und Kollagen Typ II, um eine chondroinduktive Funktionalisierung zu erreichen.

Methodik: Polycaprolacton und Kollagen Typ II wurden mit unterschiedlichen Konzentrationsverhältnissen in Hexafluoro-propanol gelöst und co-elektrogesponnen. Die Auswirkungen der unterschiedlichen Ausgangsparameter auf die resultierenden Scaffoldcharakteristika (Faserdurchmesser, Porengröße) wurden elektronenmikroskopisch analysiert und die jeweiligen biomechanischen Eigenschaften untersucht. Optimierte PCL-/Kollagen II-NFS wurden mit humanen mesenchymalen Stammzellen (MSZ) besiedelt und in einem chemisch definierten, serumfreien Medium mit (CDM+) oder ohne Zusatz (CDM-) von TGF-ß1 für 21 Tage kultiviert. Zu definierten Zeitpunkten wurde die chondrogene Markergenexpression (SOX-5/6/9, Aggrekan, Coll II etc.) mittels rt-PCR und die Akkumulation knorpelspezifischer Extrazellularmatrix (EZM) histologisch (Alzianblau, anti-Kollagen II etc.) untersucht.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: In Abhängigkeit der Ausgangskonzentrationen von PCL und Kollagen II konnten heterpolymere NFS mit mittleren Faserdurchmessern von ca. 280 - 1500 nm elektrogesponnen werden. Die Erhöhung des PCL-Anteils führte dabei zu einem größeren Faserdurchmesser und einer höheren biomechanischen Stabilität (1–18 MPa) der Konstrukte. Aufgrund der hohen ultrastrukturellen Stabilität dieser heteropolymeren NFS im Vergleich zu reinen Kollagen II-NFS war ein chemisches Crosslinking nicht notwendig. In CDM- konnte eine frühe Regulation von SOX-5/6 und -9 gezeigt werden, wobei die Expression von Aggrekan und Coll II inkonsistent war. In CDM+ konnte auf allen NFS eine chondrogene Markergenexpression und die Akkumulation knorpelspezifischer EZM nachgewiesen werden. Bei Verwendung einer PCL-Ausgangskonzentration von ≥7,5% kam es trotz einer nicht signifikant veränderten Porengröße von ca. 25 µm2 zu einer Abnahme der MSZ-Migration in die NFS.

Co-Elektrospinning von Kollagen II und PCL ermöglicht die Herstellung heteropolymerer NFS mit hoher ultrastruktureller Stabilität, die eine chondrogene Differenzierung humaner MSZ, besonders unter dem Einfluß von TGF-ß1, unterstützen. Im Rahmen einer AMIC könnte der synthetische PCL-Anteil aufgrund der Degradationskinetik eine temporäre, dreidimensionale Leitschiene für die einwandernden Zellen darstellen und die chondroinduktiven Eigenschaften des Kollagen II eine Zielgewebe-spezifische Differenzierung dieser unterstützen.