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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie, 75. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie, 97. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie, 52. Tagung des Berufsverbandes der Fachärzte für Orthopädie und Unfallchirurgie

25. - 28.10.2011, Berlin

Kollagen I-Nanofaser-Scaffolds - Einfluß der Anisotropie auf die tenogene Differenzierung mesenchymaler Stammzellen

Meeting Abstract

  • R. Broermann - Orthopädische Klinik König-Ludwig-Haus, Abt. Tissue Engineering/Regenerative Medizin, Universität Würzburg, Würzburg, Germany
  • R. Hallinger - Orthopädische Klinik König-Ludwig-Haus, Abt. Tissue Engineering/Regenerative Medizin, Universität Würzburg, Würzburg, Germany
  • O. Pullig - Orthopädische Klinik König-Ludwig-Haus, Abt. Tissue Engineering/Regenerative Medizin, Universität Würzburg, Würzburg, Germany
  • M. Rudert - Orthopädische Klinik König-Ludwig-Haus, Abt. Tissue Engineering/Regenerative Medizin, Universität Würzburg, Würzburg, Germany
  • U. Nöth - Orthopädische Klinik König-Ludwig-Haus, Abt. Tissue Engineering/Regenerative Medizin, Universität Würzburg, Würzburg, Germany
  • L. Rackwitz - Orthopädische Klinik König-Ludwig-Haus, Abt. Tissue Engineering/Regenerative Medizin, Universität Würzburg, Würzburg, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie. 75. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie, 97. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie, 52. Tagung des Berufsverbandes der Fachärzte für Orthopädie. Berlin, 25.-28.10.2011. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2011. DocGR19-1410

DOI: 10.3205/11dkou515, URN: urn:nbn:de:0183-11dkou5156

Published: October 18, 2011

© 2011 Broermann et al.
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Fragestellung: Da sich natives Sehnengewebe durch eine hohe Anisotropie der Kollagen I-Fasern auszeichnet kommt dem Scaffold-Design im Rahmen zell-basierter Strategien zur Sehnenrekonstruktion eine zentrale Rolle zu. Für die Herstellung von biomimetischen Scaffolds für die Sehnenerekonstruktion wurde der Electrospinning-Prozeß von Kollagen I derart modifiziert, daß sich die Anordnung der enstehenden Kollagen I-Nanofasern beeinflussen lässt. So konnte die Bedeutung unterschiedlich hoher Anisotropie (Ausrichtung der Kollagen-Nanofasern) auf die tenogene Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen (MSZ) untersucht werden.

Methodik: Kollagen I wurde unter Verwendung eines frei gelagerten Metallzylinders mit stufenlos einstellbarer Rotationsgeschwindigkeit (0,3 bis 10 m/s) elektrogesponnen. Der Effekt der Rotationsgeschwindigkeit auf die Nanofaserausrichtung wurde elektronenmikroskopisch analysiert und die Scaffolds auf ihre Zugfestigkeit mechanisch getestet. MSZ-besiedelte (2 x 105 MSZ/Scaffold) Nanofaserscaffolds mit wurden über 14 Tage in serumhaltigen Zellkulturmedium statisch inkubiert. Zu definierten Zeitpunkten wurde die Zellproliferation (DNA-Gehalt), -orientierung, ligamentogene Markergenexpression (RT-PCR: u.a. Scleraxis, Elastin, Col I) und die Anordnung des Zytoskeletts (Aktin-/Tubulin) untersucht.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit des Zylinders kam es zu einer höheren Anisotropie (>90% parallele Kollagenfaserausrichtung bei 9 m/s) und Zugfestigkeit (2,8 MPa bei >90% Ausrichtung) der Kollagen I-Nanofasern. Die unterschiedlich hohe Anisotropie der Nanofaserscaffolds hatte keinen signifikanten Effekt auf die Zellproliferation. Drei Tage nach der Zellbesiedlung zeigten die MSZ auf den ausgerichteten Nanofasern eine elongierte, fibroblasten-artige Zellmorphologie mit paralleler Ausrichtung der Zellachse und des Zytoskeletts zu den Nanofasern. Im Gegensatz dazu zeigten MSZ auf nicht ausgerichteten Nanofasern (0,3 m/s) ein ungeordnetes Zytoskelett und eine willkürliche Zellausrichtung zum Faserverlauf. In Scaffolds mit hoher Anisotropie konnte eine frühere und stärkere Expression der tenogenen Markergene (Scleraxis, Elastin, Col I) in MSZ nachgewiesen werden.

Electrospinning unter Verwendung eines rotierenden Kollektors ermöglicht die Herstellung von Kollagen I-Nanofaserscaffolds mit hoher Anisotropie, ähnlich dem architektonischen Aufbau der Extrazelularmatrix in nativen Sehnen. Die Nanofaseranordnung hat einen entscheidenden Einfluss auf die Zellmorphologie, -ausrichtung und die tenogene Markergenexpression von MSZ. Die Berücksichtigung von Ultrastruktur und biochemischer Zusammensetzung des Zielgewebes bei der Scaffoldherstellung ist ein entscheidender Parameter in der Entwicklung MSZ-basierter Strategien zur Sehnenrekonstruktion.