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Fragestellung: Knöcherne Defekte stellen ein häufiges Problem in der Orthopädie und Unfallchirurgie dar. Ersatzverfahren mittels autologem Knochenmaterial sind durch Verfügbarkeit und Entnahmemorbidität limitiert. Transplantatmaterial wie sterilisierter Fremdknochen bringen als Limitierung eine eingeschränkte Osteoinduktivität mit.

Nanofaserscaffolds werden aktuell auf Grund ihrer Fähigkeit zur Imitierung der extrazellulären Matrix sowie der Möglichkeit durch Veränderung der Faser eine Funktionalisierung zur erreichen in verschiedensten Variationen untersucht.

In Vorarbeiten konnten wir zeigen, dass elektrogesponnene Nanofaserscaffolds als sinnvolle Matrix zur Knochenregeneration in vivo und in vitro Anwendung finden können. Allerdings zeigte sich bei dem Versuch Kollagen Typ I zur Verbesserung der Osteoinduktivität in die Fasermatrix mit einzubauen eine Reduktion der Porengröße des Scaffolds, was zu einem Ausbleiben der Besiedelung des Scaffolds führte.

Ziel dieser Studie war es daher im Rahmen eines koaxialen Verfahrens mittels Elektrospinnen und Elektrosprayen pluripotente mesenchymale Zellen des Knochenmarks direkt in das Scaffold zu integrieren.

Methodik: Nach Konstruktion einer geeigneten Anlage, die ein solches coaxiales Spinnen der Fasern und Sprayen der Zellen erlaubt, erfolgte eine intensive Optimierung des Verfahrens um suffiziente Zellzahlen und adäquate Überlebensraten zu erreichen. Metabolische Aktivität, Proliferation und osteoblastäre Differenzierung wurden in vitro analysiert.

Die Implantation zellbesiedelter PLLA und PLLA-Kollagen Scaffolds erfolgte dann in Defekte kritischer Größe der Rattenkalotte. Nach 4 Wochen erfolgte die Euthanasie der Tiere und die radiologische Analyse mittels CT sowie die Explantation und histologische Analyse der ehemaligen Defekte/Scaffolds.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Im Rahmen der Optimierung zeigten sich die Verwendung einer flüssigen Gegenelektrode sowie der Spinnabstand und das verwendete Lösungsmittel der Faserpolymere als kritische Parameter. Weitere Einflussfaktoren wie Temperatur, Spannung oder das verwendete Medium zeigten keinen relevanten Einfluss.

Sowohl in vitro als auch in vivo konnte gezeigt werden, dass beide Scaffold-Typen erfolgreich koaxial besiedelt werden konnten. Proliferation und osteoblastäre Differenzierung konnten jeweils über die Kulturdauer von 22 Tagen nachgewiesen werden.

In vivo zeigte sich nach 4 Wochen radiologisch und histologisch im Vergleich zu den zellfreien Scaffolds vorangegangener Versuche bei beiden Scaffold-Typen der Beginn einer knöchernen Durchbauung der Defekte

Förderung: Das vorliegende Projekt wurde im Rahmen der Forschungsförderung der AO Foundation unter der Nummer S-12-06P "Optimization of the electrospinning process for the production of cell seeded nanofiber scaffolds" gefördert.