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Fragestellung: Knochendefekte kritischer Größe sind noch immer eine große Herausforderung für Chirurgen weltweit. Gut etablierte Methoden wie die autologe Knochentransplantation kommen an ihre Grenzen und neue Therapieoptionen werden dringend benötigt. Vielversprechende Lösungen bietet die Entwicklung neuer Knochenersatzmaterialien aus Biomaterialien, das sogenannte Knochen Tissue Engineering, wobei ein gefertigter Scaffold in der Lage ist, osteogene und / oder angiogene Zellen zu rekrutieren und sowohl die Osteogenese als auch die Angiogenese zu stimulieren.

Ziel dieses Projektes ist daher die Herstellung eines 3D-gedruckten Komposit-Materials mit den benötigten Eigenschaften bestehend aus Polylaktid (PLA) und Bioglass (BG) für das Knochen Tissue Engineering.

Methodik: Ein PLA/BG-Filament mit einem BG-Gehalt von bis zu 20% von dem erwartet wird, dass es Stabilität (PLA), Resorbierbarkeit (PLA/BG) und positiven Einfluss auf die Angiogenese und OSteogenese (BG) kombiniert wurde hergestellt. Mit Hilfe eines 3D-Filament-Druckers wurde ein flacher 2-Lagen Scaffold passend für Zellkultur-Wells gedruckt. Anschließend wurden in vitro Analysen mit humanen Endothelzellen (HUVEC) durchgeführt. Zunächst wurde die Proliferation der Zellen analysiert (AlamarBlue assay) und anschließend die Genexpression angiogener Marker bestimmt (RT-PCR). Die Entwicklung kapillar-ähnlicher Strukturen wurde in einem tube formation assay mit Matrigel analysiert und abschließend wurde der Einfluss des Materials auf die Bildung von Blutgefäßen in einem CAM-(chorio-allantoic-membrane) Assay untersucht.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: In einem vorhergehenden Projekt wurde der positive Einfluss des Komposit-Materials auf MSCs (mesenchymale Stammzellen) gezeigt. Im Rahmen dieses Projektes konnten wir demonstrieren, dass mit steigendem BG-Gehalt sowohl die Proliferation der endothelialen Zellen als auch die Genexpression spezifischer endothelialer Marker anstieg. Auch im tube formation assay konnte nachgewiesen werden, dass sich die Anzahl der kapillar ähnlichen Strukturen konzentrationsabhängig vermehrte. Der CAM-assay wurde daher nur noch mit den PLA-scaffolds ohne BG und mit der höchsten BG-Konzentration durchgeführt. Die Ergebnise aus den vorhergehenden Versuchen wurden bestätigt: Im Vergleich zu den PLA-Plättchen ohne BG waren sowohl die Gefäßdichte, als auch die Anzahl der Verästelungen und Verbindungsstellen bei den Plättchen mit einem BG-Gehalt von 20% deutlich erhöht.

Die Ergebnisse vorhergehender als auch der aktuellen Studie zeigen, dass das Komposit-Material bestehend aus PLA und BG keine entzündlichen Reaktionen hervorruft, aber in der Lage ist sowohl osteogene als auch angiogene Eigenschaften zu induzieren. Damit stellt es ein vielversprechendes Material für das Knochen Tissue Engineering dar und soll in einem in vivo Modell weiter evaluiert werden.