Implantate: Zellulose mit Blindenschrift für Zellen

20. Januar 2015
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Künstliche Implantate rufen häufig Komplikationen hervor, da der Körper sie als fremde Objekte erkennt. Bakterielle Zellulose mit spezifischer Oberflächenstruktur liefert eine Möglichkeit, die Implantate so zu umhüllen, dass Abstoßungsreaktionen signifikant vermindert werden können.

Das menschliche Immunsystem unterscheidet Körpereigenes von Körperfremdem. Was zur Abwehr von Krankheitserregern sehr nützlich ist, wird zum Problem, wenn ein Patient ein künstliches Implantat braucht, zum Beispiel einen Herzschrittmacher oder eine Herzpumpe. So reagiert der Körper in manchen Fällen mit einer Entzündung oder gar mit Abstoßung des Geräts. Forscher der ETH Zürich stellen nun eine vielversprechende Methode vor, ein Material, mit dem sich solche Geräte umhüllen ließen, besonders gut verträglich zu machen: Die Methode ermöglicht es, Zellulose mit spezifischen dreidimensionalen Mikrostrukturen herzustellen, welche die Verträglichkeit des Materials stark verbessern.

Forscher hatten bereits früher festgestellt, dass Zellen besser mit strukturierten Oberflächen interagieren und sich an diese heften können als mit glatten. Bisher war es jedoch nicht möglich, solche Oberflächenstrukturen auf von Bakterien produzierter Zellulose anzubringen. Bakterielle Zellulose ist in den letzten Jahren in den Fokus des Forschungsinteresses gerückt, da sie haltbar, anpassungsfähig und im Körper gut verträglich ist. So werden zum Beispiel bereits künstliche Blutgefäße oder Knorpelersatz daraus hergestellt und für ihren Einsatz in der Praxis geprüft. Auch für Wundverbände ist das flexible Material interessant.

Einem Forschungsteam um Professor Dimos Poulikakos von der ETH Zürich und Aldo Ferrari, Gruppenleiter am Labor für Thermodynamik in Neuen Technologien, gelang es nun, bakterielle Zellulose mit spezifischer Oberflächenstruktur herzustellen. Dazu benutzen sie eine Silikonform mit dreidimensionalem, optimiertem Muster (in diesem Fall ein Linienraster) im Mikrometerbereich. Diese Form lassen sie auf der Oberfläche einer Nährlösung schwimmen, in welcher die zelluloseproduzierenden Bakterien wachsen. Die Bakterien bauen am Übergang zwischen Flüssigkeit und Luft ein dichtes Netz aus Zellulosesträngen auf. In Anwesenheit der Silikonform passten sie sich an diese an und produzierten eine Zelluloseschicht samt dem Negativabdruck des Linienrasters.

Oberflächenstruktur vermittelt Zellen Signale

Das Linienraster brachte die Bakterien außerdem dazu, die Zellulosestränge vermehrt in der ungefähren Ausrichtung des Rasters herzustellen. „Menschliche Zellen haben grundsätzlich die Fähigkeit, Fasern zu erkennen, zum Beispiel das körpereigene Kollagen […]“, erklärt Aldo Ferrari. Die Zellulosestränge und das Rastermuster böten Zellen somit eine Orientierung entlang von vorgegebenen Bahnen, die sie erspüren. „Für Wundpflaster ist das von großem Vorteil. So könnten Hautzellen eine Wunde besser verschließen, wenn sie sich entlang solch strukturierter Zellulose bewegen.“ Die Struktur bliebe sogar erhalten, wenn man das Material zur Aufbewahrung trockne und kurz vor der Anwendung wieder befeuchte.

Es sei nun möglich, der Zelluloseoberfläche schon bei ihrer Herstellung eine Nachricht für die später darauf wachsenden Zellen mitzugeben, erklärt Poulikakos. „Man kann sich das wie Blindenschrift vorstellen.“ So lasse sich die optimale „Nachricht“ passend für die spätere Anwendung auf der Oberfläche anbringen.

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Eine Beschichtung aus mikrostrukturierter Zellulose – wie der dargestellten Schicht mit Linienraster – könnte Implantate verträglicher machen. © Illustration: Ben John Newton

Weniger Entzündung dank strukturierter Oberfläche

Solche Strukturen helfen auch, Abstoßungsreaktionen des Körpers gegen das künstliche Implantat zu reduzieren: In Studien mit Mäusen verglichen die Forscher glatte mit strukturierter Zellulose und stellten fest, dass Mäuse, denen die strukturierte Zellulose unter der Haut eingesetzt worden war, signifikant weniger Anzeichen einer Entzündung aufwiesen.

Diese vielversprechenden ersten Ergebnisse verfolgen die Wissenschaftler nun weiter, um das Material unter komplexeren Bedingungen zu testen. Zum Beispiel könnten die Forscher für künstliche Blutgefäße die Zelluloseoberfläche so strukturieren, dass der Blutfluss optimiert wird und solche Gefäße weniger leicht verstopfen.

Originalpublikation:

Surface-Structured Bacterial Cellulose with Guided Assembly-Based Biolithography (GAB)
Aldo Ferrari et al.; ACS Nano, doi: 10.1021/nn5036125; 2014

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Chirurgie, Kardiologie, Medizin

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