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Polyurethan ein vielseitiges Scaffoldmaterial für das ein vielseitiges Scaffoldmaterial für das Tissue Engineering Dr. H. Wiese – polyMaterials AG

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Polyurethan

ein vielseitiges Scaffoldmaterial für das ein vielseitiges Scaffoldmaterial für das

Tissue Engineering

Dr. H. Wiese – polyMaterials AG

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

Einleitung: Was sind Polyurethane?

Polyurethane in der Medizin

Polyurethanscaffolds Schäume als Weichgewebescaffold

(ForTEPro & RegImplant)

Gefüllte Materialien für Knochen

(RegImplant)

Gele als injizierbare Systeme

(ForZebRA und KRI)

Struktur des Vortrags

2

(ForZebRA und KRI)

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

Polymere, in denen Bausteine durch die Urethangrupp e

verknüpft sind:

Dadurch sehr variable Eigenschaften :

hart/weich thermoplastisch/duroplastisch

Was sind Polyurethane?

3

hart/weich thermoplastisch/duroplastisch

bioabbaubar/biostabil hydrophil/hydrophob

Dadurch vielseitige Anwendungen

Schäume (Wärmeisolierung, Schalldämmung...)

Lacke (Schutzlacke, Oberflächenveredelung...)

Kleber (2 Komponentenkleber, Hotmelts, Feuchtigkeit shärtend)

Elastomere (Schuhsohlen, Räder, Federn...)

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

Erfunden 1937 von Otto Bayer

Ziel war ein Material für künstliche Fasern

Ständig wachsender Verbrauch

Was sind Polyurethane?

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Quelle: Polyurethane - Kunststoffhandbuch. 3 ed.; Hanser Fachbuch: München Wien, 1993; Vol. 7

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

klinischer Einsatz seit ca. 1965

• Wundabdeckungen und Gipsersatz

• Gewebekleber

• Katheter

• Blutgefäßersatz

• künstliche Herzklappen

• Herzschrittmacher

• Brustimplantate

Was sind Polyurethane?

5

• Brustimplantate

• künstliche Organe (Herz, Pankreas,...)

=> biostabile Materialien

• Polycarbonat- statt Polyetherurethane

• Silikonbausteine / Fluorbausteine

Bei Langzeitimplantation werden jedoch alle Materia lien

angegriffen

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

Regenerative Medizin erfordert kontrolliert abbauba re Materialien

Ebenso die kontrollierte Medikamentenfreisetzung

Die Anwender sind die Triebkraft der Materialentwic klung

Polyurethane auch hier wegen der variablen Eigensch aften gefragt

Einsatz als

• Membranen

• Schäume

Bioabbaubare Materialien

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• Schäume

• spritzgegossene Materialien

• keramikgefüllte Materialien

• Hydrogele mit Wasseranteil bis > 90%

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

Defekt

Scanning

CT

Data processing

STL

ForTEPro

7

SilikonformSilicon mold

Cell

seeding

Cell

culture

Implantation

Heilung

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

Materialanforderungen:

• bioverträglich (mit Zellen und Gewebe)

• mechanische Eigenschaften in der Größenordnung des zu ersetzenden Gewebes

• mit klinisch relevanten Methoden sterilisierbar

• baut in vivo zu unschädlichen Stoffen ab

• variable Polarität

ForTEPro / RegImplant

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• variable Polarität

• hochporös mit verbundenen Poren

• offene Oberfläche

• für Rapid Prototyping Verfahren geeignet

• variable Geometrien herstellbar

• ...

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

Polyester PUR:

• Vollständig abbaubar

• Variable mechanische Eigenschaften

• Variable Abbauzeiten

• Variable Hydrophilie

Aliphatische, kommerzielle Diisocyanate (IPDI, BDI)

• nicht cancerogen

ForTEPro / RegImplant

9

• nicht cancerogen

• Variable Abbauzeiten

• Variable Hydrophilie

Ausgewählte Additive

• biokompatibel

• Hohe Porosität, Interkonnektivität der Poren,

offene Oberfläche

• variable mechanische Eigenschaften

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

Schaumeigenschaften

• Sehr elastisch• Ca. 90% interkonnective

Poren• Oberfläche zur Form hin

ForTEPro / RegImplant

10

Hinterschnitte

Offene Oberfläche

offen• Geringer Schrumpf• Geringe Wasserquellung• Sterilisierbar

(Wasserdampf, EO)• Fühlt sich wie natürlicher

Knorpel an

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

Materialeigenschaften

20 µµµµm

4,55

5,56

6,57

PCL-PU

branched PU

ForTEPro / RegImplant

11

weeks

3

4

5

6

7

PU-foam porcine auricular cartilage

2,53

3,54

4,5

5 55 105 155

PGLA PLLA

branched PU

• Oberflächenrauhigkeit im nm-Bereich

• langsamer, aber variierbarer Abbau

• schwach-saure Abbauprodukte

• mechanische Eigenschaften in der selben Größenordnung wie Knorpel

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

Offenporiger, bioab -

x 40

Stabiles Fibrin Gel 1 mit

+•Patientenspezifische Form

•Variable mechanische Eigenschaften

•Einfache und effiziente Besiedlung mit Zellen

• Wachstumsfaktoren

Hybrid Scaffolds

ForTEPro / RegImplant

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Offenporiger, bioab -baubarer PUR-Schaum

Stabiles Fibrin Gel 1 mit Chondrocyten & Insulin

• 2K-Gießsystem

• Langsamer Abbau

• Variable mechanische Eigenschaften

• ca. 90% Porosität

• Gute Umgebung für Zellkultur

• Verkapselte Wachstumsfaktoren

• Variable Zelldichte

1 D. Eyrich, et al., Biomaterials 28 (2007) p.55-65

• Wachstumsfaktoren können zugegeben werden

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

in vivo Experimente

I. Gewebeverträglichkeit (NMRI-Mäuse)

1 und 3 Wochen

ForTEPro / RegImplant

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II. Abbauversuche (NMRI-Mäuse)

1, 3 und 6 Monate

III. Gewebebildung (NMRI (nu/nu)-Mäuse)

1, 3 und 6 Monate

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

Gewebebildung in vivoGewebebildung in Abhängigkeit von der Dauer der Vorkultur

0 Tage

7 Tage

Eine Vorkulturzeit von wenigen Tagen ist ausreichen d, um kohärente Gewebe zu erreichen. (Bovine Chondrozyten, PUR+Fibrin, Insulinzugabe. Nach der Vorkuultur Implantation in Mäuse. Explantation nach vier Wochen)Das ist vorteilhaft, weil:

• das Infektionsrisiko verringert wird

ForTEPro / RegImplant

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28 Tage

• das Infektionsrisiko verringert wird

• die Behandlungszeit verkürzt wird

• die Entwicklung des Gewebes rascher in natürlicher Umgebung erfolgt

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

•6 Wochen, bovine Zellen

•Bildung von extrazellu-lärer Matrix

•Poren vollständig gefüllt

•homogene 3D Verteilung

Collagen II

Bildung Extrazellulärer Matrix

ForTEPro / RegImplant

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•homogene 3D Verteilung der Zellen

• Bildung von Kollagen II, nur im Randbereich Kol-lagen I

•Die ECM entspricht in ihrer Zusammensetzung und Struktur den natürli-chen Knorpel im Ohr

Collagen I

Polymer

Zellen, Lacunaeextracell. Matrix

x40 x100

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

Prove of Concept

• die komplexe Form kann durch den ganzen Prozeß beibehalten werden

• Das Scaffold kann homogen mit Knorpelzellen besiedelt werden

• ein kohärentes Gewebe dessen Zusammensetzung der natürli-chen entspricht, kann gezüchtet werden (bovine Chondrocyten,

ForTEPro / RegImplant

16

werden (bovine Chondrocyten, 4 Wochen in statischer Kultur)

• Verträglichkeit mit Zellen und Geweben konnte in vivo gezeigt werden (Maus, Ratte Kaninchen, Schaf)

D. Eyrich, et al, In Vitro and in Vivo Cartilage Engineering Using a Combination of Long-Term Stable Fibrin Gels and Polycaprolactone-Based Scaffolds. Tissue Eng. 2007, 13, (9), 2207-2218

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

Knorpel (Ohr, Nase)

Fett

Knochen

Bandscheibe

Gezüchtete GewebeRegImplant

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

fett

Blutgefäße

Polymer

Fett

Gezüchtetes Fettgewebe im Kaninchen

Vaskularisierte Gewebe

• Vaskalarisation ist für fast alle Gewebetypen notwendig

• in vivo Experimente in Kaninchen und Mäusen wurden durchgeführt

RegImplant

18

Gezüchtetes Fettgewebe im Kaninchen

Neovascularisationsexperimente (Maus)

und Mäusen wurden durchgeführt

• das PUR-Material fördert die Neubil-dung von Blutgefäßen

• so können Gewebe wie Fett und Knochen regeneriert werden

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

Keramikgehalt Biegefestigkeit E-Modul

35% 5.1 MPa 950 MPa

45% 5.4 MPa 900 MPa

60% 9.1 MPa 1500 MPa

Spongiosa 5-7 MPa ca. 900 – 1000 MPa

RegImplant

Harte Materialien als Knochenersatz

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Explantation nach 6 Wochen

Dispensgeplottete Scaffolds aus 1K PUR mit Hydroxyl-apatitpartikeln (Ø wenige nm)

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

Knochen-Knorpel-Cokonstrukte (Großtierversuch)• Medizinisches Modell: Mosaikplastik beim Schaf

• Eine Kombination aus Schaum und dispensgeplottetem Gitter wird in das Knie von Schafen implantiert

• Es können bis zu vier Implantate pro Knie eingesetz t werden: Es können Vergleichsversuche durchgeführt werden

• Das Tier kann bereits wenige Tage nach der OP wiede r auf die Weide – keine haltung unter sterilen Bedingungen notwendig!

RegImplant

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– keine haltung unter sterilen Bedingungen notwendig!

• Es werden ausgewachsene Schafe eingesetzt: Natürlic he Patienten-population

=> Weiche Materialien wie der Schaum und demineralisierte Knochenmatrix wachsen gut ein (besserer Kontakt zum umgebenden Knochen)

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

Bandscheibendegeneration

Defekt

• Die Bandscheibe besteht aus einem äußeren Faserring und einem gallertartigen Kern

• durch Schädigung des Gewebes wird dieser Kern herausgedrückt

• Die Bandscheibe kann ihre Ferderfunktion nicht mehr

KTI - ZHW

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• Die Bandscheibe kann ihre Ferderfunktion nicht mehr wahrnehmen und der Kern drückt gegen den Nerv

Klassische Behandlung

• die Bandscheibe wird entfernt (Nucleotomie)

• die Wirbel werden fixiert (s. Bild)

• oft Schädigung der benachbarten Bandscheiben

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

Vorgehen

• bislang wird höchstens eine Zellsuspension in den regenerierten Anulus Fibrosus injiziert

• in unserem Ansatz läßt man die Zellen auf Mikro-partikeln aus dem abbaubaren PUR-Schaum adhä-rieren

• diese werden in Suspension in Fibrin injiziert

Zellbasierte BandscheibenrekonstruktionKTI - ZHW

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Vorteil

• die Funktion der Bandscheibe wird erhalten

• die OP kann minimalinvasiv erfolgen

• die Zellen werden nicht wieder aus dem Anulus Fibrosus herausgedrückt.

• Der Nucleus Pulposus wird regeneriert und kann seine Funktion bald wieder übernehmen

C. Mauth, S. Haas, G. Paesold, D. H. Wiese, G. Maier, E. Bono, N. Boos, U. Graf-Hausner, „Cell-seeded polyurethane-fibrin structures – a possi-ble system for intervertebral disc regeneration”Eur. Cell. Mater. 2009, 18, 27-39

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

Hydrogel

Gele als injizierbare ZellträgerForZebRA

•Netzwerk aus einem Polymer, das viel Wasser aufnehm en kann

• Beispiel: Glaskörper im Auge enthält >95% Wasser mi t verschiedenen Kollagentypen

• schaltbares Hydrogel: unterhalb einer Schalttempera tur geht das Gel in eine Lösung unter

• Anwendung: Zellen werden bei niedriger Temperatur m it der Lösung eines geeigneten Polymers im Kulturmedium ge mischt

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• Bei Körpertemperatur erstarrt die Mischung

• Material: Polyether (Pluronic) bildet schaltbare we iche Gele

• Kettenverlängerung über Diisocyanate zu Polyetherur ethanen: einstellbare mechanische Eigenschaften der Hydrogel e

• durch geeignete Diisocyanate biokompatibel und bioa bbaubar

• Das Polymer kann autoklaviert werden.

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

Polyurethane sind interessante Biomaterialien,

• die ohne Freisetzung toxischer Produkte abgebaut we rden

• die mit vielen Zellen und Geweben verträglich sind

• die mit klinisch etablierten Verfahren sterilisiert werden können

• aus denen Implantate in fast jeder gewünschten Form gemacht werden können

• deren mechanische Eigenschaften an verschiedene Gew ebe angepaßbar sind

• die ggf. die Bildung von Blutgefäßen fördern

• die der regenerativen Medizin neue Möglichkeiten eröffnen

Zusammenfassung

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• die der regenerativen Medizin neue Möglichkeiten eröffnen

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PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!

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