3D-gedruckte Hydrogele und injizierbare Hydrogele in einem ex vivo-Knorpeldefektmodell

Durch den Mangel an Gewebetransplantaten und anderen Rekonstruktionsoptionen für Weichgewebe hat sich die Suche nach neuartigen, biologischen Methoden der Weichgeweberegeneration intensiviert. Da die Technologie der 3D-Biofabrikation ein neuartiger Ansatz ist und sich im Laufe der letzten Jahre stark weiterentwickelt hat wollen wir versuchen ein Biomaterial in dem Projekt zu entwickeln, welches die Möglichkeit bietet die Behandlungslast von Weichteilverletzungen zu verringern.
Dabei soll in diesem Projekt ein druckbares und injizierbares Hydrogel aus einer Kombination von dezellularisierter Extrazellulärer Matrix aus bovinem Knorpel, Hyaluronsäure und Seidenfibroin hergestellt werden. Aus diesem Hybrid werden zwei verschiedene Methoden zur Herstellung des Biomaterials eingesetzt, bei denen auch humane osteoarthritische Chondrozyten bereits inkorporiert werden. Bei der einen Methode werden die Hybrid-Hydrogele mittels 3D-Druckgedruckt und mit einem Fotoinitiator, welcher sich ebenfalls bereits in der Lösung (im 3D-Druck auch Bioink genannt) befindet, quervernetzt. Bei der anderen Methode werden die Hybridhydrogele als injizierbare Hydrogele hergestellt und ebenfalls mittels Fotoinitiators quervernetzt.  
Zum direkten Vergleich der beiden Materialien wird eine Analyse der chondrogenen, biomechanischen und biotribologischen Eigenschaften durchgeführt. Auch die Stabilität gegenüber Degradation während einer Inflammation, wie sie bei der Osteoarthrose auftreten kann, ist Teil der Untersuchung. In einem weiteren Schritt soll versucht und verglichen werden, ob sich die Eigenschaften und die Funktionalität der Ausgangs-Hydrogele (3D-gedruckt oder injizierbar) durch Zugabe von Lubrizin (Reibung) oder eines Glukokortikoids (anti-inflammatorisch) noch verbessern lassen.
Um jedoch geeignet für die Knorpelregeneration zu sein, muss das entwickelte 3D-gedruckte, als auch das injizierbare Hydrogel eine gute Integration in das umliegende gesunde bzw. degradierte Gewebe (Stichwort Osteoarthrose) ermöglichen. Dafür wird ein ex vivo Defekt-Modell mit osteochondralen Grafts verwendet, in dem in diese Knochen-Knorpel Zylinder ein Defekt generiert wird und darin die Hydrogele in 3D-gedruckter als auch injizierter Form über mehrere Wochen kultiviert werden. Ein Vergleich von zellbesiedelten und zellfreien Hydrogelen mit nativem Gewebe ist hierbei angedacht.  
Die Zusammensetzung und Eigenschaften der Hydrogele sollen schlussendlich einen zukünftigen Einsatz sowohl bei traumatischen Knorpelschäden (z.B. als Folge eines Unfalls) als auch bei Osteoarthrose, welche sich bei Überbelastung, krankhaftem Verschleiß oder als Folge von Knorpelschäden entwickelt, ermöglichen. So sollen dem Patienten durch die 3D-Fabrikation potentielle Lösungen zur Behandlung zur Verfügung stehen, welche in Zukunft die Möglichkeit bieten sollen, patientenspezifische Gewebekonstruktionen zur Knorpelregeneration herzustellen. Somit soll neben der reproduzierbaren, maßgeschneiderten Behandlung von individuellen Patienten auch eine Reduzierung der Kosten erreicht werden.