Polyurethan
ein vielseitiges Scaffoldmaterial für das ein vielseitiges Scaffoldmaterial für das
Tissue Engineering
Dr. H. Wiese – polyMaterials AG
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
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(ForZebRA und KRI)
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?
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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...)
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
PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial
klinischer Einsatz seit ca. 1965
• Wundabdeckungen und Gipsersatz
• Gewebekleber
• Katheter
• Blutgefäßersatz
• künstliche Herzklappen
• Herzschrittmacher
• Brustimplantate
Was sind Polyurethane?
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• Brustimplantate
• künstliche Organe (Herz, Pankreas,...)
=> biostabile Materialien
• Polycarbonat- statt Polyetherurethane
• Silikonbausteine / Fluorbausteine
Bei Langzeitimplantation werden jedoch alle Materia lien
angegriffen
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%
PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial
Defekt
Scanning
CT
Data processing
STL
ForTEPro
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SilikonformSilicon mold
Cell
seeding
Cell
culture
Implantation
Heilung
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
• ...
PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial
Polyester PUR:
• Vollständig abbaubar
• Variable mechanische Eigenschaften
• Variable Abbauzeiten
• Variable Hydrophilie
Aliphatische, kommerzielle Diisocyanate (IPDI, BDI)
• nicht cancerogen
ForTEPro / RegImplant
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• nicht cancerogen
• Variable Abbauzeiten
• Variable Hydrophilie
Ausgewählte Additive
• biokompatibel
• Hohe Porosität, Interkonnektivität der Poren,
offene Oberfläche
• variable mechanische Eigenschaften
PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial
Schaumeigenschaften
• Sehr elastisch• Ca. 90% interkonnective
Poren• Oberfläche zur Form hin
ForTEPro / RegImplant
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Hinterschnitte
Offene Oberfläche
offen• Geringer Schrumpf• Geringe Wasserquellung• Sterilisierbar
(Wasserdampf, EO)• Fühlt sich wie natürlicher
Knorpel an
PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial
Materialeigenschaften
20 µµµµm
4,55
5,56
6,57
PCL-PU
branched PU
ForTEPro / RegImplant
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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
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
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
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
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
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
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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
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
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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
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)
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)
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
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
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.
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
PUR – ein vielseitiges Scaffoldmaterial
Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!
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