TY  - THES
A1  - Broermann, Ruth
T1  - In vitro Untersuchungen zur tenogenen Differenzierung von humanen mesenchymalen Stammzellen in Kollagen I-Nanofaserscaffolds für den Sehnenersatz
T1  - In vitro studies of tenogenous differentiation of human mesenchymal stem cells in collagen -I-nanofaserscaffolds for the replacement of tendons
N2  - Bänder und Sehnen sind bradytrophe Gewebe die eine limitierte intrinsische Heilungskapazität aufweisen. Trotz einer primären Nahtrekonstruktion kann es zur Ausbildung eines mechanisch insuffizienten Narbengewebes kommen. Die Verwendung autologer oder allogener Sehnen-/Bandersatzplastiken bei Vorliegen substantieller Defekte bergen die Gefahr der donor site morbidity und antigener/allergischer Reaktionen.
Besonders das Tissue Engineering kann hier zur Entwicklung innovativer Therapieansätze beitragen. Die Verwendung autologer mesenchymaler Vorläuferzellen und biomimetischer Zellträger zu Generierung eines Sehnen- /Bandersatzes ex vivo ist eine vielversprechende Alternative.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Generierung von biomimetischen Zellträgern auf der Basis von Kollagen Typ I mittels Elektrospinning. Dabei orientierte sich das Scaffolddesign am Aufbau der EZM von nativem Band- und Sehnengewebe. In einem zweiten Schritt wurde die Auswirkung unterschiedlicher Scaffoldarchitektur auf die tenogene Differenzierung von humanen MSZ untersucht. Hierzu wurden MSZ aus dem Knochenmark isoliert, amplifiziert, die Zellträger mit diesen Zellen besiedelt und für einen definierten Zeiträum (21 Tage) kultiviert.
Die Kollagen I-Ausgangskonzentration hatte entscheidenden Einfluss auf den Faserdurchmesser. Wobei unter Verwendung einer 5-8%-igen Kollagenlösung der Faserdurchmesser im Bereich von nativen Kollagenfasern in natürlichem Sehnengewebe erzielt werden konnte. Unter Verwendung eines rotierenden Metallzylinders als Kollektor konnte mit steigender Rotationgeschwindigkeit eine zunehmende parallele Faserausrichtung in den NFS erreicht werden. Ein Einfluss auf die Morphologie und die Proliferation der MSZ auf NFS mit unterschiedlicher Faserdicke zeigte sich nicht. Ausgerichtete Fasern führten zu einer signifikant parallelen Ausrichtung der MSZ mit langgezogenem schlanken Zellkörper, im Unterschied zu einer polygonalen MSZ-Morphologie auf nicht ausgerichteten NF.
Die tenogene Differenzierung der Zellen in den NFS wurde mittels RT-PCR- Analyse untersucht. Hierbei wurde die Expression der tendogenen Markergene Tenascin C, Elastin, Kollagen I und Skleraxis bestimmt. Zusätzlich wurden immunfluoreszens- und histochemische Färbungen durchgeführt, um die Infiltration der Zellen in die Zellträger und den Einfluss unterschiedlicher Faserparameter auf die Morphologie der MSZ nachzuweisen.
Unter Verwendung von ausgerichteten Kollagen I-NFS zeigte sich eine signifikant höhere tenogene Markergenexpression für Skleraxis und Tenascin C in der Frühphase und im weiteren Verlauf ebenfalls für Col I und Elastin im Vergleich zu nicht ausgerichteten NFS.
Elektrospinning von Kollagen I unter Verwendung eines rotierenden Kollektors ermöglicht die Herstellung biomimetischer NFS mit paralleler Faserausrichtung analog zu nativem Sehnengewebe. Die so hergestellten NFS zeichnen sich im Vergleich zu nicht ausgerichteten NFS durch eine signifikant höher mechanische Zugfestigkeit und die Induktion einer tenogenen Markergenexpression in MSZ aus. Prinzipiell haben Kollagen I-NFS das Potential bestehende Therapiestrategien zu Rekonstruktion substantieller Sehnenrupturen im Rahmen Stammzell-basierter Ansätze zu unterstützen. Die generelle Eignung in vivo muss aber zunächst in adäquaten Großtiermodellen (z. B. Rotatorenmanschettendefekt im Schaf) überprüft werden.
Die vorliegende Arbeit zeigt die Bedeutung eines Zielgewebe-gerichteten Designs von Zellträgern für die Entwicklung innovativer Strategien im Tissue Engineering. Bei der Regeneration muskuloskelettaler Gewebe, wie dem Sehnenegewebe, spielen nicht nur strukturelle Aspekte sondern auch die biochemische Zusammensetzung des zu erneuernden Gewebes eine entscheidende Rolle, die bei der Scaffold-Herstellung zu berücksichtigen sind.
N2  - In vitro studies of tenogenous differentiation of human mesenchymal stem cells in collagen -I-nanofaserscaffolds for the replacement of tendons
KW  - Kollagen I-Scaffolds
KW  - Sehnenersatz
KW  - Electrospinning
KW  - Kollagen I-Scaffold zum Sehnenersatz
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-101881
ER  - 
TY  - THES
A1  - Heffels, Karl-Heinz
T1  - Functional nanofibres for regenerative medicine
T1  - Funktionelle Nanofasern für die regenerative Medizin
N2  - This thesis concerned the design and examination of a scaffold for tissue engineering applications. The template for the presented scaffold came from nature itself: the intercellular space in tissues that provides structure and support to the cells of the respective tissue, known as extracellular matrix (ECM). Fibres are a predominant characteristic feature of ECM, providing adhesion sites for cell-matrix interactions. In this dissertation a fibrous mesh was generated using the electrospinning technique to mimic the fibrous structure of the ECM. Two base polymers were explored: a biodegradable polyester, poly(D,L-lactide-co-glycolide); and a functional PEG-based star polymer, NCO-sP(EO-stat-PO). This topic was described in three major parts: the first part was materials based, concerning the chemical design and characterisation of the polymer scaffolds; the focus was then shifted to the cellular response to this fibrous scaffold; and finally the in vivo performance of the material was preliminarily assessed. The first steps towards an electrospun mesh started with adjusting the spinning parameters for the generation of homogeneous fibres. As reported in Chapter 3 a suitable setup configuration was on the one hand comprised of a spinning solution that consisted of 28.5 w/v% PLGA RG 504 and 6 w/v% NCO-sP(EO-stat-PO) in 450 µL acetone, 50 µL DMSO and 10 µL of an aqueous trifluoroacetic acid solution. On the other hand an ideal spinning behaviour was achieved at process parameters such as a flow rate of 0.5 mL/h, spinneret to collector distance of 12-16 cm and a voltage of 13 kV. The NCO-sP(EO-stat-PO) containing fibres proved to be highly hydrophilic as the functional additive was present on the fibre surface. Furthermore, the fibres featured a bulk degradation pattern as a consequence of the proportion of PLGA. Besides the morphologic similarity to ECM fibres, the functionality of the electrospun fibres is also decisive for a successful ECM mimicry. In Chapter 4, the passive as well as active functionality of the fibres was investigated. The fibres were required to be protein repellent to prevent an unspecific cell adhesion. This was proven as even 6.5 % sP(EO-stat-PO) in the PLGA fibres reduced any unspecific protein adsorption of bovine serum albumin and foetal calf serum to less than 1 %. However, avidin based proteins attached to the fibres. This adhesion process was avoided by an additional fibre surface treatment with glycidol. The active functionalisation of NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA fibres was investigated with two fluorescent dyes and biocytin. A threefold, chemically orthogonal, fibre modification was achieved with these dyes. The chapters about the chemical and mechanical properties laid the basis for the in vitro chapters where a specific fibre functionalisation with peptides was conducted to analyse the cell adhesion and biochemical expressions. Beginning with fibroblasts in Chapter 5 the focus was on the specific cell adhesion on the electrospun fibres. While NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA fibres without peptides did not allow any adhesion of fibroblasts, a fibre modification with GRGDS (an adhesion mediating peptide sequence) induced the adhesion and spreading of human dermal fibroblasts on the fibrous scaffolds. The control sequence GRGES that has no adhesion mediating qualities did not lead to any cell adhesion as observed on fibres without modifications. While the experiments of Chapter 5 were a proof-of-concept, in Chapter 6 a possible application in cartilage tissue engineering was examined. Therefore, primary human chondrocytes were seeded on fibrous scaffolds with various peptide sequences. Though the chondrocytes exhibited high viability on all scaffolds, an active interaction of cells and fibres was only found for the decorin derived sequence CGKLER. Live-cell-imaging revealed both cell attachment and migration within CGKLER-modified meshes. As chondrocytes undergo a de-differentiation towards a fibroblast-like phenotype, the chondrogenic re-differentiation on these scaffolds was investigated in a long term cell culture experiment of 28 days. Therefore, the glycosaminoglycan production was analysed as well as the mRNA expression of genes coding for collagen I and II, aggrecan and proteoglycan 4. In general only low amounts of the chondrogenic markers were measured, suggesting no chondrogenic differentiation. For conclusive evidence follow-up experiments are required that support or reject the findings. The success of an implant for tissue engineering relies not only on the response of the targeted cell type but also on the immune reaction caused by leukocytes. Hence, Chapter 7 dealt with primary human macrophages and their behaviour and phenotype on two-dimensional (2D) surfaces compared to three-dimensional (3D) fibrous substrates. It was found that the general non-adhesiveness of NCO-sP(EO-stat-PO) surfaces and fibres does not apply to macrophages. The cells aligned along the fibres on surfaces or resided in the pores of the meshes. On flat surfaces without 3D structure the macrophages showed a retarded adhesion kinetic accompanied with a high migratory activity indicating their search for a topographical feature to adhere to. Moreover, a detailed investigation of cell surface markers and chemokine signalling revealed that macrophages on 2D surfaces exhibited surface markers indicating a healing phenotype while the chemokine release suggested a pro-inflammatory phenotype. Interestingly, the opposite situation was found on 3D fibrous substrates with pro-inflammatory surface markers and pro-angiogenic cytokine release. As the immune response largely depends on cellular communication, it was concluded that the NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA fibres induce an adequate immune response with promising prospects to be used in a scaffold for tissue engineering. The final chapter of this thesis reports on a first in vivo study conducted with the presented electrospun fibres. Here, the fibres were combined with a polypropylene mesh for the treatment of diaphragmatic hernias in a rabbit model. Two scaffold series were described that differed in the overall surface morphology: while the fibres of Series A were incorporated into a thick gel of NCO-sP(EO-stat-PO), the scaffolds of Series B featured only a thin hydrogel layer so that the overall fibrous structure could be retained. After four months in vivo the treated defects of the diaphragm were significantly smaller and filled mainly with scar tissue. Thick granulomas occurred on scaffolds of Series A while the implants of Series B did not induce any granuloma formation. As a consequence of the generally positive outcome of this study, the constructs were enhanced with a drug release system in a follow-up project. The incorporated drug was the MMP-inhibitor Ilomastat which is intended to reduce the formation of scar tissue. In conclusion, the simple and straight forward fabrication, the threefold functionalisation possibility and general versatile applicability makes the meshes of NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA fibres a promising candidate to be applied in tissue engineering scaffolds in the future.
N2  - Diese Dissertation beschäftigte sich mit der Entwicklung und Untersuchung eines Gerüsts zur Geweberegeneration. Der interzelluläre Raum, der in Geweben für die Gewebestruktur verantwortlich ist, wurde als Vorbild aus der Natur für das entwickelte Gerüst verwendet. Fasern sind in dieser extrazellulären Matrix (EZM) ein charakteristischer Bestandteil, die Adhäsionssequenzen für Zell-Matrix-Interaktionen enthalten und zur strukturellen Organisation der Gewebe beitragen. In der vorliegenden Arbeit wurden Faservliese mit Hilfe des elektrostatischen Verspinnens hergestellt, um die natürlichen Fasern der EZM zu imitieren. Zwei Polymere bildeten die chemische Grundlage für diese Fasern: Ein bioabbaubarer Polyester, Poly(D,L-Laktid-co-Glykolid) (PLGA) und ein funktionales auf Polyethylenglykol basierendes, sternförmiges Polymer, NCO-sP(EO-stat-PO). Der erste Teil des in drei Hauptteile untergliederten Themas beschäftigte sich mit dem chemischen Design und der Fasercharakterisierung im Sinne der Materialeigenschaften. Der zweite Teil betrachtet die Auswirkungen der Fasern auf zellulärer Ebene, während der dritte Teil einen ersten Eindruck über die in vivo Reaktion auf die Materialien vermittelt. Die ersten Schritte in Richtung eines elektrostatisch gesponnenen Vlieses begannen mit der Erforschung geeigneter Einstellungen für eine homogene Faserproduktion. Kapitel 3 thematisiert geeignete Spinnparameter, zu denen auf der einen Seite eine spinnfähige Lösung gehörte, die aus 28.5 w/v% PLGA RG 504 und 6 w/v% NCO-sP(EO-stat-PO) in 450 µL Aceton, 50 µL DMSO und 10 µL trifluoressigsaurer wässriger Lösung besteht. Auf der anderen Seite wurden Prozessparameter gefunden, wie zum Beispiel eine Flussrate von 0.5 mL/h und ein Kollektor-Abstand von 12-16 cm, die bei einer Potentialdifferenz von 13 kV ein stabiles Spinnverhalten garantierten. Fasern mit dem Additiv NCO-sP(EO-stat-PO) zeigten eine äußerst starke Hydrophilie, da das Additiv während des Spinnprozesses an die Faseroberfläche segregierte. Des Weiteren sind die Fasern dank des PLGA-Anteils nach einem Volumenabbaumechanismus unter physiologischen Bedingungen degradierbar. Neben der morphologischen Ähnlichkeit zwischen natürlichen Fasern der EZM und elektrogesponnenen Fasern ist die Funktionalität der synthetischen Fasern entscheidend für eine erfolgreiche Imitation der EZM. Kapitel 4 betrachtet deswegen sowohl die passive als auch aktive Funktionalität der Fasern. Unter passive Funktionalität fällt das proteinabweisende Verhalten, welches eine unspezifische Zelladhäsion verhindert. Es wurde gezeigt, dass ein Anteil von 6.5 % sP(EO-stat-PO) in den PLGA-Fasern ausreicht, um die unspezifische Adhäsion von Albumin aus Rinderserum und fötalem Kälberserum auf weniger als 1 % zu senken. Dennoch adhärierten avidinbasierte Proteine auf den Fasern, was jedoch durch eine Behandlung mit Glycidol unterbunden werden konnte. Die aktive Funktionalisierung wurde exemplarisch mit zwei Fluoreszenzfarbstoffen und Biocytin untersucht. Mit diesen Modellmolekülen wurde eine dreifache, chemisch orthogonale Fasermodifizierung erreicht. Die Kapitel über die chemischen und mechanischen Eigenschaften haben die Grundlage für in vitro Zellversuche gelegt, bei denen eine Faserfunktionalisierung mit Peptidsequenzen durchgeführt wurde, um eine spezifische Zelladhäsion zu erreichen und die biochemische Reaktion der Zellen zu untersuchen. In Kapitel 5 lag der Fokus auf der spezifischen Adhäsion von humanen dermalen Fibroblasten an den elektrogesponnenen Fasern. Während NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA Fasern ohne Peptide keine Zelladhäsion zuließen, induzierte eine Fasermodifikation mit GRGDS, einer adhäsionsvermittelnden Peptidsequenz, sowohl die Adhäsion als auch Ausbreitung der Fibroblasten auf den Fasern. Eine Kontrollsequenz ohne adhäsionsvermittelnde Eigenschaften (GRGES), führte, wie auch Fasern ohne Peptide, zu keiner Zelladhäsion. Die Experimente von Kapitel 6 gingen über das reine Machbarkeitskonzept von Kapitel 5 hinaus, indem eine mögliche Anwendung im Bereich der Knorpelregeneration untersucht wurde. Daher wurden primäre humane Chondrozyten auf Faservliesen ausgesät, die mit unterschiedlichen Peptiden modifiziert wurden. Trotz einer allgemein sehr guten Vitalität der Zellen auf allen Fasertypen, zeigten die Chondrozyten nur auf Vliesen mit der aus Decorin abgeleiteten CGKLER-Sequenz eine aktive Interaktion. Diese konnte mit dem Live-Cell-Imaging-Verfahren anhand der Zelladhäsion und Zellmigration beobachtet werden. Da Chondrozyten in der 2D-Expansionszellkultur einer Dedifferenzierung in Richtung eines Fibroblasten ähnlichen Zelltypen unterliegen, wurde eine 28-tägige Studie durchgeführt, um das Redifferenzierungsverhalten auf den Fasergerüsten zu untersuchen. Dazu wurde sowohl die Glykosaminoglykanproduktion analysiert als auch die mRNA Expression der Gene, die die Kollagen I und II, Aggrecan und Proteoglykan 4 Produktion regulieren. Die chondrogenen Marker wurden in diesen Versuchen nur geringfügig ausgeschüttet, was in Anbetracht der großen Varianzen in den Messwerten auf keine Redifferenzierung schließen lässt. Für eine abschließende Beurteilung werden Folgeexperimente empfohlen, die die gemachten Beobachtungen bestärken oder widerlegen. Der Erfolg eines Implantats zur Geweberegeneration beruht nicht nur auf der gewünschten Reaktion des Zielzelltyps, sondern auch auf der Immunreaktion des Organismus, welche durch Leukozyten gesteuert wird. Folglich beschäftigte sich Kapitel 7 mit dem Verhalten und den Phänotypen primärer humaner Makrophagen auf dreidimensionalen Fasergerüsten und zweidimensionalen Oberflächen im Vergleich zueinander. Bei den Versuchen zeigte sich, dass die generelle Nicht-Adhäsivität von NCO-sP(EO-stat-PO) Oberflächen für Makrophagen nicht zutrifft. Die Zellen richteten sich an den Fasern auf den Oberflächen aus oder saßen in den Poren der Vliese. Auf flachen Oberflächen ohne dreidimensionale Struktur wiesen die Makrophagen ein verzögertes Adhäsionsverhalten auf und migrierten stark über die Oberfläche auf der Suche nach topographischen Unebenheiten, um dort adhärent zu werden. Des Weiteren zeigte eine detaillierte Untersuchung der Oberflächenmarker und der Zytokinausschüttung, dass Makrophagen auf 2D-Oberflächen gemäß der Oberflächenmarker einen entzündungs-hemmenden Phänotypen aufwiesen, während die Zytokinausschüttung einen entzündungs-fördernden Phänotypen suggerierte. Interessanterweise bot sich das entgegengesetzte Bild auf 3D-Faseroberflächen. Hier wurde die Erkenntnis gewonnen, dass die Morphologie einen größeren Einfluss auf die Zellreaktion hat als die Oberflächenchemie. Da die Immunantwort eines Organismus auf ein Implantat stark von der interzellularen Kommunikation abhängt, wurde gefolgert, dass die NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA Fasern eine adäquate Immunantwort hervorrufen mit vielversprechenden Aussichten, die Fasergerüste im Bereich der Geweberegeneration einzusetzen. Das letzte Kapitel der Dissertation berichtet über eine erste in vivo Studie der hier vorgestellten Fasern. Mit den Fasern wurde ein bestehendes Behandlungskonzept für Hernien des Zwerchfells erweitert und die Leistungsfähigkeit in einem Kaninchenmodell überprüft. Zwei Gerüsttypen wurden untersucht, die sich in der Oberflächenmorphologie maßgeblich unterschieden: In Serie A wurden die elektrogesponnenen Fasern in ein Gel aus NCO-sP(EO-stat-PO) gebettet, während die Fasern in Serie B nur mit einer dünnen Gelschicht bedeckt wurden, so dass die topografische Faserstruktur erhalten blieb. Nach 4 Monaten in vivo waren die behandelten Zwerchfelldefekte signifikant kleiner und überwiegend mit Narbengewebe gefüllt. Die ausgeprägte Granulombildung bei Fasergerüsten der Serie A konnte in der darauffolgenden Studie (Serie B) minimiert werden. Das gute Abschneiden dieser Studien wurde zum Anlass genommen, die Vliese weiterzuentwickeln und eine Medikamentenfreisetzung (Ilomastat) zu integrieren, um die Narbenbildung zu minimieren. Zusammenfassend beschreibt diese Dissertation einen einfachen und direkten Weg, Fasern für eine gezielte Geweberegeneration zu erzeugen, die dreifach funktionalisierbar und vielseitig anwendbar sind. Dies macht Fasergerüste auf der Basis von NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA zu einem vielversprechenden Kandidaten um in der Geweberegeneration eingesetzt zu werden.
KW  - Nanofaser
KW  - Gewebe
KW  - Regeneration
KW  - Extrazelluläre Matrix
KW  - Polymere
KW  - Elektrostatisches Verspinnen
KW  - Geweberegeneration
KW  - Fibroblasten
KW  - Makrophagen
KW  - Chondrozyten
KW  - Wirkstofffreisetzung
KW  - Oberflächenfunktionalisierung
KW  - Electrospinning
KW  - tissue engineering
KW  - surface functionalisation
KW  - drug release
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-75684
N1  - Die Arbeit wurde am Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde angefertigt
ER  - 
TY  - THES
A1  - Puhl, Sebastian
T1  - Methods for protein crystal delivery: Exploring new techniques for encapsulation and controlled release
T1  - Methoden der Proteinkristallverabreichung: Erforschung neuer Techniken der Verkapselung und kontrollierter Freisetzung
N2  - More and more newly registered drugs are proteins. Although many of them suffer from instabilities in aqueous media, the most common way of protein drug administration still is the injection of a solution. Numerous protein drugs require frequent administration, but suitable controlled release systems for proteins are rare. Chapter 1 presents current advances in the field of controlled delivery of particulate protein formulations. While the main focus lies on batch crystallized proteins, amorphous particulate proteins are also discussed in this work. The reason is that, on the one hand precipitated protein particles hold some of the advantages of crystalline proteins and on the other hand the physical state of the protein may simply be unknown for many drug delivery systems or semi-crystalline particles have been used. Crystallization and precipitations methods as well as controlled delivery methods with and without encapsulation in a polymeric delivery system are summarized and critically discussed.
In chapter 2 a novel way of protein crystal encapsulation by electrospinning is introduced. Electrospinning of proteins has been shown to be challenging via the use of organic solvents, frequently resulting in protein unfolding or aggregation. Encapsulation of protein crystals represents an attractive but largely unexplored alternative to established protein encapsulation techniques because of increased thermodynamic stability and improved solvent resistance of the crystalline state. We herein explore the electrospinning of protein crystal suspensions and establish basic design principles for this novel type of protein delivery system. Poly-ε-caprolactone (PCL) is an excellent polymer for electrospinning and matrix-controlled drug delivery combining optimal processability and good biocompatibility. PCL was deployed as a matrix, and lysozyme was used as a crystallizing model protein. By rational combination of lysozyme crystals with a diameter of 0.7 or 2.1 μm and a PCL fiber diameter between 1.6 and 10 μm, release within the first 24 h could be varied between approximately 10 and 100%. Lysozyme loading of PCL microfibers between 0.5 and 5% was achieved without affecting processability. While relative release was unaffected by loading percentage, the amount of lysozyme released could be tailored. PCL was blended with poly(ethylene glycol) and poly(lactic-co-glycolic acid) to further modify the release rate. Under optimized conditions, an almost constant lysozyme release over 11 weeks was achieved.
Chapter 3 takes on the findings made in chapter 2 and further modifies the properties of the nonwovens as protein crystal delivery system. Nonwoven scaffolds consisting of poly-ε-caprolactone (PCL), poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) and polidocanol (PD), and loaded with lysozyme crystals were prepared by electrospinning. The composition of the matrix was varied and the effect of PD content in binary mixtures, and of PD and PLGA content in ternary mixtures regarding processability, fiber morphology, water sorption, swelling and drug release was studied. Binary PCL/PD blend nonwovens showed a PD-dependent increase in swelling of up to 30% and of lysozyme burst release of up to 45% associated with changes of the fiber morphology. Furthermore, addition of free PD to the release medium resulted in a significant increase of lysozyme burst release from pure PCL nonwovens from approximately 2% to 35%. Using ternary PCL/PD/PLGA blends, matrix degradation could be significantly improved over PCL/PD blends, resulting in a biphasic release of lysozyme with constant release over 9 weeks, followed by constant release with a reduced rate over additional 4 weeks. Based on these results, protein release from PCL scaffolds is improved by blending with PD due to improved lysozyme desorption from the polymer surface and PD-dependent matrix swelling.
Chapter 4 gives deeper insight on lysozyme batch crystallization and shows the influences of the temperature on the precipitation excipients. Yet up to now protein crystallization in a pharmaceutical useful scale displays a challenge with crystal size and purity being important but difficult to control parameters. Some of these influences are being discussed here and a detailed description of crystallization methods and the achieved crystals are demonstrated.
Therapeutic use of such protein crystals may require further modification of the protein release rate through encapsulation. Silk fibroin (SF) harvested from the cocoons of Bombyx mori is a well-established protein suitable for encapsulation of small molecules as well as proteins for controlled drug delivery. This novel polymer was deployed for as carrier for the model drug crystals. Lysozyme again was used as a crystallizable protein and the effect of process- as well as formulation parameters of batch crystallization on crystal size were investigated using statistical design of experiments. Lysozyme crystal size depended on temperature and sodium chloride and poly(ethylenglycol) concentration of precipitant solution. Under optimized conditions, lysozyme crystals in a size range of approximately 0.3 to 10 µm were obtained. Furthermore, a solid-in-oil-in-water process for encapsulation of lysozyme crystals into SF was developed. Using this process, coating of protein crystals with another protein was achieved for the first time. Encapsulation resulted in a significant reduction of dissolution rate of lysozyme crystals, leading to prolonged release over up to 24 hours.
N2  - Immer mehr neu zugelassene Arzneimittel sind Proteine. Obwohl viele von ihnen in wässrigen Milieus sehr instabil sind, werden die meisten Proteine immer noch als Parenteralia formuliert. Kontrollierte Freisetzungssysteme sind selten, und das obwohl zahlreiche Proteine regelmäßig verabreicht werden müssen. Kapitel 1 befasst sich mit den aktuellen Fortschritten im Bereich der kontrollierten Darreichungsformen für Proteinpartikel. Das Hauptaugenmerk liegt klar auf den „batch“ kristallisierten Proteinen, aber auch allgemeine ‚amorphe‘ Proteinpartikel werden diskutiert. Das liegt daran, dass zum einen präzipitierte Proteinpartikel ebenfalls einige Vorteile der Proteinkristalle haben und zum anderen wurde in einigen Fällen der physikalische Zustand der Proteine nicht bestimmt oder es wurden zumindest semi-kristalline Proteinpartikel verwendet. In diesem Kapitel werden Kristallisations- und Präzipitationsmethoden sowie kontrollierte Freisetzungssysteme mit und ohne vorherige Einbettung in ein Polymersystem zusammengefasst und kritisch diskutiert.
Kapitel 2 stellt eine neue Methode der Proteinkristalleinbettung durch Electrospinning vor. Electrospinning von Proteinen hat sich aufgrund des häufigen Einsatzes von organischen Lösemitteln als schwierig heraus gestellt und führt häufig zum Entfalten oder Denaturieren des Proteins. Aufgrund höherer thermodynamischer Stabilität und verbesserter Kompatibilität mit organischen Lösemitteln haben sich Proteinkristalle hier als attraktive wenngleich bisher ziemlich unbeachtete Alternative heraus gestellt. In diesem Kapitel wird das das Electrospinning von Proteinkristallsuspensionen erforscht und grundlegende Bedingungen für diese neuartige Art der Proteinverkapselung etabliert. Poly-ε-caprolacton (PCL) eignet sich hervorragend für das Electrospinning und zeichnet sich durch matrixkontrollierte Freisetzung, einfache Handhabbarkeit sowie gute Biokompatibilität aus. PCL wurde als Matrix und Lysozym als Modelprotein eingesetzt. Mittels Kombination zweier Lysozymkristalldurchmesser, 0,7 oder 2,1 µm, und der Variation des PCL-Fadendurchmessers zwischen 1,6 und 10 µm konnte die Initialfreisetzung innerhalb der ersten 24 Stunden zwischen ca. 10 und 100 % modifiziert werden. Die Beladung der PCL Mikrofäden mit Lysozym zwischen 0,5 und 5 % konnte ohne Beeinträchtigung des Herstellungsprozesses erreicht werden. Hierdurch konnte die gesamt freigesetzte Menge an Lysozym variiert werden, während die relative freigesetzte Menge konstant blieb. Um weitere Modifikationen an der Freisetzungsrate vorzunehmen, wurden Poly(ethylen glycol) und Poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) dem PCL beigemischt. Dadurch konnte unter optimierten Bedingungen eine Freisetzungsdauer von über 11 Wochen erreicht werden.
Kapitel 3 greift die Entdeckungen des zweiten Kapitels auf und nimmt weitere Modifikationen an den Fasermatten vor. Die mit Proteinkristallen beladenen Fasermatten wurden wieder durch Electrospinning hergestellt und bestehen aus PCL, PLGA und Polidocanol (PD). Die Zusammensetzung der Matrix wurde variiert und die Auswirkungen des PD-Gehalts in binären Mischung, sowie des PD- und PLGA-Gehalts in ternären Mischsystemen auf die Verarbeitbarkeit, Fadenmorphologie, Wassersorption, Quellung und Wirkstofffreisetzung untersucht. Binäre Fasermatten aus einer Mischung aus PCL/PD zeigten PD-abhängige Zunahme der Quellung von bis zu 30 % und eine Zunahme der Initialfreisetzung von bis 45 %. Dieser Anstiege werden einer Veränderung der Fasermorphologie zugeschrieben. Das Hinzufügen von freiem PD zum Freisetzungsmedium von reinen PCL Fasermatten führte zu einer Zunahme der Initialfreisetzung von ca. 2 % auf etwa 35 %. Durch den Einsatz von ternären Mischsystem, bestehend aus PCL/PD/PLGA, kam es zu einem signifikant erhöhten Matrixabbau gegenüber den PCL/PD Mischungen. Das führte wiederrum zu einem zweiphasigen Freisetzungsverhalten, das durch eine konstante Freisetzungsrate innerhalb von 9 Wochen, sowie eine anschließende langsamere, ebenfalls konstante Freisetzung über weitere 4 Wochen gekennzeichnet war. Aufgrund dieser  Ergebnisse kann gesagt werden, dass die Proteinfreisetzung aus PCL Matrices durch das Hinzufügen von PD aufgrund von verbesserter Lysozymdesorption vom Polymer sowie PD-abhängiger Matrixquellung verbessert werden konnte.
Kapitel 4 bringt tiefere Erkenntnisse bezüglich der Lysozym Batchkristallisation und zeigt den Einfluss der Temperatur auf die verwendeten Fällungsreagenzien. Bis heute stellt die Kristallisation von Proteinen in einem pharmazeutisch sinnvollen Maßstab eine Herausforderung dar, wobei die Kristallgröße und die Reinheit wichtige und dennoch schwer kontrollierbare Parameter sind. Einige dieser Einflüsse werden hier näher beleuchtet und Kristallisationsmethoden sowie die erhaltenen Kristalle näher beschrieben. 
Lysozym wurde erneut als kristallisierbares Protein eingesetzt und die Einflüsse der Prozess- sowie Formulierungsparameter der Batch-Kristallisation mit Hilfe von statistischen Experimentendesigns (Design of Experiment, DoE) untersucht. Die Kristallgröße wurde durch die Temperatur sowie die Natriumchlorid- und Poly(ethylenglycol)konzentration der Fällungslösung bestimmt. Unter kontrollierten Bedingungen konnten Kristallgrößen in einem Bereich zwischen ca. 0.3 bis 10 µm erreicht werden. Darüber hinaus wurde ein „solid-in-oil-in-water“ (Feststoff-in-Öl-in-Wasser) Verfahren entwickelt mit dem Lysozymkristalle in Seidenfibroin eingebettet werden konnten. Mit Hilfe dieses Verfahrens wurden erstmals Proteinkristalle mit einem anderen Protein überzogen. Diese Einbettung brachte eine signifikante Auflösungsverzögerung mit einer verlängerten Freisetzung über 24 Stunden.
KW  - Kontrollierte Wirkstofffreisetzung
KW  - Verkapselung
KW  - Proteine
KW  - Electrospinning
KW  - Silk Fibroin
KW  - Kristall
KW  - Protein crystal
KW  - Encapsulation
KW  - Controlled release
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-126371
ER  - 
TY  - THES
A1  - Radakovic, Dejan
T1  - Development of a Dialysis Graft Based on Tissue Engineering Methods
T1  - Entwicklung einer Dialysegraft basierend auf Tissue Engineering-Methoden
N2  - Despite advancements of modern medicine, the number of patients with the the end-stage kidney disease keeps growing, and surgical procedures to establish and maintain a vascular access for hemodialysis are rising accordingly. Surgical access of choice remains autogenous arteriovenous fistula, whereas approach “fistula first at all costs” leads to failure in certain subgroups of patients. Modern synthetic vascular grafts fail to deliver long-term results comparable with AV fistula. With all that in mind, this work has an aim of developing a new alternative vascular graft, which can be used for hemodialysis access using the methods of TE, especially electrospinning technique. It is hypothesized that electrospun scaffold, made of PCL and collagen type I may assemble mechanical properties similar to native blood vessels. Seeding such electrospun scaffolds with human microvascular endothelial cells (hmvECs) and preconditioning with shear stress and continuous flow might achieve sufficient endothelial lining being able to resist acute thrombosis. One further topic considered on-site infections, which represents one of the most spread complications of dialysis therapy due to continuous needle punctures. The main hypothesis was that during electrospinning process, polymers can be blended with antibiotics with the aim of producing scaffolds with antimicrobial properties, which could lead to reducing the risk of on-site infection on one side, while not affecting the cell viability.
N2  - Trotz der Fortschritte in der modernen Medizin wächst die Zahl der Patienten mit Nierenerkrankungen im Endstadium weiter, und die chirurgischen Verfahren zur Herstellung und Aufrechterhaltung eines Gefäßzugangs für die Hämodialyse nehmen entsprechend zu. Der chirurgische Zugang der Wahl bleibt eine autogene arteriovenöse Fistel, während der Ansatz „Fistel zuerst um jeden Preis“ bei bestimmten Untergruppen von Patienten zum Versagen führt. Moderne synthetische Gefäßtransplantate liefern keine mit AV-Fisteln vergleichbaren Langzeitergebnisse. Vor diesem Hintergrund zielt diese Arbeit darauf ab, ein neues alternatives Gefäßtransplantat zu entwickeln, das für den Zugang zur Hämodialyse unter Verwendung der TE-Methoden, insbesondere der Elektrospinntechnik, verwendet werden kann. Es wird angenommen, dass ein elektrogesponnenes Gerüst aus PCL und Kollagen Typ I ähnliche mechanische Eigenschaften wie native Blutgefäße aufweisen kann. Die Besiedelung solcher elektrogesponnener Gerüste mit menschlichen mikrovaskulären Endothelzellen (hmvECs) und das Vorkonditionieren mit Scherbeanspruchung und kontinuierlichem Fluss könnte eine ausreichende Endothelialisierung erreichen, um eine akute Thrombose vermeiden zu können. Ein weiteres Thema waren lokale Infektionen, die eine der am weitesten verbreiteten Komplikationen der Dialysetherapie aufgrund kontinuierlicher Nadelstiche darstellen. Die Haupthypothese war, dass Polymere während des Elektrospinnprozesses mit Antibiotika gemischt werden können, um Gerüste mit antimikrobiellen Eigenschaften herzustellen, die dazu führen können, dass das Risiko einer Infektion vor Ort auf einer Seite verringert wird, ohne die Lebensfähigkeit der Zellen zu beeinträchtigen.
KW  - Elektrospinnen
KW  - Tissue Engineering
KW  - Electrospinning
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-208492
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wiesbeck, Christina
T1  - Fabrication and characterization of NCO-sP(EO-stat-PO)- crosslinked and functionalized electrospun gelatin scaffolds for tissue engineering applications
T1  - Herstellung und Charakterisierung von elektrogesponnenen Nanofasern aus Gelatine und NCO-sP(EO-stat-PO) für Tissue Engineering Anwendungen
N2  - In Tissue Engineering, scaffolds composed of natural polymers often show a distinct lack in stability. The natural polymer gelatin is highly fragile under physiological conditions, nevertheless displaying a broad variety of favorable properties. The aim of this study was to fabricate electrospun gelatin nanofibers, in situ functionalized and stabilized during the spinning process with highly reactive star polymer NCO-sP(EO-stat-PO) (“sPEG”). A spinning protocol for homogenous, non-beaded, 500 to 1000 nm thick nanofibers from different ratios of gelatin and sPEG was successfully established. Fibers were subsequently characterized and tested with SEM imaging, tensile tests, water incubation, FTIR, EDX, and cell culture. It was shown that adding sPEG during the spinning process leads to an increase in visible fiber crosslinking, mechanical stability, and stability in water. The nanofibers were further shown to be biocompatible in cell culture with RAW 264.7 macrophages.
N2  - Tissue Engineering Scaffolds aus natürlichen Polymeren zeigen häufig mangelnde Stabilität, insbesondere unter physiologischen Bedingungen. Das natürliche Polymer Gelatine besitzt einige sehr vorteilhafte Eigenschaften für die Anwendung bei der Produktion künstlicher Körpergewebe. Beim Einsatz im menschlichen Organismus ist die Gelatine durch ihre Wasserlöslichkeit höchst fragil. Das Ziel dieser Arbeit war die Herstellung von Nanofaser-Scaffolds aus Gelatine mittels Elektrospinning und deren in situ Stabilisierung durch das Sternpolymer NCO-sP(EO-stat-PO) („sPEG“). Zunächst wurde ein Spinningprotokoll zur Fabrikation homogener, glatter, 500 bis 1000 nm dicker Nanofasern in verschiedenen Verhältnissen von Gelatine und sPEG erarbeitet. Mittels REM Bildgebung, Zugversuchen, Wasserinkubationsversuchen, FTIR, EDX und Zellkultur wurden die Fasern untersucht und charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Zugabe von sPEG während des Spinningprozesses zu einer sichtbaren Quervernetzung der Fasern, sowie zu einem Anstieg der mechanischen Festigkeit und der Wasserstabilität führt. Des Weiteren wurde die Biokompatibilität der Nanofasern in der Zellkultur mit RAW 264.7 Makrophagen belegt.
KW  - Tissue Engineering
KW  - Electrospinning
KW  - Gelatine
KW  - Polyethylenglykole
KW  - NCO-sP(EO-stat-PO)
KW  - sPEG
KW  - starPEG
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-190988
ER  -