Tissue Engineering

Unser Innovationsfeld konzentriert sich auf die Entwicklung und Etablierung humaner In-vitro-Testmodelle. Wir nutzen dabei zellbasierte 2D-Assays und hochmoderne 3D-Gewebemodelle, die auf Scaffolds und Hydrogelen aus biomolekularen Derivaten wie Kollagen und Elastin-basierten Hydrogelen aufgebaut sind. Diese Modelle dienen als Plattform für die präzise vorklinische Testung von Medikamenten sowie zur Bestimmung von Toxizität und Immunreaktionen bei Kosmetika und Chemikalien.

Anwendung finden diese Modelle nicht nur in der Arzneimittel- und Kosmetikforschung, sondern auch in der personalisierten Medizin.

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Unsere Kompetenzen

Ein besonderer Schwerpunkt unserer Arbeit liegt auf der Etablierung von Hautwundmodellen und Assays zur Wundbehandlung. Diese innovativen Modelle ermöglichen es uns, Wundheilungsprozesse unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen und neue Therapieansätze zu entwickeln. Durch den Einsatz unserer spezialisierten 3D-In-vitro-Zellkulturmodelle können wir die Wirksamkeit von Behandlungsmethoden effizient testen und optimieren. Dies führt zu verbesserten klinischen Ergebnissen in der Wundversorgung.

Hydrogele und Scaffolds auf Basis von ECM-Biomolekülen für die Entwicklung innovativer 3D-Zellkultursysteme

Mit unserer Expertise in Biomolekülen und unter Verwendung von ECM-Makromolekülen für die Produktion von Hydrogelen und Scaffolds haben wir uns auf die Entwicklung von Hautmodellen und vaskulären Modellen spezialisiert. Diese natürlich vorkommenden ECM-Moleküle sind hochgradig biokompatibel und ahmen die in-vivo-Situation sehr genau nach, was zu physiologisch relevanten Modellsystemen für fortschrittliche Forschung und Anwendungen führt.

Unsere In-vitro-Haut- und vaskulären Modelle

3D-Hautmodelle als In-vitro-Testsysteme

Wir bieten metabolisch aktive 3D-Hautmodelle als in-vitro-Testsysteme, die unter Verwendung von immortalisierten und primären Zellen entwickelt werden.

In-vitro-Hautwundmodell

Unser standardisiertes Hautwundmodell besteht aus primären oder immortalisierten humanen Zelllinien, die in einer dreidimensionalen, biomolekülbasierten Matrix kultiviert werden.Durch präzise mechanische Verletzungstechniken werden reproduzierbare Wundzustände erzeugt und anschließend die physiologische Heilungsprozesse untersucht.

ECM-Biomolekül-basierte vaskuläre Modelle

ECM‑Biomoleküle werden im Bioprinting vaskulärer Modelle eingesetzt, wobei insbesondere Elastin und Kollagen verwendet werden, um die Biokompatibilität und die mechanischen Eigenschaften der Aorta nachzubilden. Diese beiden Komponenten verleihen dem Gewebe sowohl Elastizität als auch Stabilität und schaffen damit physiologisch realistische Bedingungen für die Untersuchung von Gefäßgewebe.

Biomaterial-basierte Gefäßmodelle

Elektrogesponnenes Gelatine-Nanofleece auf elastinbasiertem Hydrogel für Gefäßmodelle

Leistungsangebot

Im Tissue Engineering werden Prinzipien der Biologie, Ingenieurwissenschaften und Materialwissenschaften kombiniert, um biologische Gewebe zu entwickeln. Diese lassen sich beispielsweise nutzen, um beschädigte oder fehlende Gewebe im Körper (wie Haut, Knorpel oder Herzgewebe) zu ersetzen oder zu regenerieren. Auch für die Wundheilung (Einsatz bioaktiver Materialien), die Transplantationsmedizin (weniger Abhängigkeit von Spenderorganen) oder die Medikamentenentwicklung (Einsatz künstlicher Gewebe zur Prüfung von Medikamenten) bietet dieser Ansatz neue Möglichkeiten. Am Fraunhofer IMWS werden dabei vor allem zellbasierte Testsysteme weiterentwickelt, einschließlich neuer Methoden zur Bestimmung biologischer Parameter.

Zellbasierte Testsysteme zur Bestimmung biologischer Parameter

Für die Untersuchung verschiedener biologischer Parameter von Proben bzw. Substanzen setzen wir unsere zellbasierten Testsysteme ein.

Beispielanwendungen:

Bioaktivitäts-,Zytotoxizitäts- (gemäß ISO 10993-5) und Immunogenitätsprüfung
Testung der Zelladhäsions- und Zellintegrations- und Zellwachstumseigenschaften von Materialien bzw. Materialoberflächen
Nachweis von DNA und mikrobieller Rückstände

Zytotoxizitätsprüfung von Materialien in in-vitro Modellsystemen

Zur Durchführung stehen drei etablierte methodische Ansätze zur Verfügung.

klassische Zellkulturen
rekonstruierte dreidimensionale Hautmodelle
vaskuläre Modelle

Sie ermöglichen sowohl eine qualitative als auch eine quantitative Bewertung der Zytotoxizität:

Qualitative Methoden beruhen auf der mikroskopischen Analyse morphologischer Veränderungen der Zellen (z. B. Schrumpfung, Detachment oder Membranschädigung).
Quantitative Methoden nutzen kolorimetrische, fluorometrische oder lumineszenzbasierte Assays (z. B. MTT, Resazurin-Assay, XTT, LDH oder ATP-Assays), deren Auswertung typischerweise photometrisch erfolgt.

Je nach Fragestellung und Komplexität des Modells (2D vs. 3D) kommen unterschiedliche Zelltypen zum Einsatz – etwa Fibroblasten, Keratinozyten oder Endothelzellen – wobei bei 3D-Haut- und vaskulären Modellen besonders auf eine physiologisch relevante Zellarchitektur und Barrierefunktion geachtet wird.

Die Zytotoxizitätsprüfung kann auf drei verschiedene Arten durchgeführt werden:

1. Prüfung mittels Extrakten (Elutionsverfahren):

Das zu testende Material wird in ein Extraktionsmedium überführt, das anschließend auf das Zell- oder Gewebemodell appliziert wird. Diese Methode eignet sich besonders für lösliche oder migrierbare Substanzen und ist kompatibel mit 3D-Modellen.

2. Direkter Kontakt:

Das Testmaterial wird direkt auf die Zellkultur oder das Gewebemodell appliziert. Dies erlaubt eine Bewertung von mechanisch oder physikalisch bedingten Effekten, ist jedoch bei empfindlichen 3D-Strukturen nur eingeschränkt anwendbar.

3. Indirekter Kontakt (z. B. Agar-Overlay-Verfahren):

Eine physikalische Barriere (wie eine Agarose-Schicht) trennt Material und Zellen, erlaubt aber den Austausch diffundierbarer Substanzen. Dieses Verfahren bietet sich besonders für Materialien mit potenziell irritierendem Oberflächenkontakt an