Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS
Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

Tissue Engineering

Unser Innovationsfeld konzentriert sich auf die Entwicklung und Etablierung humaner In-vitro-Testmodelle. Wir nutzen dabei hochmoderne 3D-Gewebemodelle und zellbasierte 2D-Assays, 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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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-Wundhautmodell

Unser standardisiertes Wundhautmodell besteht aus primären oder immortalisierten humanen Zelllinien, die in einer dreidimensionalen, biomolekülbasierten Matrix kultiviert werden. Durch präzise mechanische Verletzungstechniken wird eine kontrollierte Wunde erzeugt, die physiologische Heilungsprozesse nachahmt. 

ECM-Biomolekül-basierte vaskuläre Modelle

ECM-Biomoleküle für das Bioprinting vaskulärer Modelle nutzen Elastin und Kollagen zur Simulation der Biokompatibilität und der mechanischen Eigenschaften der Aorta. Diese Komponenten bieten Elastizität und Stabilität und schaffen physiologisch relevante Bedingungen für Untersuchungen von Gefäßgewebe.

Biomaterial-basierte Gefäßmodelle

Elektrogesponnenes Gelatine-Nanofleece auf elastinbasierendem Hydrogel für Gefäßmodelle

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- und Immunogenitätsprüfungen
  • Testung antimikrobieller Eigenschaften von Substanzen oder Oberflächen
  • Nachweis von DNA und mikrobieller Rückstände

 

Leistungsangebot

Zytotoxizitätsprüfung von Materialien in in-vitro Modellsystemen – darunter klassische Zellkulturen, rekonstruierte dreidimensionale Hautmodelle sowie vaskuläre Modelle gemäß ISO 10993-5

Zur Durchführung stehen drei etablierte methodische Ansätze zur Verfügung, die entweder eine qualitative oder quantitative Bewertung der Zytotoxizität ermöglichen:

  • 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

Infomaterialien zu unserem Angebot