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Mesenchymal Stem Cells
(2020)
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zunächst neuartige ionische Agarosederivate synthetisiert und anschließend umfassend charakterisiert. Anionische Agarosesulfate mit einer regioselektiven Derivatisierung in Position G6 wurden durch homogene Umsetzung in ionischer Flüssigkeit erhalten. Kationische Agarosecarbamate mit einstellbarem Funktionalisierungsgrad waren durch einen zweistufigen Syntheseansatz zugänglich. Hierzu wurden zunächst Agarosephenylcarbonate in einer homogenen Synthese hergestellt, im Anschluss folgte eine Aminolyse zu den gewünschten funktionalen Agarosederivaten. Die ionischen Agarosederivate waren bereits bei geringen Funktionalisierungsgraden vollständig löslich in Wasser. Damit war es möglich, Alginatmikrokapseln polyelektrolytisch zu beschichten und diese als Träger für eine kontrollierte Wirkstofffreisetzung zu verwenden. Ebenfalls konnten Kompositgele aus Agarose, Hydroxyapatit und Agarosederivaten hergestellt und charakterisiert werden. Im zweiten Teil wurden sowohl die Kompositträgermaterialien als auch die Alginatmikrokapseln mit vier verschiedenen Modellwirkstoffen (ATP, Suramin, Methylenblau und A740003) beladen und die Wirkstofffreisetzung über einen Zeitraum von zwei Wochen untersucht. Für die ionischen Modellwirkstoffe erwiesen sich Kompositträgermaterialien mit ionischem Agarosederivat, die beschichteten Mikrokapseln sowie die Kombination aus Komposit und Kapseln als effektiv, um die Freisetzung auf bis zu 40% zu verlangsamen. Für die schlecht wasserlösliche Substanz A740003, ein Rezeptorligand für die osteogene Differenzierung von Stammzellen, wurde eine stark verzögerte Freisetzung aus Polyelektrolytemikrokapseln festgestellt. Mithilfe von literaturbekannten und neu entwickelten Anpassungsmodellen gelang es, die Diffusion als Hauptmechanismus der Wirkstofffreisetzung zu identifizieren und die Freisetzungskurven mathematisch akkurat zu beschreiben und daraus Rückschlüsse über die einzelnen Phasen der Freisetzung zu ziehen.
Das Projekt adressiert ein Problem aus dem Bereich Medizintechnologie (ein NRW-Förderschwerpunkt): die Entwicklung eines für Patienten maßgeschneiderten Gewebeersatzmaterials, ein Knochensurrogat. Kritische (“critical size“) Knochendefekte stellen ein signifikantes Gesundheitsproblem dar, das durch die zurzeit gängigen Knochenersatzmaterialien nicht bzw. nicht effizient therapiert werden kann. Kritische Knochendefekte werden mit artifiziellen Biomaterialien behandelt, die bislang eine unzureichende Regenerationskapazität aufweisen.
Recent approaches in scaffold engineering for bone defects feature hybrid hydrogels made of a polymeric network (retains water and provides light and porous structures) and inorganic ceramics (add mechanical strength and improve cell-adhesion). Innovative scaffold materials should also induce bone tissue formation and incorporation of stem cells (osteogenic differentiation) and/or growth factors (inducing/supporting differentiation). Recently, purinergic P2X and P2Y receptors have been found to significantly influence the osteogenic differentiation process of human mesenchymal stem cells (hMSC). (1) Aim of this work is to develop polysaccharide (PS) composites to be used as scaffolds containing complementary receptor ligands to enable guided stem cell differentiation towards bone formation.