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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.
Renewable resources gain increasing interest as source for environmentally benign biomaterials, such as drug encapsulation/release compounds, and scaffolds for tissue engineering in regenerative medicine. Being the second largest naturally abundant polymer, the interest in lignin valorization for biomedical utilization is rapidly growing. Depending on resource and isolation procedure, lignin shows specific antioxidant and antimicrobial activity. Today, efforts in research and industry are directed toward lignin utilization as renewable macromolecular building block for the preparation of polymeric drug encapsulation and scaffold materials. Within the last five years, remarkable progress has been made in isolation, functionalization and modification of lignin and lignin-derived compounds. However, literature so far mainly focuses lignin-derived fuels, lubricants and resins. The purpose of this review is to summarize the current state of the art and to highlight the most important results in the field of lignin-based materials for potential use in biomedicine (reported in 2014–2018). Special focus is drawn on lignin-derived nanomaterials for drug encapsulation and release as well as lignin hybrid materials used as scaffolds for guided bone regeneration in stem cell-based therapies.
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.
Renewable resources are gaining increasing interest as a source for environmentally benign biomaterials, such as drug encapsulation/release compounds, and scaffolds for tissue engineering in regenerative medicine. Being the second largest naturally abundant polymer, the interest in lignin valorization for biomedical utilization is rapidly growing. Depending on its resource and isolation procedure, lignin shows specific antioxidant and antimicrobial activity. Today, efforts in research and industry are directed toward lignin utilization as a renewable macromolecular building block for the preparation of polymeric drug encapsulation and scaffold materials. Within the last five years, remarkable progress has been made in isolation, functionalization and modification of lignin and lignin-derived compounds. However, the literature so far mainly focuses lignin-derived fuels, lubricants and resins. The purpose of this review is to summarize the current state of the art and to highlight the most important results in the field of lignin-based materials for potential use in biomedicine (reported in 2014⁻2018). Special focus is placed on lignin-derived nanomaterials for drug encapsulation and release as well as lignin hybrid materials used as scaffolds for guided bone regeneration in stem cell-based therapies.
Bone tissue engineering is an ever-changing, rapidly evolving, and highly interdisciplinary field of study, where scientists try to mimic natural bone structure as closely as possible in order to facilitate bone healing. New insights from cell biology, specifically from mesenchymal stem cell differentiation and signaling, lead to new approaches in bone regeneration. Novel scaffold and drug release materials based on polysaccharides gain increasing attention due to their wide availability and good biocompatibility to be used as hydrogels and/or hybrid components for drug release and tissue engineering. This article reviews the current state of the art, recent developments, and future perspectives in polysaccharide-based systems used for bone regeneration.