Beim Tissue Engineering ist die Vaskularisierung von größeren Zell-Matrix-Konstrukten nach Implantation bis heute ein großes Problem. Durch das initiale Fehlen eines mikrovaskulären Netzwerkes kommt es zu einem raschen Zellsterben im Scaffold. Aufgrund dessen war das Ziel dieser Arbeit, im Sinne des in situ-Tissue Engineering ein Scaffold auf Basis von mineralisiertem Kollagen zu entwickeln, welches mit dem angiogenen Wachstumsfaktor VEGF funktionalisiert wird, um den Prozess der Vaskularisierung – die Einsprossung von Blutgefäßen – zu fördern und gleichzeitig durch Chemoattraktion in vivo Zellen aus dem umliegenden Knochengewebe in das Innere des Scaffolds migrieren zu lassen, so dass eine beschleunigte Defektheilung erzielt wird. Poröse Scaffolds aus mineralisiertem Kollagen wurden durch zwei unterschiedliche Strategien funktionalisiert und durch in vitro-Testungen charakterisiert. Die erste Strategie umfasste die Heparin-Modifizierung der gesamten Scaffolds, während die zweite Strategie die Injizierung eines zentralen VEGF-haltiges Depots in das Scaffoldinnere darstellte. Neben der Charakterisierung der Scaffolds wurde die Freisetzungskinetik des Modellwachstumsfaktors VEGF aus den modifizierten Scaffolds untersucht und die biologische Aktivität des freigesetzten Faktors auf Endothelzellen getestet. Zusätzlich wurde bei der 2. Strategie, der Injizierung eines Wirkstoffdepots, die Ausbildung eines Wirkstoffgradienten und die zielgerichtete Migration von Endothelzellen in Richtung des Wirkstoffdepots analysiert.

Für das Tissue Engineering von Knochen werden poröse dreidimensionale Substrate (Scaffolds) als Zellträger benötigt, die in der vorliegenden Arbeit über keramische Technologie hergestellt wurden. Neben dem strukturierten und getrockneten Verbundwerkstoff (Grünkörper) und der Sinterkeramik wurde auch der Zwischenzustand nach Ausheizen der organischen Phase (Braunkörper) evaluiert. Bei der Herstellung blieb die Architektur der parallel orientierten Kanalporen, die über den Sol-Gel-Prozess der gerichteten ionotropen Gelbildung des Alginates erzeugt wurde, in allen Materialzuständen erhalten. Die Herstellungstechnologie wurde derart optimiert, dass die neuartigen anisotropen Scaffolds allen prinzipiell gestellten Forderungen für das Tissue Engineering entsprachen – sie waren porös mit weithin einstellbarer Porengröße, sterilisierbar, gut handhabbar unter Zellkulturbedingungen, biokompatibel und degradabel. Der unerwartete Favorit der Biomaterialentwicklung, der Braunkörper – eine nanokristalline, poröse Hydroxylapatit-Biokeramik – lag in einer ersten in vivo-Studie nach 4 Wochen integriert im Knochen vor. Die beobachtete Knochenneubildung deutete auf eine osteokonduktive Wirkung des Materials hin. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Technologien und Biomaterialien bieten eine Basis für weitere Forschung und motivieren zur Weiterentwicklung und Nutzung als Scaffold für das Tissue Engineering oder Knochenersatzmaterial unter Verwendung der interessanten Architektur.