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In drei inhaltlich abgeschlossen Teilen werden Fragestellungen bearbeitet, die sich mit dem Einsatz von Polyhydroxybutyraten als Scaffoldmaterialien für das Tissue Engioneering von Knochen beschäftigen. Zunächst wird ein Prozess optimiert, in dem mittels Verpressen und Auslösen von Platzhaltern (Porogen) poröse Träger (Scaffolds) aus Poly-3-hydroxybuttersäure (P3HB) sowie aus P3co4HB hergestellt werden. Diese Scaffolds werden in der Folge mechanisch und strukturell charakterisiert, wobei Druckfestigkeit, Dauerfestigkeit und Viskoelastizität untersucht werden. Im Ergebnis finden sich mehrere Kandidaten, die für die weitere Testung im Tierversuch in Frage kommen. Weiter wird das Abbauverhalten von schmelzgeponnenen P3HB-Fäden untersucht. Dabei wird ein beschleunigtes Modellsystem gewählt, das noch möglichst nahe am physiologischen Fall aber ohne biologisch aktive Komponente (zB. Enzyme) definiert wurde. Die Charakterisierung bedient sich hier der Gelpermeationschromatographie (GPC), des gasgestützten Elektronenrastermikroskops (ESEM), der differentiellen Thermoanalyse (DSC) und der Rasterkraftmikroskopie. Als Ergebnis zeichnete sich ab, dass neben der hydrolytischen Degradation im Gegensatz zu PHB mit kleinerer spezifischer Oberfläche bei den Fäden auch Erosion zum Abbau beiträgt. Eine partikuläre Freisetzung wird nicht beobachtet. Im dritten Teil werden textile Scaffolds aus P3HB mit einer künstlichen extrazellulären Matrix aus Chondroitinsulfaten (CS) und Kollagen versehen. Dem CS kann hier ein positiver Einfluss auf die osteogene Differenzierung von humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) nachgewiesen werden. Dies wird zum einen durch die verstärkte Expression der alkalischen Phosphatase (ALP) sowie durch die Hochregulation von Proteinen ersichtlich, die bei der osteogenen Differenzierung essentiell sind. In wenigen Gene-Arrays lässt sich ebenfalls erkennen, dass die osteogene Differenzierung durch CS positiv beeinflusst wird. Insbesondere frühe Marker wie ZBTB16 und IGFBPs werden hier identifiziert. Basierend auf den Teilergebnissen wird am Ende ein Beitrag geliefert, der das Tissue Engineering insbesondere für überkritische Röhrenknochendefekte als Methode interessant erscheinen lässt. Dabei werden mechanische Lasten durch konventionelle Fixateure aufgenommen und der Defektraum durch den mehrfachen Einsatz von bio-funktionalisierten flachen Scaffolds gefüllt.:1. Vorwort 3 2. Allgemeine Einführung 5 2.1 Der Knochen 5 2.1.1 Die Knochenbildung 5 2.1.2 Zur Anatomie und Physiologie des Knochens 7 2.2 Tissue Engineering 11 2.2.1 Zelltypen für das Tissue Engineering von Knochen 12 2.2.2 Scaffold Design im Tissue Engineering von Knochen 13 2.3 Polyhydroxyalkanoate 13 2.4 Tissue Engineering am Röhrenknochen 16 2.4.1 Poly(3-hydroxybutyrat)-Scaffolds für das Tissue Engineering von Knochenersatz 17 2.4.2 Matrix Engineering 18 2.5 Ziel der Arbeit 19 3. Mechanik poröser PHB-Scaffolds 21 3.1 Einleitung 21 3.2 Materialien und Methoden 23 3.2.1 Polyhydroxybutyrate und Porogene 23 3.2.2 Uniaxiales Heißpressen 24 3.2.3 Mikrographie 26 3.2.4 Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) 26 3.2.5 Mechanische Druckversuche 26 3.2.6 Mikrocomputertomographie (μCT) 27 3.2.7 Zellviabilität auf den Scaffolds 28 3.3 Ergebnisse 29 3.3.1 Mikrographie 29 3.3.2 Mikrocomputertomographie (μCT) 33 3.3.3 Druckversuche 37 3.3.4 Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) 40 3.3.5 Zellviabilität 40 3.4 Diskussion 40 3.5 Schlussfolgernde Zusammenfassung 46 4. Degradation von P3HB-Fasern 47 4.1 Degradation von Polyhydroxyalkanoaten 47 4.2 Materialien und Methoden 49 4.2.1 Herstellung und Vorbehandlung textiler P3HB-Konstrukte 49 4.2.2 Mechanische Prüfung 50 4.2.3 Beschleunigte Degradation 50 4.2.4 Untersuchung der Oberfläche 50 4.2.5 Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) 51 4.2.6 Gel-Permeations-Chromatographie (GPC) 51 4.3 Ergebnisse 52 4.3.1 Mechanische Tests 52 4.3.2 Die Charakterisierung der Oberfläche 52 4.3.3 Thermische Fasereigenschaften.55 4.3.4 Untersuchung der Molekulargewichte in der GPC 58 4.4 Diskussion 60 4.5 Schlussfolgernde Zusammenfassung 64 5. hMSC auf textilen Scaffolds 67 5.1 Einleitung 67 5.2 Material und Methoden 68 5.2.1 Erzeugung der P3HB-Scaffolds 68 5.2.2 Die Immobilisierung der EZM-Komponenten auf den Scaffolds 69 5.2.3 Isolation, Vorkultur, Besiedlung und Kultur der humanen mesenchymalen Vorläuferzellen 69 5.2.4 Kombinierte Bestimmung von ALP, MTT und Proteingehalt 71 5.2.5 Mikroskopische Untersuchungen 72 5.2.6 Nachweis der Kalziummineralisierung 73 5.2.7 Quantitative real time reverse transcribing polymerase chain reaction (rt-PCR) 73 5.2.8 cRNA Microarray-Untersuchung 74 5.2.9 Zusätzliche Experimente 75 5.3 Ergebnisse 76 5.3.1 Vorhergehende Untersuchung 76 5.3.2 Rasterelektronen-Mikroskopie 77 5.3.3 Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie 79 5.3.4 ALP-Aktivität, SDH-Aktivität und Proteingehalt 82 5.3.5 Mineralisierende Kalziumabscheidung 86 5.3.6 rt-PCR 87 5.3.7 cRNA Microarray-Untersuchung 90 5.3.8 Kulturen von hMSC mit Chondroitinsulfat als gelöstem Zusatz 93 5.4 Diskussion 93 5.5 Schlussfolgernde Zusammenfassung 98 6. Zusammenfassung 101

1 Abstract Introduction Autologous transplants of the cartilage tissue from the pinna is commonly used in reconstructive surgery of the nasal skeleton. The present study used animal models to elucidate responses of the auricular cartilage to its damage or transplantation to ectopic sites. Histomorphological analysis of changes observed in auricular cartilage including immunohistochemical study of different isoforms of actin and S-100 proteins was performed. Human articular cartilage prepared by in vitro cultivation using artificial scaffolds was also studied after its transplantation. Aims of the study The aim was to study histological changes and expression of chondrocytic markers (α- SMA and S-100 proteins) in intact, artificially traumatised, or in a human auricular cartilage cultivated in culture medium. An attempt to grow human auricular cartilage chondrocytes implanted in vitro into various types of three dimensional scaffolds aimed at testing chondrocyte survival and phenotype both in the culture and after transplantation to immunodeficient mice. A human auricular cartilage transplanted into the nasal skeleton of patients during a reconstruction surgery should be submitted to a histomorphological examination. Research assumed also comparison of the auricular cartilage responses to a damage,...

Užití biologických materiálů k náhradě tkání v plastické chirurgii ! Abstrakt v angličtině Background: Biological meshes are biomaterials consisted of extracellular matrix and used in surgery particularly for hernia treatment or thoracic wall reconstruction. They are capable of vascularization, that decreases risk of infection, expecially when used in contaminated fields. This study compared the strength of incorporation and biocompatibility of two porcine-derived grafts (cross-linked and non-cross-linked) in a rat hernia model. In addition, we hypothesized that combination of extracellular matrices with autologous mesenchymal stem cells used for hernia repair would result in increased vascularization and increased strength of incorporation. Methods: Standardized 2 x 4 cm fascial defect was created in 42 Wistar rats and repaired with a cross-linked or a non-cross-linked graft either enriched or non-enriched with stem cells. The rats were sacrificed 3, 6 and 12 months later. The strength of incorporation, vascularization, cellular invasion, foreign body reaction and capsule formation were evaluated. Results: Comparison of stem cell enriched and non-enriched groups showed no significant differences in the capsule thickness, foreign body reaction, cellularization or vascularization. In the non-cross-linked...

Traumatic rupture of the anterior cruciate ligament (ACL) can cause local destabilization and loss of mobility. Reconstruction using engineered ACL grafts is rarely successful due to sub-optimal material choice and mechanical performance. Thus, the presented work demonstrates the fabrication of various embroidered single- and bi-component scaffolds made of two commercially available monofilament threads (polydioxanone, poly(lactic acid-co-ɛ- caprolactone)) as well as a novel melt spun poly(L-lactic acid) multifilament and their mechanical analysis by tensile tests and under cyclic loading. Selected scaffolds, adjusted by material composition and textile parameters, revealed a load–strain behavior comparable to native lapin ACL tissue exhibiting a sufficient amount of elastic deformation within the toe-region of 1.7%, scaffold stiffness of 123 N/mm and adequate maximum tensile load (300 N) and strain (20%). Therefore, the design of resorbable embroidered bi-component scaffolds represents a promising approach to replace artificial non-resorbable ligament grafts and allows for innovative tissue engineering strategies.

The field of articular cartilage tissue engineering has developed rapidly, and chitosan has become a promising material for scaffold fabrication. For this paper, wet-spun biocompatible chitosan filament yarns were converted into short flock fibers and subsequently electrostatically flocked onto a chitosan substrate, resulting in a pure, highly open, porous, and biodegradable chitosan scaffold. Analyzing the wet-spinning of chitosan revealed its advantages and disadvantages with respect to the fabrication of the fiber-based chitosan scaffolds. The scaffolds were prepared using varying processing parameters and were analyzed in regards to their geometrical and mechanical properties. It was found that the pore sizes were adjustable between 65 and 310 µm, and the compressive strength was in the range 13–57 kPa.

The aim of this pilot study was to evaluate the bioactive, surface-coated polycaprolactone-co-lactide scaffolds as bone implants in a tibia critical size defect model. Polycaprolactone-co-lactide scaffolds were coated with collagen type I and chondroitin sulfate and 30 piled up polycaprolactone-co-lactide scaffolds were implanted into a 3 cm sheep tibia critical size defect for 3 or 12 months (n¼5 each). Bone healing was estimated by quantification of bone volume in the defects on computer tomography and microcomputer tomography scans, plain radiographs, biomechanical testing as well as by histological evaluations. New bone formation occurred at the proximal and distal ends of the tibia in both groups. The current pilot study revealed a mean new bone formation of 63% and 172% after 3 and 12 months, respectively. The bioactive, surface coated, highly porous three-dimensional polycaprolactone-co-lactide scaffold stack itself acted as a guide rail for new bone formation along and into the implant. These preliminary data are encouraging for future experiments with a larger group of animals.

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