DE10130968B4

DE10130968B4 - Beschichtetes Polymermaterial, dessen Verwendung sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10130968B4
Application number: DE10130968A
Authority: DE
Inventors: Rolf Mülhaupt; Hendrik John
Original assignee: Envisiontec GmbH
Current assignee: Envisiontec GmbH
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: DE10130968A1; US20030021823A1

Abstract

Beschichtetes Polymermaterial mit einem gequollenen polymeren Netzwerk und einer durch Umsetzung mindestens zweier Reaktionspartner in Gegenwart des Polymermaterials gebildeten Beschichtung, erhältlich durch:
a) Bereitstellen eines Polymermaterials, welches ein gequollenes polymeres Netzwerk aufweist und den einen Reaktionspartner diffundierbar einschließt und
b) Inkontaktbringen des Polymermaterials mit dem zweiten Reaktionspartner in flüssigem Medium, so dass die Reaktionspartner miteinander unter Ausbildung der Beschichtung reagieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein beschichtetes Polymermaterial, bei dem die Beschichtung durch Reaktion mindestens zweier Reaktionspartner in Gegenwart des Polymermaterials gebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner Verwendungen sowie ein Verfahren zur Herstellung des beschichteten Polymermaterials. Ein solches beschichtetes Polymermaterial ist besonders gut geeignet als Träger für lebende Zellen, z. B. zum Herstellen von künstlichem Gewebe, Knochensubstanz, Organen bzw. organähnlichen Strukturen sowie anderer in den menschlichen, tierischen oder pflanzlichen Organismus einzuführender Bestandteile ("Tissue Engineering"), ferner als Implantat oder als Beschichtungen von medizinischen Vorrichtungen wie Stents, Kathetern oder Bypasseinrichtungen, die im menschlichen oder tierischen Körper eingesetzt werden und deren Biokompatibilität verbessert werden soll.
Es ist allgemein bekannt, Polymermaterialien an den Oberflächen zu modifizieren, um ihnen bestimmte Eigenschaften zu verleihen oder mit gewünschten Funktionen auszustatten. Für medizinische Anwendungen ist es wichtig, Oberflächen von Polymermaterialien, die z. B. in Implantaten eingesetzt werden, über geeignete Oberflächenbeschichtungen biokompatibel zu machen. Ferner hat in den vergangenen Jahren die Bedeutung von Zellträgern und Implantaten für den Bereich des "Tissue Engineering" stark zugenommen. An die hierfür eingesetzten Polymermaterialien werden neben der geforderten Biokompatibilität besondere Ansprüche an die Oberfläche der gewünschten Strukturen gestellt. Dies erfordert in der Regel eine chemische oder physikalische Modifikation der Oberfläche des Zellträgers oder Implantates.
Zu diesem Zweck sind in der Vergangenheit für Metalle und feste Polymermaterialien bereits eine Vielzahl von Techniken entwickelt worden. Hervorzuheben sind hier die Plasmabeschichtung, die Photooxidation, die Plasmaoxidation, die Photopolymerisation, die kovalente Anbindung an das Material oder auch die physikalische Absorption (vgl. am Beispiel von oberflächenmodifizierten Silikonen: T. Okada und Y. Ikada, Journal of Biomedical Material Research, Vol. 27, 1509–1518 (1993)). Alternativ macht man sich in der Zellkulturtechnik den Effekt zu nutze, daß in Lösungen vorliegende Proteine, wie z. B. Fibronektin, beim Eintrocknen denaturieren und einen stabilen Film bilden. Dadurch können flache Gefäße beschichtet werden (siehe z. B. I. A. M. Relou et al., Tissue & Cell, Vol. 30, 525–538 (1998)). Ähnlich funktioniert auch das Eintrocknen eines gelierenden Fibrinogen/Thrombin-Gemisches, wobei es nach dem Eintrocknen zu einem wasserunlöslichen Fibrinfilm kommt (s. V. V. Nikolaychik et al., ASAIO Journal, Vol. 40, M846–M852 (1994)).
Die rein physikalische Absorption des Beschichtungsmaterials an Polymermaterialien ist allerdings oft mit ungenügender Anhaftung verbunden. Den reaktiven Techniken ist gemein, dass entweder das Material selbst verändert wird (z. B. Oxidation) oder aber eine Beschichtung durch von außen auf das zu beschichtende Substrat einwirkende Stoffe bewirkt wird.
Im Gegensatz dazu sind Gele und Hydrogele quellbare bzw. gequollene Materialien mit einem Feststoffgehalt zwischen 1 und 50%, normalerweise bis 15%. Das Quellungsmittel stellt dabei Wasser oder ein wasserbasiertes System dar, der Feststoffbestandteil ein vernetztes Polymer. Der Einfluss des Polymers auf die Biokompatibilität des Hydrogels ist dabei zwar nicht so groß wie bei den ungequollenen Materialien, jedoch noch immer relevant. Beschichtungen werden aber nicht nur zwecks der Biokompatibilität, sondern auch zur Verstärkung von Hydrogelschichten sowie zur Steuerung der Barriereeigenschaften verwandt. Bei der Technik der Mikroverkapselung wird häufig die Reaktion zweier verschiedener Reaktanden miteinander zur Beschichtung ausgenutzt. Bei den bekannten Techniken erfolgt eine Reaktion zwischen dem Polymer des Hydrogels und dem extern zugegebenen Reaktanden, oder es erfolgt eine rein physikalische Absorption an das Hydrogel. Die zur Oberflächenmodifikation fester Materialien entwickelten Techniken, wie z. B. die Plasmaoxidation, sind für Hydrogele in der Regel ungeeignet. Selbst das Eintrocknen von Proteinlösungen ist bei Hydrogelen nicht durchführbar, da sie zu einer unerwünschten Schrumpfung des Hydrogels führen würden. Eine reine physikalische Absorption ist wenig haltbar. Für eine kovalente Anbindung dagegen muss das Polymer reaktive Gruppen enthalten. Sofern dies nicht gegeben ist, oder deren Reaktivität im wässrigen Milieu zu gering ist, müssen aufwendige Modifikationen des Polymers. vorgenommen werden, um eine Reaktivität zu generieren.
Aus der DE 197 27 554 A1 ist ein beschichtetes Polymermaterial bekannt, welches erhalten wurde, indem ein Polymersubstrat an der Oberfläche mit einer Lösung eines Makroinitiators behandelt wurde und anschließend vernetzende Vinylmonomere radikalisch auf den Makroinitiator aufgepfropft wurden. Dadurch werden hydrophilierte Oberflächen mit vollständig bedeckenden Oberflächenschichten erzeugt.
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein verbessertes Beschichtungssystem für gequollene Polymermaterialien bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein beschichtetes Polymermaterial mit einem gequollenen polymeren Netzwerk und einer durch Umsetzung mindestens zweier Reaktionspartner in Gegenwart des Polymermaterials gebildeten Beschichtung, wobei das beschichtete Polymermaterial erhältlich ist durch

a) Bereitstellen eines Polymermaterials, welches ein gequollenes polymeres Netzwerk aufweist und den einen Reaktionspartner diffundierbar einschließt und
b) Inkontaktbringen des Polymermaterials mit dem zweiten Reaktionspartner in flüssigem Medium, so dass die Reaktionspartner miteinander unter Ausbildung der Beschichtung reagieren.

Die Aufgabe wird in einem weiteren Gegenstand der Erfindung ferner gelöst durch Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Polymermaterials, bei dem die Beschichtung durch Umsetzung mindestens zweier Reaktionspartner in Gegenwart des Polymermaterials mit den folgenden Schritten gebildet wird:

Für die sich bei der Reaktion herausbildenden Beschichtung ist es von besonderer Bedeutung, dass das Polymermaterial den einen Reaktionspartner diffundierbar einschließt. In Kontakt mit dem anderen, in flüssigem Medium vorliegenden Reaktionspartner kann der im Polymermaterial eingeschlossene Reaktionspartner an die Phasengrenzfläche zwischen dem Polymermaterial und der flüssigen Phase diffundieren und dort die Reaktion mit dem anderen Reaktionspartner hervorrufen. Dieses Konzept ist sehr wirksam anwendbar auf Polymermaterialien, die quellbar sind. Durch das Quellungsmittel wird eine für die Reaktion günstige Mobilität der Reaktionspartner geschaffen. Grundsätzlich ist das Konzept auf jegliche quellbaren Polmyermaterialien halbfester, pastöser oder geleeartiger Beschaffenheit anwendbar, jedoch ergeben sich besondere Vorteile für die herkömmlich schwierig zu beschichtenden Hydrogele. Dabei wird die Eigenschaft von quellbaren Polymermaterialien, insbesondere die der Hydrogele, ausgenutzt, eine gegebenenfalls hohe Speicherkapazität gegenüber dem einen Reaktanden aufzuweisen. An das Polymer des Polymermaterials werden keine speziellen chemischen Anforderungen gestellt, sofern es in einem entsprechenden Matrixsystem, z. B. in einem geeigneten Quellungsmittel oder einem quellbaren Bindesystem, ein polymeres Netzwerk ausbildet. Durch die in der Masse des Polymermaterials gespeicherte Menge des einen Reaktanden kann bei der Umsetzung kontrollierbar eine über die Oberfläche des Polymermaterials im wesentlichen gleichmäßig verteilte, haltbare Beschichtung generiert werden. Durch die mit der Reaktion einhergehenden Diffusionsprozesse wird eine eigentümliche Oberflächenstruktur erhalten, die für die Zellanhaftung und -besiedlung sehr vorteilhaft ist. Eine chemische Veränderung der Polymermatrix selbst kann zwar je nach Art der gewählten Reaktionspartner erfolgen, ist jedoch nicht erforderlich, so dass der Polymermaterialträger völlig intakt bleiben kann. Die Durchführung der erfindungsgemäßen Beschichtung ist vergleichsweise schnell und einfach und benötigt nur geringe Mengen Substanz.
Nachfolgend wird das beschichtete Polymermaterial sowie das Verfahren, das zum Erhalt der speziellen Reaktivbeschichtung führt, unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen sowie die beigefügten Figuren näher erläutert.
1A–1F zeigen schematisch die Schritte der Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung gemäß einer Ausführungsform.
2 zeigt die mikroskopische Darstellung der bei der erfindungsgemäßen Beschichtung erhaltenen Oberflächenstruktur gemäß einer Ausführungsform.
3A–3C zeigen mikroskopische (3A und 3B) bzw. elektronenmikroskopische (mittels ESEM, 3C) Darstellungen von erfindungsgemäß beschichteten Polymermaterialien als dreidimensionale Objekte, die adhärente Zellen tragen.
4 zeigt schematisch eine Vorrichtung, mit der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform Polymermaterialien als dreidimensionale Objekte mittels des 3D-Plottingverfahrens zur Beschichtung bereitgestellt werden.
5 zeigt schematisch die Erzeugung einer dreidimensionalen Gerüststruktur durch das 3D-Plottingverfahren, wodurch das Polymermaterial zur Beschichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform bereitgestellt wird.
Das zu beschichtende Polymermaterial kann in einer beliebigen, je nach Anwendung gewünschten Form und Dimension vorliegen, z. B. partikulär, als Folie oder Film, als Faserstrang oder als Hohlfaser in gebündelter, gewebter oder nichtgewebter Form, als dreidimensional geformtes Gebilde oder dergleichen. Bevorzugte dreidimensionale Strukturen und Verfahren zur Bereitstellung von Polymermaterialien als derartige Objekte werden unten näher erläutert.
Das zu beschichtende Polymermaterial schließt den einen Reaktionspartner diffundierbar ein. Die Substanz des ersten Reaktanden ist dabei in der Polymermatrix möglichst frei diffundierbar enthalten. Um eine gute Mobilität und Diffusionsfähigkeit zu gewährleisten, besitzt die Substanz des ersten Reaktanden vorzugsweise ein geringes Molekulargewicht, geeigneterweise eine Molekulargewicht von höchstens 1 000, bevorzugt höchstens 500 und weiter bevorzugt höchstens 100. Das Polymermaterial ist in seiner Substanz mindestens teilweise, vorzugsweise weitgehend und weiter bevorzugt vollständig mit der Substanz des ersten Reaktanden beladen. Diese im gequollenen Polymermaterial geladene bzw. gespeicherte Substanzmenge wird dann bei der anschließenden Umsetzung in die Reaktion mit dem zweiten Reaktanden eingebracht. Zur Beladung kann das Polymermaterial so behandelt werden, dass der erste Recktand in das Polymermaterial hineindiffundiert bzw. permeiert oder dass er hineingesaugt wird, z. B. durch Eintauchen des Polymermaterials in eine Lösung des ersten Reaktanden für eine ausreichende Dauer. Falls prozesstechnisch möglich kann alternativ das Polymermaterial bereits herstellungsbedingt den ersten Reaktanden eingeschlossen enthalten, so dass ein separater Schritt der Beladung nicht mehr nötig ist.
Damit die nachfolgende Reaktion mit dem zweiten Reaktanden möglichst kontrolliert ablaufen kann, ist es zweckmäßig, das mit dem beladenen ersten Reaktanden bereitgestellte Polymermaterial einer Behandlung zu unterziehen, um die Oberfläche zumindest teilweise, besser weitgehend von dem eingeschlossenen ersten Reaktanden zu befreien, bevor der Kontakt mit dem zweiten Reaktanden erfolgt. Dies kann am einfachsten durch ein einmaliges oder mehrmaliges Waschen des Polymermaterials in Reaktanden-freiem Medium erreicht werden.
Das Kontaktieren des so mit dem ersten Reaktanden beladenen, gequollenen Polymermaterials mit der flüssigen Phase, die den weiteren Reaktionspartner in Form einer Lösung, Dispersion oder Emulsion enthält, bewirkt dann die Produktbildung zwischen den Reaktionspartnern. Die Reaktion beginnt und läuft im wesentlichen an und/oder in der Nähe der Phasengrenzfläche zwischen dem gequollenen Polymermaterial und der flüssigen Phase ab. Je nach Art der Reaktionspartner und des Reaktionsablaufs, insbesondere die Affinität und die Mobilität des jeweiligen Reaktionspartners in Bezug auf die jeweils andere Phase, kann sich die Beschichtung auf der Oberfläche nach außen aufbauen. Es kann aber auch, gegebenenfalls zusätzlich, eine Reaktion in dem gequollenen Polymermaterial selbst stattfinden. Diese aus Diffusionsprozessen resultierenden Reaktionsabläufe an und/oder in der Nähe der Phasengrenze bilden die Grundlage für eine steuerbare Reaktion und die erfindungsgemäß mögliche gute Haftung der Beschichtung mit dem gequollenen Polymermaterial. Durch das erfindungsgemäße Konzept ist es möglich, dass die Beschichtung durch das Produkt der Umsetzung adhäsiv mit dem Polymermaterial verbunden ist, ohne jedoch die Polymermatrix chemisch zu modifizieren zu müssen. Das polymere Netzwerk und die gewünschte Form des Polymermaterials bleiben somit weitgehend intakt. Gleichwohl kann eine chemische Modifikation des polymeren Netzwerks als Folge der Reaktion der eigentlichen Reaktionspartner stattfinden, falls dies gewünscht wird. Des weiteren ist das erfindungsgemäße Konzept nicht auf eine Umsetzung von zwei Reaktionspartnern beschränkt. Es können weitere Reaktanden eingesetzt werden und zu diesem Zweck zusammen mit dem ersten Reaktanden im Polymermaterial oder zusammen mit dem zweiten Reaktanden in der flüssigen Phase vorgelegt werden, wobei jedoch eine Reaktion der Reaktionsteilnehmer erst im Kontaktierungsschritt erfolgt.
Durch die durch das erfindungsgemäße Konzept geschaffene Möglichkeit, dass eine begrenzte, im Polymermaterial vorliegende Menge an erstem Recktand unter Begleitung von Diffusionsprozessen an der Reaktion teilnimmt, kann eine homogene, im wesentlichen über die gesamte Oberfläche verteilte Beschichtung des Polymermaterials mit gleichzeitig unregelmäßiger Oberflächenstruktur generiert werden. Dies ist für viele Anwendungen, insbesondere für eine ausgezeichnete Haftung und Besiedlung von lebenden Zellen von großem Vorteil. Außerdem kann über die Beeinflussung der Reaktionsbedingungen die gewünschte Dicke der Beschichtung gut eingestellt werden, z. B. in einem für die Anwendungen günstigen Bereich von 1 bis 50 μm, insbesondere im Bereich von 5 bis 40 μm.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Beschichtung der vorliegenden Erfindung auf der Grundlage eines wasserbasierten Systems. Danach ist das Quellungsmittel für das polymere Netzwerk des Polymermaterials Wasser, eine wässrige Lösung oder eine Mischung von Wasser mit organischen Lösungsmitteln. Ferner sind in dieser bevorzugten Ausführungsform die mindestens zwei Reaktionspartner wasserlöslich und bilden infolge der Umsetzung ein wasserunlösliches Produkt. Grundsätzlich sind jedoch je nach Art des polymeren Netzwerks auch nicht-wässrige Quellmittel wie organische Lösungsmittel einsetzbar. Die Erweiterung auf nicht-wässrige Systeme erlaubt in günstiger Weise den variablen Einsatz weiterer Reaktanden, die eine Reaktion nach dem erfindungsgemäßen Konzept leichter im nicht-wässrigen System hervorbringen.
Das erfindungsgemäße Konzept ist am besten anwendbar, wenn das polymere Netzwerk als Gel oder Paste vorliegt und vor allem, wenn es als Hydrogel vorliegt. Mit den wasserbasierten Hydrogelen lässt sich das erfindungsgemäße Beschichtungssystem am einfachsten und effektivsten realisieren. Bedingt durch den hohen Wassergehalt lassen sich Hydrogele problemlos mit hydrophilen Substanzen, die als Reaktionspartner in Frage kommen, beladen, und die mit der Reaktion einhergehenden Diffusionsprozesse können rasch ablaufen. Zudem können eine Vielzahl von Polymerarten nicht nur als Gele, sondern auch in Form von Hydrogelen zur Verfügung gestellt werden. Das polymere Netzwerk besitzt in der Regel hydrophile Gruppen, um das Polymer mit einer Hydrophilie auszustatten. Das polymere Netzwerk kann durch kovalente Verknüpfungen der Polymeren, aber auch über elektrostatische, hydrophobe und/oder Dipol/Dipol-Wechselwirkungen zwischen einzelnen Segmenten der Polymerketten aufgebaut sein. Das polymere Netzwerk kann dreidimensional oder in Form von interpenetrierenden oder semi-interpenetrierenden Netzwerken (IPN oder SIPN) aufgebaut sein. Ferner können an sich als Hydrogele vorliegende polymere Substanzen chemisch modifiziert werden, z. B. um über eine erhöhte Vernetzungsdichte die Stabilität und die Biodegradation beeinflussen zu können.
Als Substanzen, die für die Bildung des quellbaren, polymeren Netzwerks geeignet sind, kommen zum Beispiel Polysaccharide oder Polysaccharidderivate, Proteine oder proteinartige Produkte, Polyurethane, Polyurethan/Polyharnstoffe oder Polyester-Polyurethan/Polyharnstoffe, Silikone, anionische oder kationische Polyelektrolyte, Poly(meth)acrylate oder Poly(meth)acrylsäure-Derivate oder Kombinationen der genannten Substanzen in Betracht.
Geeignete Polysaccharide sind z. B. Alginsäure oder Alginat, Agar-Agar und/oder Cellulose und Cellulosederivate. Geeignete Cellulosederivate sind Hydroxyalkylcellulose, z. B. Hydroxymethyl- oder Hydroxypropylcellulose, und Hydroxyalkylcelluloseether. Bevorzugtes Polysaccharid ist Alginsäure bzw. Alginat, insbesondere Agar-Agar.
Geeignete Proteine oder proteinartige Produkte sind z. B. Gelatine oder quellbares oder sauer lösliches Kollagen, insbesondere solche, die thermoreversible Hydrogele bilden können oder durch pH-Änderungen ausfüllbar sind. Geeignete synthetische Polymermaterialien sind z. B. Polyvinylalkohol, dessen wässrige Lösungen sich durch Abkühlen zu einem Hydrogel verfestigen lassen.
Geeignete Poly(meth)acrylate oder Poly(meth)acrylsäure-Derivate sind z. B. Hydroxyalkyl(meth)acrylat und Poly(N-alkylacrylamid) mit jeweils kurzkettiger Alkylgruppe wie Methyl, Ethyl, n-Propyl oder iso-Propyl.
Das zu beschichtende Polymermaterial kann nach Wunsch weitere nützliche Substanzen einschließen, die durch die anschließende Reaktion der Reaktionspartner jedoch vorzugsweise in ihrer Funktion nicht beeinträchtigt oder modifiziert werden. Zur Erhöhung der Festigkeit können Füllstoffe eingeschlossen werden, die gegebenenfalls biodegradierbar sein können. Ferner kann das zu beschichtende Polymermaterial mindestens eine pharmazeutisch wirksame und/oder mindestens eine biologisch wirksame Substanz enthalten. Durch Einschluss pharmazeutischer Substanzen können sehr effizient Wirkstoffträger erzeugt werden und mit nützlichen Eigenschaften ausgestattet werden, z. B. für eine – bedingt durch die erfindungsgemäße Beschichtung – verzögerte Freisetzung des Wirkstoffs, oder für eine – bedingt durch die Wahl geeigneter, ggf. als zweitem Recktand eingesetzter Substanzen für die Beschichtung – zielgerichtete Therapie im Sinne eines "Drug Targetings". Weitere bevorzugte Beispiele von pharmazeutisch/biologisch wirkenden Substanzen, die eingeschlossen werden können, stellen Wachstumsfaktoren und Cytokine dar, die je nach Wunsch einen künstlichen Gewebeaufbau ("Tissue Engineering") fördern können. Ferner können vorteilhaft zum Zwecke des "Tissue Engineering" lebende Zellen, die pflanzlichen, tierischen und vor allem menschlichen Ursprungs sein und z. B. aus Zellkulturen stammen können, in das zu beschichtende Polymermaterial eingeschlossen werden. Insbesondere Hydrogele, die gegebenenfalls geeignete Nähr- oder Kulturmedien in der Polymermatrix enthalten können, sind aufgrund der fehlenden oder geringen Toxizität sowie der guten Aufnahmefähigkeit von lebenden Zellen für diesen Zweck gut geeignet.
Der in der flüssigen Phase eingesetzte zweite Reaktionspartner wird in einer bevorzugten Ausführungsform so gewählt, dass nicht nur die Beschichtung erzeugt, sondern dass mit dessen Hilfe gleichzeitig die Zelladhäsion und/oder die Biokompatibilität des Polymermaterials gefördert wird. Zu diesem Zweck stehen eine Reihe von Substanzen zur Verfügung, die die gewünschte(n) Funktione(n) erfüllen können und gleichzeitig an einer geeigneten Reaktion mit dem im Polymermaterial gespeicherten ersten Reaktanden teilnehmen können. Dazu können allein oder in Kombination eingesetzt werden: Proteine wie z. B. Kollagen, Elastin und Keratine, bevorzugt Glycoproteine wie z. B. Fibrinogen, Fibronektin und Laminin, Proteoglycane, Mucopolysaccharide (Glucosaminoglucane) wie Hyaluronsäure (Hyaluronan), Heparin und Chondroitinsulfat, Polyuronide wie z. B. Alginsäure oder Alginat, Mineralienbildner wie z. B. Phosphat oder Hydrogenphosphat oder den Derivaten der genannten Substanzen.
Am meisten bevorzugt wird der Einsatz von Fibrinogen. Nach Beladung des Polymermaterials mit Thrombin und Calciumionen führt dieses Beschichtungssystem zur Bildung einer festen Fibrinschicht mit ausgezeichneter Haftung mit dem Polymermterialträger. Dieses System kann weiter verbessert werden, indem Aprotinin als Stabilisator zusammen mit dem Fibrinogen verwendet wird. Dadurch kann die Beschichtungsreaktion besser kontrolliert werden.
Der für die Bildung der Beschichtung ablaufende Reaktionstyp hängt in erster Linie von der Wahl der Reaktionspartner ab. Dabei können für einen gewünschten Reaktionstyp die Reaktionspartner zum Beispiel so gewählt werden, dass als Reaktion eine Polyelektrolytkomplexierung, eine chemische, enzymatische oder biochemische Vernetzung, eine Ausfällung, eine durch pH-Änderung vermittelte Reaktion, eine Polymerisation (z. B. radikalische Polymerisation von Hydroxyethylmethacrylsäure) oder eine Redoxreaktion stattfindet.

In der nachfolgenden Tabelle 1 werden mögliche Ausgestaltungen der Beschichtungsreaktion sowie Beispiele für jeweiligen Reaktanden genannt: Tabelle 1

Reaktionstyp	erster Recktand (zur Beladung)	zweiter Recktand (in flüssigem Medium)

Polyelektrolytkomplexierung	a) mehrwertige Kationen, z. B. Ca²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Fe³⁺ oder Al³⁺, vorzugsweise Ca²⁺	a) anionischer Polyelektrolyt, z. B. Alginsäure, Hyaluronsäure, (Meth)Acrylsäure oder deren Salze, etc.
Polyelektrolytkomplexierung	b) mehrwertige Anionen, z. B. (Hydrogen-)Phophat, etc.	b) kationischer Polyelektrolyt, z. B. Chitosan, Polyethylenimin, etc.
Enzymatische oder biochemische Vernetzung	Thrombin + Ca²⁺	Fibrinogen
Ausfällung	Lösliche Salze, z. B. Phosphate, Sulfate (z. B. Alaun), Carbonate	Proteine, die, ggf. in Gegenwart von mehrwertigen Kationen wie Ca²⁺, denaturieren
PH-Änderungen	a) Säurelösung (z. B. Salzsäure	a) Hyaluronsäure- und/oder Alginsäure, basische Caseinlösung
PH-Änderungen	b) Alkal. Lösung (z. B. Natronlauge)	b) Chitosan oder Kollagen
Redoxreaktionen	a) Oxidationsmittel	a) wird oxidiert und beschichtet
Redoxreaktionen	b) Reduktionsmittel, z. B. Thiosulfatlösung	b) wird reduziert und beschichtet, z. B. Silbersalzlösung (diese Beschichtung verhindert Zelladhäsion so gut wie vollständig und wirkt keimtötend)
Polymerisation	Fe²⁺-Lösung	wässrige Lösung von Hydroxyethyl-methacrylat (HEMA) mit Wasserstoffperoxid als Initiator

Das Prinzip des erfindungsgemäßen Konzepts der Beschichtung wird nachfolgend beispielhaft anhand einer Polyelektrolytkomplexierung unter Bezugnahme auf 1A bis 1F beschrieben:
Zunächst wird ein Objekt mit gequollenem Polymermaterial 1, z. B. ein Hydrogel, das ein polymeres Netzwerk 1a und eine Matrix des Quellungsmittels 1b umfasst, bereitgestellt (1A). Dann wird das Objekt in eine Lösung des ersten Reaktanden 2, z. B. Ca-Ionen als mehrwertigem Kation, eingetaucht (1B), wonach dieser erste Recktand in die Matrix des Polymermaterials eindiffundieren kann (1C). Nach einer ausreichenden Dauer zur möglichst vollständigen Beladung des Polymermaterials mit dem ersten Reaktanden wird das Objekt 1 mit dem zweiten Reaktanden 3, z. B. Alginat und/oder Hyaluronat als Polyelektrolyten, in flüssiger Phase in Kontakt gebracht (1D). In dieser Phase diffundiert der erste Recktand aufgrund seiner hohen Mobilität relativ rasch zur Phasengrenze und bildet dort das Reaktionsprodukt, welches im Falle eines komplexierten Polyelektrolyten wasserunlöslich ist und sich als eine stabile Beschichtung 4 niederschlägt (s. 1E und F). Die an der Oberfläche ablaufende Reaktion lässt sich leicht am Lichtmikroskop verfolgen.
2 zeigt anhand einer mikroskopischen Aufnahme das Resultat einer solchen Beschichtung (Agar-Agar-Hydrogel als Polymerobjekt; Ca-Ionen als erster Recktand und Alginat/Hyaluronat als Polyelektrolyt, hergestellt gemäß dem unten beschriebenen Beispiel 1). Es liegt eine vollständige homogene Beschichtung des Polymerobjekts 1 vor. Das Produkt der Reaktion hat sich an und in der Nähe der Grenzfläche 1c des Hydrogels herausgebildet und bietet Gewähr für eine feste Haftung der Beschichtung. Ferner hat sich durch die Beschichtung 4 eine charakteristische, unregelmäßige Oberflächenstruktur herausgebildet. Es wird vermutet, dass dies durch Diffusionskanäle hervorgerufen wird, die sich während der Reaktion ausbilden.
Das erfindungsgemäß beschichtete Polymermaterial ist üblicherweise ein dreidimensionales Objekt. Die Form des Objekts kann wie bereits erwähnt je nach Bedarf und Anwendung gestaltet werden. Dreidimensionale Objekte können vorteilhaft als Wirkstoffträger, insbesondere als Zellträger oder Implantate verwendet werden, um die infolge der Beschichtung erzielte ausgezeichnete Biokompatibilität sowie Adhäsionsfähigkeit gegenüber lebenden Zellen auszunutzen.
Geeignete Verfahren zur Herstellung gewünschter dreidimensionaler Objekte von Polymermaterialien stellen zum Beispiel das Gussformen, wie etwa für Knorpelersatz gegossene Pasten oder Hydrogele, oder die Schichtbildung von Hydrogelen zur Erzeugung künstlicher Haut dar (s. z. B. G. B. Stark et al., Biological Matrices and Tissue Reconstruction, Springer Publ., Berlin, 1998). Häufig besteht ein Bedarf, unabhängig von Formungsprozessen dreidimensionale Gerüste auszubilden, etwa um organ-ähnliche Strukturen aufzubauen oder um bessere Träger für kultivierte Zellen zu erhalten. Zu diesem Zweck sind Zelleinschlusstechniken im Mikrometermaßstab entwickelt worden (s. W. M. Kuhtreiber et al., Cell encapsulation technology and therapeutics, Birkhäuser, Boston, 1998). Ferner bietet die "Rapid Prototyping" (RP) Technologie ein computerunterstütztes System zur maßgeschneiderten Generierung dreidimensionaler Objekte, insbesondere unter Ausnutzung des "Free Form Fabrication" (FFF) Prozesses (s. Wohlers Report 2000, Rapid Prototyping & Tooling State of the Industry, Annual Worldwide Progress Report, T. Wohlers, Wohlers Associates, Inc., Fort Collins, Colorado, 2000; und E. Sachs et al., Journal of Engineering for Industry, Vol. 144, 481–488 (1992)).
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das dreidimensionale Polymermaterial-Objekt mittels dem sogenannten 3D-Plotverfahren gebildet. Dieses Verfahren wurde in der DE 100 18 987 A1 sowie von R. Landers und R. Mülhaupt in Macromol. Mater. Eng. 282, 17–22 (2000) beschrieben. Das Prinzip einer Vorrichtung, die zur temperaturabhängigen Gelierung geeignet ist, ist in 4 gezeigt. Eine doppelwandige Kartusche 47 wurde mit einem Thermostaten mit Ein- bzw. Ausgängen 46a/46b gekoppelt, um Temperaturen von bis 100°C einstellen zu können. Ein Dispenser 40 ist mit einer Ausstoßöffnung 44, die isolierend oder mit elektrischem Heizelement ausgestaltet sein kann, und einer Einrichtung 45 zum Aufbau eines Überdrucks (z. B. Druckluft) ausgestattet. In der Kammer des Dispensers ist eine gelierbare Polymerlösung als das Plottingmaterial 41 enthalten. Das Plotten des Polymermaterials wird unter geeigneten Bedingungen des angelegten Drucks und der Temperatur in ein nicht gasförmiges, üblicherweise ein flüssiges Plotmedium 43 ausgeführt. Relevante Parameter für das dreidimensionale Plotten sind ferner das thermische Verhalten des Plotmaterials, dessen Viskosität, dessen Quellneigung im Plotmedium sowie dessen Dichte. Im Falle von thermoreversiblen Hydrogelen ist die Temperatur des Polymer-Plotmaterials 41 in ausreichendem Maße oberhalb und diejenige des Plotmediums 43 auf einen Bereich unterhalb der Geliertemperatur des Hydrogels eingestellt. Die Gelierung des Plotmaterials in dem Medium sollte in Abhängigkeit der die Ausstoßöffnung verlassende Menge an Plotmaterial, der Bewegungsgeschwindigkeit des Plotkopfes und der gewünschten Dicke der Strangschicht für kurze Dauer hinausgezögert werden, um eine Verschmelzung mit der darunter liegenden Strangschicht zu ermöglichen. Das Medium 43 sollte in etwa dieselbe Dichte wie das Plotmaterial 41 aufweisen, um Gravitationskräfte, die ansonsten zu einem Zusammenbrechen der überhängenden Bereiche führen können, durch ausreichende Auftriebskräfte zu kompensieren. Das Medium 43 kann z. B. ein wässriges Medium sein und geeignete Zusätze enthalten, um die Viskosität und die Dichte des Plotmediums einzustellen. Die Diffusion der polymeren Ketten des Plotmaterials in das Plotmedium sollte verhindert werden. Die kann erreicht werden, indem die Gelierung ausreichend schnell ablaufen gelassen wird, oder indem ein für das Polymere unlösliches Plotmedium gewählt wird.
Auf diese Weise können gewünschte dreidimensionale Objektstrukturen wie Gerüste aus Hydrogelsträngen 42 auf einem Hilfsträger 48, z. B. einer sandgestrahlten Metallplatte, aufgebaut werden. Zu diesem Zweck ist der Plotkopf des Dispensers dreidimensional beweglich, wie durch die Pfeilrichtungen demonstriert. Wie in 5 näher gezeigt kann der Strangverlauf durch computergesteuerte Bewegung des Dispenders festgelegt werden mit einer in erster Linie vom gewählten Innendurchmesser der Ausstoßöffnung des Dispensers abhängenden Strangdicke, die z. B. im Bereich von 50 bis 1 000 μm, bevorzugt von 50 bis 500 μm und weiter bevorzugt von 100 bis 200 μm liegt. Über die Dicke der Polymerstränge sowie über die apparativ festzulegenden Wiederholungsabstände d2 und d3 des Strangverlaufs kann die Makroporengröße, d. h. die durchschnittliche Größe der zwischen den Strängen sich herausbildenden Poren auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Im Sinne einer guten Zellbesiedlung sowie einer guten Zufuhr von Nährstoffen und Abfuhr von verbrauchtem Material wird der durchschnittliche Porendurchmesser der Makroporen im dreidimensionalen Gerüstobjekt auf einen Bereich von 10 bis 1000 μm, vorzugsweise von 200 bis 400 μm eingestellt. Es ist ferner von Vorteil, wenn das dreidimensionale Objekt Mikroporen mit durchschnittlichem Porendurchmesser im Bereich bis 50 μm, z. B. von 10 bis 50 μm und bevorzugt von 25–40 μm aufweist. Solche Mikroporen können im erfindungsgemäßen System der quellbaren polymeren Materialien ohne weiteres durch die Extraktionstechnik hergestellt werden. Dazu werden dem Polymermaterial ergänzend Porenbildner wie Cholinsäure oder dem Zeinprotein aus Mais zugesetzt, die vor oder nach der Beschichtung aus dem Polymermaterial mit einem geeigneten Lösungsmittel, z. B. 70%-igem Ethanol herausextrahiert bzw. herausgelöst werden.
Die Herstellung der dreidimensionalen Gestalt kann vor der erfindungsgemäßen Beschichtung erfolgen. Im Sinne einer besseren Verfahrensökonomie ist es jedoch möglich, den 3D-Plottingprozess so auszugestalten, dass gleichzeitig die erfindungsgemäß gewünschte Beschichtungsreaktion in einem Schritt mit dem Plottingprozess abläuft. In diesem Fall sind in dem In 4 gezeigten Plotmaterial 41 bereits der erste Reaktand und im flüssigen Plotmedium 43 bereits der zweite Reaktand der beabsichtigten Beschichtungsreaktion enthalten. Der für das Plotmaterial gewählte Zusatz braucht nicht, kann aber gleichzeitig die Funktion des zweiten Reaktanden erfüllen.
Vor einer gewünschten Zellbesiedlung sollte das erfindungsgemäß beschichtete Objekt sterilisiert werden, z. B. durch Behandlung in 70%-igem Ethanol. Dies kann im Fall des Einsatzes von Porenbildnern gleichzeitig in einem Schritt mit der Extraktion erfolgen. Vor der Inkubation mit den zu besiedelnden Zellen wird das Ethanol entfernt, indem das Objekt in Kulturmedium gelegt wird.
3A zeigt einen Teil eines Gerüsts eines dreidimensionalen Hydrogels mit der erfindungsgemäßen Beschichtung. An diese Beschichtung des Hydrogels wurden mit guter Effizienz adhärente Zellen aus einer Zelllinie, hier Fibroblasten, angeheftet. 3B stellt einen mit den Zellen behafteten Hydrogelstrang in einer höheren Vergrößerung dar.
3C zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme mit einem ESEM ("Environmental Scanning Electron Microscope").
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert, die die Erfindung jedoch nicht einschränken sollen.
Beispiel 1
1. Herstellen des Polymermaterials als dreidimensionales Objekt
Mittels der Technik des 3D-Plottens wurden dreidimensionale Träger wie in der DE 100 18 987 A1 sowie wie von R. Landers und R. Mühlhaupt in Micromol. Mater. Eng. Vol. 282, 17–22 (2000) beschrieben hergestellt. Mit einem in 4 schematisch dargestellten 3D-Plotter wurde ein aus einem Strang des Polymermaterials gebildetes Gerüst wie in 5 schematisch gezeigt aufgebaut. Die Ausstoßöffnung des 3D-Plotters wies eine Spitze aus Cyanacrylat mit einer inneren Beschichtung von PTFE (Teflon) auf. Der innere Durchmesser der Ausstoßöffnung betrug 150 μm, der auf das Plotmaterial ausgeübte Überdruck betrug 2,10 × 10⁵ Pa, und die Bewegungsgeschwindigkeit des Plotkopfes betrug 17,00 mm/s, wobei an den Kanten des Übergangs von einer Lage zur nächsten, darüberliegenden Lage einer Verzögerungsdauer von 0,10 s eingestellt wurde. Die Wiederholungseinheiten d2 und d3 betrugen 1,00 mm bzw. 0,30 mm. Es wurden 30 Strangschichten aufgebaut.
Als Polymermaterialien wurden thermoreversible Hydrogele erzeugt. Im Beispiel 1 wurde Agar-Agar als Material eingesetzt, welches als 5 Gew.%-ige, auf 70°C erwärmte Lösung in eine 4,5 Gew.%-ige, 20°C kalte Gelatinelösung geplottet wurde. Der dosierte Agarstrang erstarrte kurz nach dem Verkleben mit der vorherigen Schicht, wodurch ein poröses 3D-Gerüst mit einer Porosität von 35 bis 45% erhalten wurde.
2. Beschichtung des Polymermaterials
Der so hergestellte, dreidimensionale Hydrogelträger wurde zunächst für eine Stunde in eine 5 M wässrigen CaCl₂-Lösung gelegt. Nach erfolgter Diffusion der Ca⁺⁺-Ionen in das Hydrogel wurde das Objekt dreimal rasch mit demineralisiertem Wasser gewaschen und anschließend in eine Lösung gelegt, die 0,01 g/l Hyaluronsäure (Natriumsalz) und 0,01 g/l Alginsäure (Natriumsalz) enthielt. Nach einem ausreichenden Wachstum der durch Komplexierung des Polyelektrolyten mit den Kalziumionen sich bildenden Beschichtung, welche sich gut im Lichtmikroskop verfolgen ließt, wurde die Beschichtungsreaktion durch erneutes Abspülen mit demineralisiertem Wasser gestoppt.
Die Beschichtung war über die Oberfläche der Polymerstränge gleichmäßig verteilt. Andererseits war die Oberflächenbeschaffenheit, besonders im Bereich der größeren Dicken, unregelmäßig und „fellartig". Die Dicke der Beschichtung lag zwischen 5 und 40 μm.
3. Anheftung von Zellen an das beschichtete Polymermaterial
Das so beschichtete dreidimensionale Gerüst wurde zunächst in 70%igem Ethanol (drei Stunden) sterilisiert und dann nochmals für drei Stunden zur Entfernung des Ethanols in normales Kulturmedium gelegt. Zwei Zellarten wurden auf die Hydrogel-Gerüste gesät, zum einen eine humane Osteosarkoma-Zelllinie (CAL-72) und zum anderen Maus-Fibroblasten (beide Zellarten sind von der DSMZ, Braunschweig, Deutschland, erhältlich). Die Kultivierung der Zellen erfolgte in Vertiefungen von Mikrotiterplatten in 100 μl Zellmedium, wobei 1 × 10⁴ Zellen pro Vertiefung eingebracht wurden. Das Medium für die Fibroblasten bestand aus RPMI 1640 (Gibco Life Technologies, Inc., Grand Island; NY, USA) mit 5% fötalem Kälberserum (FCS, PAA), 2% HEPES (Gipco Life) sowie den Antibiotika Penicillin (100000 U/l) und Streptomycin (100 mg/l) (beide erhältlich von Seromed, Berlin, Deutschland). Das Medium für die Osteosarkoma-Zelllinie bestand aus Dulbecco-modifiziertem Eagles-Medium (DMEM, Gibco Life) mit 10% fötalem Kälberserum, 2% HEPES, den Antibiotika Penicillin (100000 U/l) und Streptomycin (100 mg/l) (beide von Seromed) sowie dem Insulin/Transferrin/Natriumselenit-Kulturzusatz (erhältlich von Sigma, St. Louis, USA). Die Kultivierungen erfolgten für 48 Stunden in feuchter Atmosphäre mit 5% CO₂ bei 37°C in einer Inkubationskammer (Heraeus, Hanau, Deutschland).
Zur Analyse der Zellproliferationsfähigkeit und Zytotoxitität wurde der EZ4Y-Ansatz (erhältlich von Biomedica, Wien, Österreich) angewandt. Diesem Test liegt die Fähigkeit lebender Zellen zugrunde, das farblose bzw. leicht gefärbte Tetrazoliumsalz durch interzelluläre, intakte Reduktionssysteme in das reduzierte, intensiv gefärbte Formazan umzuwandeln. Die Mengen an entwickelter Farbe, die sich mittels Äbsorption bei einer Wellenlänge von 540 nm bestimmen läßt, korreliert dabei mit der Anzahl lebender Zellen in einer Probe.
Die Untersuchungen ergaben eine sehr gute Zellbesiedlung der dreidimensionalen, beschichteten Träger. Die Zellbesiedlungseffizienz mit vitalen Zellen variierte bei beiden Zellarten zwischen 20 und 35% der ursprünglich eingesetzten Zellen. Diese Werte sind für praktische Zwecke gut angesichts der kurzen Verdopplungszeiten der verwendeten Zellen (Fibroblasten: 24 Stunden, Sarkomazellen: 50 Stunden).
Vergleichsbeispiel 1
Beispiel 1 wurde wiederholt, ohne jedoch das Hydrogel-Polymermaterial mit Hyaluronat/Alginat zu beschichten. Herstellungsbedingt war die Oberfläche des Hydrogels glatt. In diesem Fall wurde nach dem Auftropfen der Zellsuspensionen auf den 3D-Träger keine Anhaftung von Zellen beobachtet (im Gegensatz zu Bakterien heften sich eukaryotische Zellen nicht ohne weiteres an Agar-Agar an). Die Zellen sanken durch die Poren des Gerüstes hindurch.
Vergleichsbeispiel 2
Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei jedoch anstelle der erfindungsgemäßen Beschichtung ein Beschichtung hergestellt, indem das Gerüstobjekt von einer gerade gelierenden Fibrinogen-Thrombin-Lösung übergossen wurde.
Im Ergebnis wurde keine gleichmäßige Beschichtung erzielt. Teilweise waren die für die Perfusion des Nährmediums nötigen Poren des 3D-Trägers vollständig verklebt, während die Beschichtung andere Stellen nicht erreichte.
Für die Beispiele 2 bis 9 wurden dünne Scheiben eines Agarhydrogels den beschriebenen Beschichtungen unterworfen. Beispiel 3 ist daher ähnlich Beispiel 1.
Beispiel 2
Die Objekte aus Hydrogel wurden für 15 Minuten in 1 M CaCl₂-Lösung eingetaucht, 10 × mit demineralisiertem Wasser abgespült, und anschließend in eine Lösung mit 1 Gew.-% Alginat zur Beschichtung eingetaucht.
Die Beschichtungsreaktion lief sehr schnell ab, und es bildete sich eine feste und milchig durchscheinende Beschichtung.
Beispiel 3
Die Objekte aus Hydrogel wurden für 15 Minuten in 1 M CaCl₂-Lösung eingetaucht, dann 7 × mit demineralisiertem Wasser abgespült und anschließend für 2 Minuten zum Beschichten in eine Lösung eingetaucht, die 0,25 Gew.-% Hyaluronat und 0,25 Gew.-% Alginat enthielt.
Es bildete sich eine milchige, durchscheinende Beschichtung, die im Vergleich zu Beispiel 2 zwar eine etwas geringere Festigkeit, jedoch eine bessere Haftung zum Hydrogelobjekt 'hatte. Ferner zeigte sich eine geringere Schrumpfung der Beschichtung im Vergleich zu Alginat allein. Das beschichtete Hydrogel eignete sich gut für Zellkulturen.
Beispiel 4
Die Objekte aus Hydrogel wurden in einer Lösung von Thrombin und Calcium (76 mg Thrombin (bovin) und 59 mg CaCl₂ × 2 H₂O in 10 ml isotonischer NaCl-Lösung), dann 6 × mit demineralisiertem Wasser abgespült und schließlich 5 Minuten in eine Fibrinogen/Aprotinin-Lösung (870 mg Fibrinogen (bovin) und 1,6 mg Aprotinin in 20 ml isotonischer NaCl-Lösung) eingetaucht. Die Beschichtungsreaktion lief schnell und gut kontrollierbar ab. Es bildete sich eine weiße Beschichtung mit ausgezeichneter Haftung zum Hydrogelträger, die keine Schrumpfung zeigte. Das zugesetzte Aprotinin stabilisierte das Fibrinogen und begrenzte die Fibrinbildung auf die Grenzfläche zwischen Hydrogel und wässriger Lösung.
Beispiel 5
Die Objekte aus Hydrogel wurden 15 Minuten in Alaun-Lösung (0,125 M Kaliumaluminiumsulfat-Lösung) eingetaucht, 3 × mit demineralisiertem Wasser abgespült und anschließend für 5 Minuten in 30 Gew.%-iger Eiweißlösung (Hühnerei) eingetaucht.
Es bildete sich eine feste Beschichtung aus weißem, denaturiertem Eiweiß.
Beispiel 6
Die Objekte aus Hydrogel wurden 15 Minuten in 1 M Salzsäurelösung eingetaucht, dann 3 × mit demineralisiertem Wasser abgespült und anschließend 5 Minuten in 30 Gew.%-iger Eiweißlösung (Hühnerei) eingetaucht.
Es bildete sich eine weiße Beschichtung mit ausfallendem Eiweiß aus. Die Haftung gegenüber dem Substrat war im Vergleich zur Verwendung von Alaun gemäß Beispiel 5 besser.
Beispiel 7
Die Objekte aus Hydrogel wurden 15 Minuten in 1 M Salzsäure eingetaucht, 3 × mit demineralisiertem Wasser abgespült und anschließend für 5 Minuten in 0,5 Gew.%-iger Hyaluronsäure-Lösung eingetaucht.
Es bildete sich eine transparente Beschichtung, die eine gute Haftung gegenüber dem Träger aufwies.
Beispiel 8
Die Objekte aus Hydrogel wurden 15 Minuten in 1 M-HEPES-Lösung eingetaucht, 3 × mit demineralisiertem Wasser abgespült und anschließend für 5 Minuten in 1 Gew.%-iger Kollagen-Lösung in Salzsäure (pH = 2) eingetaucht.
Beispiel 9
Die Objekte aus Hydrogel wurden 15 Minuten in 1 M CaCl₂-Lösung eingetaucht, 3 × mit demineralisiertem Wasser abgespült und anschließend für 3 Minuten in 0,5 M Na₂PO₄-Lösung eingetaucht.
Es entwickelte sich sehr rasch eine Beschichtung aus weiß ausfallendem Calciumphosphat.

Claims

Beschichtetes Polymermaterial mit einem gequollenen polymeren Netzwerk und einer durch Umsetzung mindestens zweier Reaktionspartner in Gegenwart des Polymermaterials gebildeten Beschichtung, erhältlich durch: a) Bereitstellen eines Polymermaterials, welches ein gequollenes polymeres Netzwerk aufweist und den einen Reaktionspartner diffundierbar einschließt und b) Inkontaktbringen des Polymermaterials mit dem zweiten Reaktionspartner in flüssigem Medium, so dass die Reaktionspartner miteinander unter Ausbildung der Beschichtung reagieren.
Beschichtetes Polymermaterial nach Anspruch 1, wobei das Inkontaktbringen die Produktbildung zwischen den Reaktionspartnern an der Phasengrenzfläche des Polymermaterials mit dem flüssigen Medium, in dem der zweite Reaktionspartner vorliegt, erzeugt.
Beschichtetes Polymermaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens zwei Reaktionspartner wasserlöslich sind und infolge der Umsetzung ein wasserunlösliches Produkt bilden.
Beschichtetes Polymermaterial nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung durch das Produkt der Umsetzung adhäsiv mit dem Polymermaterial verbunden ist, ohne die Polymermatrix chemisch zu modifizieren.
Beschichtetes Polymermaterial nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung im wesentlichen homogen ist und gleichzeitig eine unregelmäßige Oberflächenstruktur aufweist.
Beschichtetes Polymermaterial nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung 1–50 μm dick ist.
Beschichtetes Polymermaterial nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei es sich um ein beschichtetes Hydrogel oder ein beschichtetes Gel handelt.
Beschichtetes Polymermaterial nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches als gequollenes polymeres Netzwerk ein in wässrigem Medium gequollenes Polysaccharid oder Polysaccharidderivat, Protein oder proteinähnliches Produkt, Polyurethan, Polyurethan/Polyharnstoff, Polyester-Polyurethan/Polyharnstoff, Silikon, Poly(meth)acrylat oder Poly(meth)acrylsäure-Derivate oder irgendeine Kombination der genannten Substanzen umfasst.
Beschichtetes Polymermaterial nach Anspruch 8, wobei das Polysaccharid aus der aus Alginsäure oder Alginat, Agar-Agar, Cellulose und Cellulosederivaten bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Beschichtetes Polymermaterial nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei durch den zweiten Reaktionspartner eine Substanz in die Beschichtung eingeführt ist, die die Zelladhäsion und/oder die Biokompatibilität fördert.
Beschichtetes Polymermaterial nach Anspruch 10, wobei die eingeführte Substanz mindestens eine Substanz ist, die aus der aus Kollagen, Elastin, Keratin, Fibrin, Fibronektin Hyaluronsäure, Heparin, Chondroitinsulfat, Casein, Alginsäure und Alginat oder den Derivaten der genannten Substanzen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Beschichtetes Polymermaterial nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung durch die Reaktionspartner Thrombin und Fibrinogen in Gegenwart von Calcium gebildetes Fibrin enthält.
Beschichtetes Polymermaterial nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Polymermaterial eine pharmazeutisch wirksame Substanz, eine biologisch wirksame Substanz oder lebende Zellen enthält.
Beschichtetes Polymermaterial nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Polymermaterial ein dreidimensionales Objekt bildet.
Beschichtetes Polymermaterial nach Anspruch 14, wobei das dreidimensionale Objekt mittels 3D-Plotten gebildet ist.
Beschichtetes Polymermaterial nach Anspruch 14 oder 15, wobei das dreidimensionale Objekt ein aus Fasern oder Strängen gebildetes Gerüst ist.
Beschichtetes Polymermaterial nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das dreidimensionale Objekt Makroporen mit durchschnittlichem Porendurchmesser im Bereich von 100 bis 500 μm aufweist.
Beschichtetes Polymermaterial nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das dreidimensionale Objekt Mikroporen mit durchschnittlichem Porendurchmesser im Bereich bis 50 μm aufweist.
Verwendung eines beschichteten Polymermaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 18 als Zellträger, als Implantat oder als Bestandteil eines Implantats oder einer in den menschlichen Körper inkorporierten medizinischen Einrichtung.
Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Polymermaterials, bei dem die Beschichtung durch Umsetzung mindestens zweier Reaktionspartner in Gegenwart des Polymermaterials mit den folgenden Schritten gebildet wird: a) Bereitstellen eines Polymermaterials, welches ein gequollenes polymeres Netzwerk aufweist und den einen Reaktionspartner diffundierbar einschließt und b) Inkontaktbringen des Polymermaterials mit dem zweiten Reaktionspartner in flüssigem Medium, so dass die Reaktionspartner miteinander unter Ausbildung der Beschichtung reagieren.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem das in Schritt a) bereitgestellte Polymermaterial mit dem einen Reaktionspartner beladen wird, indem das Polymermaterial in eine Lösung des ersten Reaktionspartners eingetaucht wird oder indem das Polymermaterial den ersten Reaktionspartner herstellungsbedingt eingeschlossen enthält, so dass im Schritt b) die Reaktion mit dem in dem Polymermaterial gespeicherten Reaktionspartner erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, bei dem die Reaktion in Schritt b) an der Phasengrenzfläche des Polymermaterials mit einer Lösung, einer Emulsion oder einer Dispersion des zweiten Reaktionspartners erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, bei dem das Polymermaterial in Schritt a) mit einem eingeschlossenen wasserlöslichen Reaktionspartner bereitgestellt und in Schritt b) mit einer wässrigen Lösung, einer Emulsion oder einer Dispersion des zweiten Reaktionspartners in Kontakt gebracht wird, wonach die Reaktionspartner ein wasserunlösliches Produkt bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, bei dem als der in das Polymermaterial im Schritt a) eingeschlossene Reaktionspartner eine niedermolekulare Substanz mit Molekulargewicht von höchstens 1000 eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, bei dem das in Schritt a) bereitgestellte Polymermaterial an dessen Oberfläche zumindest teilweise von dem eingeschlossenen Reaktionspartner, durch ein- oder mehrmaliges Waschen des Polymermaterials in Medium ohne den zweiten Reaktionspartner, befreit wurde, bevor der Kontaktierungsschritt b) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, bei die Reaktionspartner so gewählt sind, dass als Reaktion eine Polyelektrolytkomplexierung, eine Vernetzung, eine Ausfällung, eine durch pH-Änderung vermittelte Reaktion, eine Polymerisation oder eine Redoxreaktion abläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, bei dem als Polymermaterial ein dreidimensionales Objekt eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem das Polymermaterial durch ein 3D-Plottingverfahren hergestellt wurde.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem die Beschichtung gleichzeitig in einem Schritt mit einem 3D-Plottingprozess erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 29, bei dem das in Schritt a) bereitgestellte Polymermaterial zusätzlich Porenbildner eingeschlossen enthält, die vor oder nach der der Beschichtung aus dem Polymermaterial herausextrahiert werden.