DE102008050424B4 - Verfahren und Vorrichtung zur homogenen Verteilung einer zellulären Suspension in porösem Trägermaterial für die Herstellung von vitalem biologischem Ersatzgewebe - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur homogenen Verteilung einer zellulären Suspension in porösem Trägermaterial für die Herstellung von vitalem biologischem Ersatzgewebe Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur homogenen Verteilung einer zellhaltigen viskösen Suspension innerhalb eines porösen Trägermaterials. Damit ist die Besiedelung von Gerüststrukturen mit Zellen für das Tissue engineering (= Züchtung komplexer Gewebe) zur Erzeugung vitaler, biologischer Ersatzgewebe möglich. Das derart besiedelte Trägermaterial eignet sich für den sich nachfolgend anschließenden Kultivierungsprozess, der die Aufrechterhaltung der Nährstoffversorgung und Differenzierung beinhaltet. Das Wesen der Erfindung besteht in einem elastischen Formkörper (1) mit einer Kammer (2), die zur Aufnahme eines Trägermaterials (3) dient, wobei zwischen Oberfläche des Trägermaterials (3) und Innenwand des Formkörpers (1) ein Spalt verbleibt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur homogenen Verteilung einer zellhaltigen viskösen Suspension innerhalb eines porösen Trägermaterials. Damit ist die Besiedelung von Gerüststrukturen mit Zellen für das Tissue engineering (= Züchtung komplexer Gewebe) zur Erzeugung vitaler, biologischer Ersatzgewebe möglich. Das derart besiedelte Trägermaterial eignet sich für den sich nachfolgend anschließenden Kultivierungsprozess, der die Aufrechterhaltung der Nährstoffversorgung und Differenzierung beinhaltet. Weitere Anwendungsgebiete finden sich dort, wo Suspensionen innerhalb poröser Trägermaterials verteilt werden müssen.
  • Zur Züchtung komplexer Gewebe im Rahmen des Tissue engineering ist der Einsatz von lebenden Zellen Vorraussetzung. Für die meisten Gewebe, insbesondere jedoch Binde- und Stützgewebe wie Knochen, Knorpel, Sehnen und Bänder, sind Form und mechanische Festigkeit der Regenerate von größter Bedeutung. Zur Gewährleistung dieser Bedingungen greift man daher meist auf Trägermaterialien in Form von Gerüststrukturen zurück, die auf Grund Ihrer Biokompatibilität und Biodegrabilität die Stütz- und Formgebungsfunktion temporär wahrnehmen, sowie die Anhaftung und Ausreifung der Zellen und Integration der Implantate fördern. Je nach Konfiguration der Gerüststrukturen ist der initiale Prozess der Verteilung der zellulären Komponenten auf dem Material problematisch. Dies gilt insbesondere für starre Gerüste, kann aber auch bei flexiblen Gerüsten ein limitierender Faktor sein. Weitere Einflussfaktoren auf die homogene Verteilung der Zellen finden sich in der Viskosität des Trägermediums, in dem die Zellen aufgenommen werden, sowie in der Porosität und Geometrie der Gerüststruktur bzw. die Zusammensetzung des Trägermaterials.
  • Als Beispiel für die vielfältigen Möglichkeiten und deren Bedeutung für die moderne medizinische Versorgung sei auf den Einsatz von Implantaten zur knöchernen Regeneration des Unterkiefers verwiesen. Die Atrophie des Unterkieferalveolarkammes ist ein häufiges Krankheitsbild, das meist in Folge von Zahnverlust auftritt und spezifische mechanische Anforderungen an die Implantate stellt. Zum Einsatz kommen dabei hoch poröse mineralische Gerüststrukturen mit Dimensionen von 1*1*3 bis 2*2*5 Zentimetern, die direkt auf den Kieferknochen an- bzw. aufgelagert werden. Das Tissue engineering von Implantaten, die mit adulten Stammzellen besiedelt sind, kann dabei die volumenmäßig limitierte, sowie risiko- und nebenwirkungsreiche Transplantation von Knochen aus dem Beckenkammknochen ersetzen, die mit einen einwöchigen stationären Aufenthalt und bis sechs Wochen Arbeitsunfähigkeit verbunden sein kann. Somit kann bei Atrophie der Kiefer ein implantatgetragener Zahnersatz, der aus demographischen und funktionellen Gründen immer häufiger wird, mit einer erheblichen Reduktion der Therapiekosten und -risiken ermöglicht werden.
  • Eine wesentliche Vorraussetzung für die Anwendung von neuen Technologien im Tissue engineering besteht in der einfachen Handhabbarkeit nach GMP-Standard, wie der zuverlässigen individualisierbaren Funktion bei möglichst einfacher Technologie und geringem apparativen Aufwand insbesondere zur Gewährleistung steriler Bedingungen.
  • Die initiale Verteilung von Zellen auf Trägermaterialien stellt einen kritischen Prozess der Züchtung komplexer Gewebe dar und wird auch als Besiedelungsprozess bezeichnet. Man geht dabei von der Hypothese aus, dass die gleichmäßige Verteilung der zellulären Komponenten sowohl zur Versorgung der Zellen mit Nährstoffen als auch für die Interaktion der Zellen untereinander eine notwendige Bedingung darstellt und Zellhaufen oder zellfreie Areal die Ausreifung der Gewebe behindern. Dies steht in Analogie zum feingeweblichen Aufbau der Zielgeweben, in denen sich meist eine nach funktionellen Gesichtspunkten orientierte gleichmäßige Ausrichtung von Zellen findet. Zur Gewährleistung und Aufrecherhaltung der homogenen Verteilung der Zellen sind komplexe Besiedlungs- und Kultivierungstechnologien entwickelt worden. Dabei müssen Methoden der Besiedlung und Kultivierung auf Grund Ihrer andersartigen Zielsetzung unterschieden werden, auch wenn in technisch komplexen Systemen, sogenannten Bioreaktoren, versucht wird diese beiden Schritte zusammen zu führen.
  • Alle bekannten Lösungen zur homogenen Verteilung von Zellen innerhalb eines porösen Trägermaterials nutzen stets eine Flüssigkeit als Trägermedium zur Aufnahme und Verteilung der Zellen. Diese wird gemäß den spezifischen Anforderungen der Zellen, der Gerüststruktur oder des Prozesses entweder als visköse Flüssigkeit, zum Beispiel als aushärtendes Hydrogel genutzt, um die Zellen durch die kontinuierliche Viskositätserhöhung im Gel ortsansässig zu halten und zudem eine Einbettung der Zellen in eine hydrophile Matrix zu ermöglichen. Oder man setzt eine nicht visköse bis niedrig-visköse Flüssigkeit zum Beispiel ein Kulturmedium ein, so dass die Zellen vornehmlich über oder durch das Material gespült und auf diese Weise verteilt werden. Im letzteren Fall resultiert im Idealfall eine Bedeckung der Oberfläche des Gerüstmateriales mit einem Zellrasen. Schließlich ist es auch prinzipiell möglich, mit bereits vitalen also besiedelten Materialen eine Gerüststruktur aufzubauen.
  • Für die Verteilung der Zellen sind die folgenden vier grundsätzlichen Lösungen bekannt.
    • (1.) Aufnahme und Verteilung der Zellen durch eine meist visköse Suspension, die auf Grund von Kapillarkräften passiv oder durch Injektion bzw. Aufträufeln auf den porösen Festkörper auf- beziehungsweise eingebracht wird.
  • Bei der alleinigen Nutzung von Kapillarkräften zur Verteilung von Zellen werden meist hoch visköse Suspensionsmedien eingesetzt. Dabei ist die Sedimentation ein wesentliches technisches Problem, da die aktive Anhaftung von Zellen am Trägermaterial ein langsamerer Prozess ist als das Absacken der Zellen gemäß der Gewichtskraft in der Suspension. In dreidimensionalen Gewebekulturen kann eine rasche und stabile Verteilung der Zellen innerhalb einer porösen Gerüststruktur durch ein aushärtendes Hydrogel erfolgen. Derartige Trägermedien können die Nährstoffversorgung, sowie Differenzierung der Zellen fördern. Vielerlei Gele sind auf ihre Anwendbarkeit für das Tissue engineering untersucht worden, wobei sich für die knöcherne Gewebezüchtung Kollagen-I- und Fibrin-Gele als besonders geeignet erwiesen haben, siehe Weinand, Pomerantseva et al. 2006. Während der niedrig viskösen Aushärtephase des Hydrogels kann das Zellpellet aufgenommen und innerhalb der Flüssigkeit suspendiert werden. Die Aushärtung des Gels muss so eingestellt werden, dass es nach Verteilung im Festkörper idealer Weise so rasch fest wird, dass die Sedimentation verhindert wird.
  • Diese Lösung ist mit einer Reihe von Nachteilen verbunden. Die Nutzung passiver Kapillarkräfte setzt voraus, dass die Poren und Dimensionen des Trägermaterials und die Viskosität der Suspension aufeinander abgestimmt sind. Daher kann die Porengrößen nicht an die spezifischen Vorraussetzungen des Zielgewebes oder den Bedarf der Vaskularisation in vivo angepasst werden, sondern muss auf die Bedingungen des Besiedlungsprozesses abgestimmt sein. Dass dies möglich ist, haben Weinand, Pomerantseva et al. 2006 gezeigt. Die passive Verteilung einer zellhaltigen Suspension ist darüber hinaus ein langsamer Prozess, so dass mit einer erheblichen Sedimentation zu rechnen ist. Dies wird durch die verhältnismäßig schnellere Verteilung zellarmer und damit leichterer Anteile der Suspension noch verstärkt. Nach eigenen Ergebnissen ist die Anwendung von Kapillarkräften für die Besiedlung großer Konstrukte ungeeignet. Zudem ist sie auf den klinischen Bedarf hinsichtlich der Implantatform hin nur bedingt individualisierbar.
  • Ähnlich problematisch stellt sich die manuelle Injektion auf und in das Trägermaterial dar. Neben dem Verbleib von Luftblasen, resultiert bei dieser Technik eine nicht reproduzierbare ungleiche Verteilung der Zellen, wie auch Janssen, Hofland et al. 2006 berichten. Maschinell gesteuerte Injektionstechniken sind nicht bekannt, würden jedoch auch eine erhebliche technische Herausforderungen darstellen und so dem Primat der leichten Handhabbarkeit widersprechen.
    • (2.) Aufnahme und Verteilung der Zellen durch eine Suspension, die mittels Änderung physikalischer Parameter, vornehmlich die Anwendung von Unter- oder Überdruck und/oder Rotation, durch den porösen Festkörper bewegt wird.
  • Hier gibt es vielerlei technische Möglichkeiten, die jedoch alle einen hohen technischen Aufwand zur Umsetzung der Druckunterschiede und vor allem der freien Rotation zeigen. Technisch komplexe Systeme sind für Anwendungen im Tissue engineering auf Grund der Notwendigkeit der einfachen Handhabung zur Sicherstellung steriler Arbeitsbedingungen nur bedingt geeignet. Zudem ist auch die mehrfache Verwendung solcher Systeme mit Zellen verschiedener Patienten auf Grund der Übertragung von Infektionen oder Fremdzellen bzw. Fremdeiweißen problematisch. Weiterhin besteht bei komplexen Prozessen oft das Problem der Individualisierung je nach der Geometrie der verwendeten Gerüststrukturen, die in Abhängigkeit der klinischen Notwendigkeiten variabel sein müssen. Auch ist zu bedenken, dass Strömungen und Drücke für die meisten Zellen unphysiologische Bedingungen darstellen, die vor allem für „nackte” Zellen aus Zellkulturen, die nicht in eine natürliche extrazelluläre Matrix eingebunden sind, schädlich bis tödlich sein können. Dennoch ermöglicht die Anpassung solcher Systeme an die individuellen Bedingungen eine ideale homogene Verteilung selbst der komplexesten Gerüststrukturen.
  • Eine einfache, häufig angewandte Methode ist der sogenannte Spinner Flask. Dabei handelt es sich um ein Zellkulturgefäß, in dem die Gerüststrukturen, die an einem Trägersystem befestigt werden, in dem Gefäß um eine zentrale Achse in Längsrichtung rotieren. Komplexere Systeme erlauben eine Rotation in allen drei Raumebenen. Unter-(Vakuumverfahren) und Überdruck erlauben darüber hinaus eine rasche Verteilung im porösen Festkörper und können darüber hinaus in ein Rotationssystem eingebunden sein. Bei unzureichender Abstimmung der Porengröße zur Suspension kann sich jedoch ein Filter effekt ergeben, der zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Zellen führen kann. Van Wachem, Stronck et al. 1990; Griffon, Sedighi et al. 2005; Wang, Asou et al. 2006 beschreiben derartige Techniken, die auf Unterdruck basieren und einen hohen technischen Aufwand bedingen.
  • Aus der Patentanmeldung DE 199 62 456 A1 ist ein Beispiel für eine derartige Technik bekannt. Die Verteilung der Zellen wird durch einen Filtereffekt erreicht, in dem ein poröser Festköper durch einen passgenauen Zylinder bewegt wird. Die korpuskulären Bestandteile der Lösung werden dabei durch das Abpressen der Flüssigkeit in dem porösen Festkörper gefangen. Dies setzt jedoch eine angepasste Größe der Poren für den Filtereffekt, sowie eine Anpassung des Zylinders auf das Gerüstet oder umgekehrt voraus.
    • (3.) Aufnahme und Verteilung der Zellen durch eine vornehmlich nicht oder niedrig-visköse Suspension, die auf Grund eines kontinuierlichen oder pulsatilen Strömungsflusses, sogenannte Perfusion über eine längere Zeit, durch einen Festkörper transportiert wird und die Zellen dabei gleichmäßig verteilt.
  • Lösungsansätze, die über einen längeren Zeitraum die zellulären Komponenten der Gewebezüchtung über die exakte Einstellung physikalischer Parameter, vornehmlich Perfusion, in einem Gerüstsystem verteilen, vereinen unweigerlich die Verteilungs- und Kultivierungs- bzw. Züchtungsprozesse in einem Schritt. Die Möglichkeit der Kombination von Besiedlung und Kultivierung in einem System ist in vielerlei Hinsicht vorteilhaft. Zum einen wird ein Übertragungsschritt vermieden. Zum anderen können physikalische Parameter nicht nur die Verteilung, sondern auch die Umverteilung der Zellen gemäß ihren Bedürfnissen und sogar die Entwicklung der Zellen positiv beeinflussen. So ist beispielsweise die Anwendung von Druck zur Entwicklung von Knorpelgewebe förderlich. Darüber hinaus können diese Bedingung kontrolliert eingestellt werden, da auf Grund des langsamen Ablaufes viele Parameter der Verteilung und Entwicklung der Zellen kontinuierlich gemessen werden können. Solche Systeme werden auch als Bioreaktoren bezeichnet und müssen für verschiedene Zell- und Gewebearten sowie Implantatkonfigurationen individuell entwickelt werden. Die hohe technische Komplexität, einschließlich Messtechnik und Sterilisierbarkeit, stellt somit neben der eingeschränkten Möglichkeit der individuellen Konfiguration der Implantate den wesentlichen Nachteil dieser Systeme dar. Zudem ist eine Umverteilung der Zellen in der Regel nur mit niedrig-viskösen Nährmedien möglich, so dass primär nur eine Besiedelung und Kultivierung der Oberflächen starrer Gerüstmaterialien möglich ist. Es resultiert daher in der Regel primär ein Zellrasen und somit eine zweidimensionale Besiedlung der Oberflächen in Analogie zur Monolayerkultur in Kulturflaschen.
  • Für die Züchtung knöcherner Gewebe erscheint der Einsatz von Perfusionskulturen von Vorteil. So lassen sich durch gleichmäßige Strömung nicht nur verschiedenartige Gerüststrukturen mit Zellen besiedeln, siehe Alvarez-Barreto, Linehan et al. 2007, sondern sogar die Zellen in ihrer knöchernen Differenzierung fördern Datta, Pham et al. 2006.
  • Aus der Patentanmeldung DE 100 53 014 A1 ist die Kultivierung von vitalem biologischem Ersatzmaterial mittels pulsierender Strömungen und pulsierender Bewegung der Gerüststruktur vorzugsweise zur Züchtung flächiger Implantate für kardiovaskuläre Strukturen bekannt. Dabei werden die Druck- und Strömungsunterschiede eingesetzt, um einen positiven Effekt auf die Ausreifung und Entwicklung der Zellen in Richtung Zellwandbestandteile zu erreichen. Es werden dabei die physiologischen Druck- und Pulsationseffekte im Blutkreislaufsystem imitiert und sehr kontrolliert durch ein aufwendiges technisches System reguliert.
  • Vornehmlich für die Züchtung von Knorpelgewebe wird in der DE 103 49 484 A1 ein Verfahren beschrieben, in dem auf ein Zellen-Matrix-System mittels Perfusion und einem komplexen berührungsfreiem mechanischem System pulsatile Drücke ausgeübt werden. Diese dienen ebenfalls primär der Förderung der Reifung und Entwicklung des Konstrukts in Knorpelgewebe und weniger der Verteilung der Zellen.
  • Die vorgenannten geschützten Lösungen nutzen pulsatile physikalische Parameter wie Druck und Strömung zur Stimulation der Ausreifung, Differenzierung und Ernährung spezifischer Gewebe und nur in zweiter Linie zur Umverteilung und Besiedelung von dünnen Konstrukten. Zudem sind diese Parameter auf eine langfristige Einwirkung ausgelegt und daher unmittelbar mit dem Besiedelungsprozess kombiniert.
    • (4.) Schichtweise Besiedlung von Netzstrukturen oder sehr dünnen Gerüsten wie Vliese oder Folien und anschließende Stapelung der Netze zu einer größeren Gerüststruktur.
  • Die Zusammensetzung von größeren Gerüststrukturen aus mehreren dünnen flächigen besiedelten Netzen, Vliesen oder Folien erfüllt zwar die Ansprüche bezüglich einer homogenen Verteilung, erfordert jedoch hohe materialtechnische Ansprüche zur Generierung stabiler mechanisch belastbarer Konstrukte und einen sehr hohen technischen Aufwand zur reproduzierbaren Schichtung unter sterilen Bedingungen. Vor allem die mechanischen Eigenschaften zur Bindegeweberegeneration erfordern eine Vernetzung der einzelnen Schichten, die weitere chemische Prozesse notwendig machen, die sich jedoch negativ auf das Wohlbefinden der Zellen auswirken könnten. Zudem besteht bei der Verlagerung der Schichten ein hohes Risiko für eine Verunreinigung. Es ist darüber hinaus zu bedenken, dass die Zellverteilung verfahrensbedingt ebenso eine wenn auch homogene Schichtung erfährt. Zuletzt ist die Größe der resultierenden Gerüststrukturen durch die aufwendigen Schichtungsprozess als begrenzt anzusehen.
  • Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise in der Patentanmeldung DE 199 19 242 A1 vorgeschlagen. Hier wird eine Methode zur Herstellung von wabigen Netzstrukturen aus polymeren Substanzen erläutert, die entweder durch Schichtung oder mittels Rotation (Vergleiche 2.) besiedelt werden.
  • Neben diesen grundsätzlichen Lösungen sind eine Vielzahl von Verfahren und zugehörigen Vorrichtungen bekannt, die die Analyse und die Züchtung von Zellen und Geweben unter Druckbelastung betreffen.
  • So sind aus der DE 20 2005 049 905 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Gelenkersatzes bekannt, bei welchen ein vorzugsweise mit Zellen besiedeltes festes und poröses Trägermaterial und eine mit Zellen vermischte flüssige Substanz miteinander verbunden werden. Substanz und Trägermaterial werden zunächst in einem Behälter übereinander geschichtet und dann mit einem in Richtung des Trägermaterials wirkenden Druck und/oder Unterdruck beaufschlagt. Vorausgesetzt wird ein bereits mit einer niedrig viskösen beziehungsweise wässrigen Lösung gefülltes und/oder bereits mit Zellen besiedeltes Trägermaterial, bei dem dann die niedrig-visköse, wässrige Lösung durch eine hoch-visköse, vorzugsweise zellhaltige Suspension ersetzt wird, wodurch zwangsweise Wasser über eine wasserpermeable Membranen oder einen Filter entfernt werden muss und die hoch-visköses Substanz verfestigt wird. Es wird daher das Prinzip einer Filterung und Züchtung durch zyklischen Druck beschrieben, bei der die Verfestigung einer flüssigen zellulären Substanz und die Verbindung und Beschichtung des Trägermaterials, nicht aber die homogene Verteilung von Zellen auf dem Trägermaterial angestrebt wird. Durch die langfristige Druckeinwirkung verlangt die Filterung einen hohen apparativen Aufwand einschließlich Sensorik.
  • In der DE 101 04 008 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Züchten und Behandeln von Zellen unter zyklischer Druckbelastung auf diese vornehmlich für Knorpelgewebe beschrieben. Die Druckbelastung wird hier zur Konditionierung der Zellen eingesetzt. Vorausgesetzt wird dabei die homogene Verteilung der Zellen bzw. die gleichmäßige Verteilung der Zellen in einer Gerüststruktur eines porösen Trägermaterials. Nicht angegeben ist, wie diese homogene Verteilung erreicht wird.
  • Aus der DE 201 21 709 U1 ist ein Träger für Parallelsynthesen und Analysen bekannt, bei dem einzelne Kavitäten zumindest teilweise mit einem porösen, flüssigkeitsaufnehmenden Trägermaterial gefüllt sind, der der Form der Kavitäten angepasst ist. Das poröse Trägermaterial ist durch das analytische Verfahren, Eluierbarkeit beziehungsweise die chemischen Anforderungen der zu untersuchenden Probe gekennzeichnet und nicht durch die Eignung für die Gewebezüchtung. Für die Synthese oder Analyse ist es unerheblich, ob das Trägermaterial vollständig gefüllt ist oder Lufteinschlüsse enthält. Deren Beseitigung ist nicht vorgesehen.
  • Das in US 2005/0132775 A1 beschriebene Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Verarbeitung von Proben durch Deformation eines sterilen Behälters. Dabei soll Gewebe durch mechanische zyklische Belastungen unter sterilen Bedingungen für analytische Verfahren zerkleinert und fragmentiert werden. Es ist nicht erforderlich, dass Gewebe zunächst homogen zu verteilen.
  • Die zu lösende Problemstellung besteht demzufolge in der verbesserten Verteilung von Zellen in einem porösen Trägermaterial als notwendige Voraussetzung für eine Anwendung von Zellen zur Erzeugung vitaler biologischer Ersatzgewebe im Rahmen des Tissue engineering (=Gewebezüchtung). Dabei soll die gleichmäßige Verteilung einer zellulären Suspension in einem porösen Trägermaterial in einem technisch einfachen, schnellen und leicht auf andere Bedingungsgefüge (bezüglich Porosität, Viskosität der Suspension oder Festkörpergeometrie, individualisierbares Verfahren) übertragbaren Verfahren erfolgen. Weiterhin wird eine Vorrichtung angegeben.
  • Das in den Patentansprüchen beanspruchte Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen auf technisch sehr einfache Weise eine Verteilung von Zellen in einem porösen Trägermaterial und machen sich dabei passive Kapillarkräfte und gegensinnige pulsatile mechanische Belastungen zu Nutze. Dabei besteht das Wesen der Erfindung darin, dass durch Deformation einer flexiblen mit dem Trägermaterial beladenen Kammer in einem Formkörper Druckunterschiede und daraus resultierende Strömungen durch das Träger material erzeugt werden. Diese ermöglichen sowohl eine Entlüftung als auch eine homogene Verteilung der korpuskulären Bestandteile über ein sehr einfaches und leicht steuerbares Verfahren. Das Verfahren bzw. die Vorrichtung kann sowohl als Ausgangssituation für die weitere Kultivierung oder zur direkten Implantation verwendet werden, wobei lediglich eine kurzzeitige Einwirkung von Druck und Strömung zur Verteilung einer zellulären Suspension notwendig ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: Zur homogenen Verteilung einer zellulären Suspension in porösem Trägermaterial für die Herstellung von vitalem biologischem Ersatzgewebe wird in einem ersten Schritt das zur Besiedelung vorgesehene Trägermaterial in die Kammer eines Formkörpers eingebracht. Die Kammer ist hierbei so gestaltet, dass die Anpassung der Spaltgröße zwischen der Innenwand des Formkörpers und der Oberfläche des Trägermaterials in Abhängigkeit von der Viskosität der einzubringenden Suspension und der Porösität des Trägermaterials variiert wird. In einem zweiten Schritt wird die Suspension von unten nach oben in die Kammer und/oder durch einen Kanal im Trägermaterial injiziert. Danach wird der formstabile, aus einem elastischen Material bestehende Formkörper gegensinnig, pulsatil durch Krafteinwirkung auf die Längsseiten solange komprimiert, bis die Suspension gleichmäßig in dem Trägermaterial verteilt ist und das Sistieren aufsteigender Luftblasen eine vollständige Entlüftung anzeigt. Schließlich wird entweder bei aushärtender Suspension das Trägermaterial mit der Suspension entnommen, gegebenenfalls nach Auftrennen des Formkörpers bei empfindlichen Trägermaterialien. Bei nicht aushärtender Suspension wird nach Adhäsion der Zellen an der Gerüststruktur des Trägermaterials dieses entnommen, um es weiter zu kultivieren oder direkt als vitales biologisches Ersatzgewebe zu implantieren.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem elastischen Formkörper, in dem eine Kammer zur Aufnahme eines Trägermaterials angeordnet ist. Idealerweise sollte es sich dabei um ein hoch elastisches, bioinertes, preisgünstiges Material handeln, so dass der Formkörper zu Einmalgebrauch beispielsweise aus Silikon hergestellt werden kann. Die Elastizität des Materials für den Formkörper, sowie der Abstand zwischen der Innenwand der sich im Formkörper ausbildenden Kammer und der Gerüststruktur des Trägermaterials, sowie die Verteilung und Intensität der auf den Formkörper wirkenden Kräfte bestimmen die Funktionsweise, da durch diese Faktoren die pulsatilen, gegensinnigen Druckunterschiede im Formkörper bewirkt werden.
  • Durch diese Eigenschaft unterscheidet sich die erfindungsgemäße Lösung von den technisch hoch komplexen Bioreaktorlösungen, da diese auf Grund der langen Einwirkung der mechanischen Effekte sehr fein justierbare Technologien benötigen und darüber hinaus Vorrichtungen zur Kultivierung der Zellen enthalten müssen. Ein besonderer Vorteil ist die sehr schnelle, in der Regel innerhalb von wenigen Sekunden erfolgende Verteilung der Suspension im Trägermaterial, wodurch Filter- und Sedimentationseffekten auf optimale Weise entgegengewirkt werden kann. Dabei ist die Handhabbarkeit durch die leicht zu beobachtende Verteilung der Suspension über die nach oben offene Kammer gegebenenfalls auch durch einen transparenten elastischen Formkörper und der manuellen Kraftentfaltung, die durch den Spalt zwischen dem Trägermaterial und Kammerwand, sowie der Elastizität des Materiales einstellbar ist, sehr einfach. Einen weiteren Vorteil stellen die Möglichkeiten der Individualisierung sowohl hinsichtlich der Gerüststruktur des Trägermaterials als auch der Stärke der pulsatilen Strömung durch das Konstrukt mittels Variation des Randspaltes zwischen dem Trägermaterial und der Kammerwand dar. Es ist daher eine große Variation aus porösen Trägermaterial und Hydrogel-Kombinationen anwendbar. Schließlich ist der geringe technische Aufwand, der lediglich in der Herstellung des Modells und der anschließenden Abformung im Gussverfahren besteht, ein entscheidender Vorteil für die Handhabbarkeit in der Praxis, sowie die mögliche industrielle Verwertung der erfindungsgemäßen Lösung. Die technische Einfachheit der Lösung fördert darüber hinaus die sterile Handhabung.
  • Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung in Ausführungsbeispielen beschrieben. Die zugehörigen Abbildungen zeigen in
  • 1: Formkörper 1 mit Kammer 2, sowie einem Trägermaterial 3 in Form einer Gerüststruktur als Blöckchen aus porösem Beta-TCP mit Kanüle 4.
  • 2: Formkörper 1 mit Beta-TCP-Blöckchen 3 in der Kammer 2, sowie Kanüle 4 nach Injektion der zellulären Suspension.
  • 3: Deformation des elastischen Formkörpers 1, der mit dem Beta-TCP-Blöckchen 3 in der Kammer 2 beladen ist.
  • 4: Entfernung des Beta-TCP-Blöckchens 3 aus der Kammer 2 des Formkörpers 1 nach Verteilung der Suspension. Hier mit der Kanüle 4 als Hilfsmittel.
  • Ausführungsbeispiel 1 (Verfahren)
  • Das Verfahren zur homogenen Verteilung einer zellulären Suspension in porösem Trägermaterial für die Herstellung von vitalem biologischem Ersatzgewebe verwendet einen Formkörper mit einer Kammer mit wenigstens einer Öffnung zur Aufnahme des Trägermaterials an der Schmalseite. Zur Besiedelung wird das Trägermaterial in die Kammer eingebracht. Danach wird die Suspension von unten nach oben in die Kammer injiziert. Das kann auch durch einen Kanal im Trägermaterial erfolgen. Der formstabile, aus einem elastischen Material bestehende Formkörper wird anschließend gegensinnig, pulsatil durch Krafteinwirkung auf die Längsseiten solange komprimiert, bis die Suspension gleichmäßig in dem Trägermaterial verteilt ist und das Sistieren aufsteigender Luftblasen eine vollständige Entlüftung anzeigt. Schließlich wird entweder bei aushärtender Suspension das Trägermaterial mit der Suspension entnommen, gegebenenfalls nach Auftrennen des Formkörpers bei empfindlichen Trägermaterialien, oder bei nicht aushärtender Suspension nach Adhäsion der Zellen an der Gerüststruktur des Trägermaterials dieses entnommen, um es weiter zu kultivieren oder direkt als vitales biologisches Ersatzgewebe zu implantieren.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr variabel gestaltbar.
  • Zur Erzeugung eines Modells der Gerüststruktur des Trägermaterials wird ein polier- und bearbeitbares Material verwendet, z. B. Polymetylacrylatkunststoff, Wachs oder Metall. Das Modell muss je nach Viskosität der Suspension und Porosität des Trägermaterials größer dimensioniert werden. Die Dimensionierung ist entscheidend für die entstehenden Strömungsgeschwindigkeiten durch das poröse Trägermaterial und damit für die Homogenität der Verteilung der zellulären Komponente. Diese Parameter müssen für jede Materialkombination ermittelt werden. Dies kann im Vorfeld empirisch an Festkörper-Suspensions-Kombinationen mit verschieden dimensionierten Kammern im Formkörper erfolgen. Dabei ist die Geometrie des Trägermaterials nicht vorgegeben und kann daher nach den klinischen Erfordernissen beispielsweise in einem CAD/CAM-Verfahren hergestellt werden. Jedoch ist eine Parallelität der Wände in Längsrichtung von Vorteil, da so die Gelmenge reduziert und somit die Zelldichte pro Gelvolumen erhöht werden kann.
  • Zur Erzeugung einer Kammer durch Abformung des Modells im Gussverfahren mit einem sterilisierbaren, bioinerten, formstabilen und hochelastischen Material werden vornehmlich Silikone verwendet. Die Form der Kammer im Formkörper kann nach belieben gestaltet werden. Eine zylindrische Form mit einem variablen Durchmesser je nach Größe des Trägermaterials bietet sich jedoch auf Grund der guten Handhabbarkeit und etablierten Form in der Zellkulturtechnik, sowie der Möglichkeit der Rotation bei Verschluss der Kammer des Formkörpers nach oben an. Dabei sollte die Wandstärke je nach Elastizität des Abformmaterials eine Dicke haben, die zuverlässig eine spontane Deformation des Formkörpers vermeidet und gleichzeitig einen möglichst geringen Kraftaufwand zur Deformation des Formkörpers erfordert.
  • Nach Einbringen des Trägermaterials in die Kammer des Formkörpers wird die Suspension seitlich durch die Poren oder durch einen zentralen Kanal von unten nach oben langsam in die Kammer injiziert. Es ist auch möglich, die Suspension vorzulegen und das poröse Trägermaterial gleich im Anschluss in die Kammer einzuführen. Anschließend wird die Kammer gegensinnig, pulsatil je nach Viskosität der Suspension schnell oder langsam komprimiert, bis sich die Suspension gleichmäßig verteilt hat und das Sistieren aufsteigender Luftblasen eine vollständige Entlüftung anzeigt. Es ist von Vorteil, wenn das Flüssigkeitsvolumen, das das poröse Trägermaterial voll ausfüllt, im Vorfeld berechnet oder empirisch ermittelt wird, so dass die vollständige Ausfüllung des porösen Trägermaterials an Hand des Füllungsstandes als zusätzliches Merkmal kontrolliert werden kann. Dieser Prozess dauert wenige bis zu 30 Sekunden.
  • Falls die Suspension aushärtet, kann das Trägermaterial mit dem Gel entnommen werden, gegebenenfalls nach Auftrennen des Formkörpers bei empfindlichen Trägermaterialien, und weiter kultiviert oder direkt als vitales biologisches Ersatzgewebe implantiert werden. Falls die Suspension nicht aushärtet, muss die Adhäsion der Zellen an der Gerüststruktur des Trägermaterials abgewartet werden. Dazu kann die Kammer im Formkörper nach Verschluss der oberen Öffnung mit einem konfektionierten Stopfen bei zylindrischer Form auf Rollen rotiert werden, bis mit der Adhäsion der Zellen zu rechnen ist. Anschließend kann das Trägermaterial entnommen werden und weiter kultiviert oder im Patienten implantiert werden.
  • Ausführungsbeispiel 2 (Vorrichtung)
  • Die in 1 dargestellte Vorrichtung zur homogenen Verteilung einer zellulären Suspension in porösem Trägermaterial 3 besteht aus dem Formkörper 1 mit der Kammer 2 zur Aufnahmen des zu besiedelnden Trägermaterials 3. Als Hilfsmittel wird die Kanüle 4 eingesetzt. Eine zylindrische äußere Form des Formkörpers 1 erweist sich aus Sicht der guten Handhabbarkeit als besonders günstig, da diese Form dem gängigen Erscheinungsbild eines Falcons entspricht und daher die Handhabung im Labor einfacher ist. Die im Formkörper 1 zentrisch in der Längsrichtung angeordnete Kammer 2 zur Aufnahme des Trägermaterials 3 weist dessen Form auf, etwa zur Besiedelung eines 1*1*3 cm großen porösen Beta-TCP-Blockes (TCP – Tri-Calcium-Phosphat). Orientiert an der Viskosität der Suspension, der Porosität und Größe der Gerüststruktur des Trägermaterials 3, der Dichte und Widerstandfähigkeit der Zellen wurde umseitig eine Spalt von 1 mm Breite zwischen Trägermaterial 3 und Innenwand des Formkörpers 1 gewählt. Das Trägermaterial 3 besitzt in diesem Fall einen zentralen Perfusionskanal, der zur Injektion genutzt wird wie dargestellt in 2. Durch manuelle Kompression von bis zu 30 Sekunden wird erreicht, dass der Flüssigkeitsspiegel unter Aufsteigen von Luftblasen aus dem Trägermaterial 3 mit dem oberen Rand des Trägermaterials 3 abschließt, siehe 3. Die Deformation des Formkörpers 1 und damit der Kammerwände wird manuell durchgeführt. Der Einsatz an sich bekannter mechanisch wirkender Hilfsvorrichtungen ist möglich. Nach Ende der Verteilung der Suspension wird der Formkörper 1 zur weiteren Aushärtung der Suspension abgestellt. Zur Entnahme des sich aus dem Trägermaterial 3 gebildeten Konstruktes wird entweder eine Pinzette verwendet oder der Formkörper 1 mit einem Skalpell der Länge nach aufgeschnitten. In 4 ist die Entnahme dargestellt. Anschließend wird das besiedelte Konstrukt nach Durchstechen des Perfusionskanales in einem Perfusionsbioreaktorsystem zur osteogenen Differenzierung der Zellen weiter kultiviert.
  • Liste der aufgeführten Literaturstellen
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    • Griffon, D. J., M. R. Sedighi, et al. (2005). ”Evaluation of vacuum and dynamic cell seeding of polyglycolic acid and chitosan scaffolds for cartilage engineering.” Am J Vet Res 66(4): 599–605.
    • Janssen, F. W., I. Hofland, et al. (2006). ”Online measurement of oxygen consumption by goat bone marrow stromal cells in a combined cell-seeding and proliferation perfusion bioreactor.” J Biomed Mater Res A 79(2): 338–48.
    • van Wachem, P. B., J. W. Stronck, et al. (1990). ”Vacuum cell seeding: a new method for the fast application of an evenly distributed cell layer on porous vascular grafts.” Biomaterials 11(8): 602–6.
    • Wang, J., Y. Asou, et al. (2006). ”Enhancement of tissue engineered bone formation by a low pressure system improving cell seeding and medium perfusion into a porous scaffold.” Biomaterials 27(13): 2738–46.
    • Weinand, C., I. Pomerantseva, et al. (2006). ”Hydrogel-beta-TCP scaffolds and stem cells for tissue engineering bone.” Bone 38(4): 555–63.

Claims (7)

  1. Verfahren zur homogenen Verteilung einer zellulären Suspension in porösem Trägermaterial für die Herstellung von vitalem biologischem Ersatzgeweben unter Verwendung eines Formkörpers mit einer Kammer mit wenigstens einer Öffnung zur Aufnahme des Trägermaterials, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt das zur Besiedelung vorgesehene Trägermaterial in die Kammer eingebracht wird, wobei zwischen Innenwand des Formkörpers und der Oberfläche des Trägermaterials in Abhängigkeit von der Viskosität der einzubringenden Suspension und der Porosität des Trägermaterials ein Spalt zum Strömen der Suspension verbleibt, in einem zweiten Schritt die Suspension in die Kammer und/oder durch einen Kanal im Trägermaterial injiziert wird, in einem dritten Schritt der formstabile, aus einem elastischen Material bestehende Formkörper gegensinnig, pulsatil durch Krafteinwirkung auf die Längsseiten solange komprimiert wird, bis die Suspension gleichmäßig in dem Trägermaterial verteilt ist und das Sistieren aufsteigender Luftblasen eine vollständige Entlüftung anzeigt und schließlich in einem vierten Schritt entweder nach Aushärtung der Suspension das Trägermaterial mit der Suspension entnommen wird oder bei nicht aushärtender Suspension nach Adhäsion der Zellen an der Gerüststruktur des Trägermaterials dieses entnommen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anpassung der Spaltgröße zwischen Innenwand des Formkörpers und der Oberfläche des Trägermaterials infolge der Deformation des Formkörpers die Druckunterschiede und daraus resultierenden Strömungen durch das Trägermaterial variiert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Aushärtung der Suspension bei empfindlichen Tragermaterialien der Formkörper aufgetrennt und das Trägermaterial mit der Suspension entnommen wird.
  4. Vorrichtung zur homogenen Verteilung einer zellulären Suspension in porösem Trägermaterial (3) für die Herstellung von vitalem biologischem Ersatzgewebe unter Verwendung eines Formkörpers (1) mit einer Kammer (2) mit wenigstens einer Öffnung zur Aufnahme des Trägermaterials (3) an der Schmalseite, dadurch gekennzeichnet, dass der formstabile, aus einem elastischen und sterilisierbaren Material bestehende Formkörper (1) eine Kammer (2) aufweist, die zur Aufnahme eines Trägermaterials (3) dient und die so dimensioniert ist, dass zwischen Oberfläche des Trägermaterials (3) und Innenwand des Formkörpers (1) ein Spalt verbleibt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anpassung der Elastizität und infolge dessen Deformation des Formkörpers (1) die Beweglichkeit und/oder Verformbarkeit dessen Innenwand und damit die resultierenden Druck- und Strömungsunterschiede variierbar sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (1) im Hinblick auf die Elastizität des Materials sowie die Größe des Spaltes so variiert wird, dass der Formkörper (1) bei einer komplexeren geometrischen Gestaltung des Trägermaterials (3) eine höhere Elastizität und/oder größeren Spalt zur Umsetzung größerer Exkursionen der Innenwand des Formkörpers (1) aufweist gegenüber dem Fall kleiner, fragiler Anteile des Trägermaterials (3).
  7. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung des Formkörpers (1) luftdicht durch einen Verschluss verschließbar ist.
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