WO2002048317A2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von biologischem gewebe in einer wachstumskammer - Google Patents

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    • C12N2533/54—Collagen; Gelatin

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the production of biological tissue in a growth chamber in general and for the production of biological tissue for transplantation into or onto a human or animal body in particular.
  • Vegetable ceramic bones which are readily available and of high biocompatibility, but have the disadvantage of low strength and only a medium structural approximation
  • Synthetic ceramic bones which are readily available, firm and of are large material variance, but the disadvantage of low structural approximation and limited
  • the graft is typically obtained in the
  • Ceramics currently offer a tolerable alternative for bone substitutes based on animal bones. These ceramic implants are manufactured in such a way that the internal structures of the bones are completely preserved and the material composition corresponds to that of the human bones.
  • the advantages of inorganic material combined with a good pore structure - the trabecular structure - can be exploited.
  • the primary strength is advantageous, which causes an immediate load absorption after the implantation.
  • these ceramic implants have no osteogenic potency and are therefore not accepted as biomass by the organism. Neither the copy of the crystal form nor the biomechanical properties correspond to that of the human tissue form.
  • the pasty implants are currently the most in scientific discussion.
  • the chemical-physical properties of the materials are particularly important here.
  • the possibility of synthesis of the substances enables a very good adaptation of the crystals to that of the human bones.
  • the human organism recognizes these crystals as building blocks for bone formation and integrates them into its own remodeling of the bone. In this way, the times when new bone cells grow in are accelerated and almost reach that of human own bone.
  • the substances that are used as stabilizers or hardeners are disadvantageous here. These substances usually cause an increased cell activity for their breakdown.
  • the lack of structure caused by the pasty form of the substitute is also negative to be evaluated, since these are first to be rebuilt in order to generate a bone structure in the form of trabeculae.
  • the shape of the grown bone can be determined by an external shape, for example by a hollow shape, but such a bone has no functional mechanical construction.
  • the grown bone represents only a bone mass made of bone substance. This bone with its spongy structure can be used as a bone substitute material, but has a tendency to be quickly absorbed by increased remodeling because the biomechanical properties can only be formed in the course of remodeling.
  • the completely synthetic, a method for the production of structured ceramic implants is known, with which it is possible to synthesize the trabecular structure of a bone.
  • the individual layers of an implant are placed one on top of the other and connected to one another. Subsequent thermal treatment creates a completely inorganic ceramic-based implant.
  • Another object of the invention is to make available a method and an apparatus for producing biological tissue which has improved properties compared to the prior art.
  • a further object of the invention is to make available a method and a device for producing biological tissue, in particular a bone, which represents a good simulation of the human or animal own tissue or bone.
  • Another object of the invention is advantageous uses for the method according to the invention, the device according to the invention and the fabric produced to make available.
  • the object of the invention is already achieved in a surprisingly simple manner by the subject matter of claims 1, 21, 38 and 44, 45, 46 and 47.
  • biological cells are applied to a growth framework.
  • the biological cells and the growth framework are arranged in the growth chamber and biologically active stimuli are exerted on the growth framework and / or on the biological cells.
  • the application is preferably carried out in or outside the growth chamber.
  • the tissue produced or grown preferably comprises bones, cartilage, veins, ears, noses, skin or organ sections up to whole organs.
  • the invention is based, inter alia, on the surprising finding that artificial tissue growth can be influenced, stimulated and even controlled with a variety of stimuli, in particular physical stimuli, and that active tissue can be cultured.
  • a further step after a first growth phase, different or at least further cells are applied to the scaffold and / or the grown tissue, e.g. in order to produce a further tissue section different from the first cultivated in a second growth phase.
  • the cells which are preferably undifferentiated at the start of the method, are influenced, for example, in their growth by the application of one stimulus or a plurality of the same, different or different stimuli. For example, the cell division rate and / or the
  • Differentiation of cells controlled or regulated during the growth process is preferably done globally in the growth chamber and / or locally, in particular in terms of time and / or location, e.g. at predetermined locations on the growth framework and / or at the
  • the tissue or cell conglomerate is also given a predeterminable structure and functionality.
  • the shape, structure and / or functionality of the tissue to be grown can preferably be influenced and / or predetermined by the type, duration and / or intensity of the stimulus or stimuli.
  • a further surprising finding is that particularly good results are achieved if the, preferably physical, preferably electrical or chemical stimulus corresponds to a stimulus or is at least similar to which stimulus the corresponding natural tissue in or on the body is naturally exposed to.
  • muscles, bones and cartilage are particularly well stimulated with electrical and / or mechanical stimuli or forces, parts of the hearing apparatus with acoustic stimuli and parts of the visual apparatus with optical stimuli, for example light pulses.
  • the growth framework preferably defines the inner and / or outer shape of the totality of the cells from which the tissue is formed essentially only at the beginning of the method.
  • the growth framework, the cells and / or the stimulus are preferably selected or adjusted in such a way that, in particular at the end of the method, essentially the grown tissue and no longer the growth framework determines the biomechanical properties.
  • the growth or support structure comprises absorbable and / or non-absorbable material.
  • the non-resorbable material gives the grown tissue additional strength, whereas the resorbable material is displaced by the cells during the procedure in the chamber and / or after transplantation.
  • the growth framework preferably disappears completely here.
  • the growth framework is separated from the resulting tissue before, during, or after the growth process is complete.
  • the growth framework in turn comprises biological material or cells.
  • it comprises a fleece, electrically conductive material, e.g. Metal on which the cells are applied or introduced. This effectively distributes electrical stimuli across the entire scaffold. It is particularly advantageous to build a growth framework made of cell growth-supporting material, e.g.
  • cellulose starch, an alcohol compound, gel, and / or a gel-like material.
  • a growth-promoting substance e.g. bone morphogenetic proteins, fibrogens and / or a genetically influenced substance added.
  • the biological tissue is preferably provided with a depot of a pharmacologically active substance which is released to the cultured tissue and / or the patient's body during the method and / or after the transplantation the deposit is created before, during or after the completion of the growth process.
  • the method and the device are particularly suitable for the cultivation or production of bones which have a body-like structure and functional mechanical construction.
  • a bone is also referred to below as a “genetic living bone”.
  • This "genetic living bone” is recognized, accepted and integrated as the body's own bone and at the same time fulfills a spontaneous takeover of biomechanical tasks.
  • the integration of the implant is made possible by minimizing cellular body activities, whereby the phase of the body's own remodeling starts spontaneously.
  • the Genetic Living Bone e.g. used for the ex vivo cultivation of bone marrow.
  • biological tissue consequently encompasses human, animal, plant and protective tissue and in particular living tissue.
  • biological cells also includes human, animal and plant cells as well as protists and in particular all living cells.
  • a support structure is inserted in a specially designed growth chamber and doped with or before it, with bone cells.
  • nutrient media necessary for bone growth are then made available via a supply system.
  • the transmission of biologically active stimuli or biomechanical impulses continuously or discontinuously, provides the biomechanical information about the carrier structure that stimulates the structure.
  • the doped bone cells are stimulated in their biostimulation and can thus carry out a differentiation. This enables the bone cells to generate differentiated bones and to build them up in biomechanically functional structures.
  • Such a bone represents a functionally high-quality bone that can spontaneously take over all biomechanical and cell biological tasks at the implantation site.
  • this scaffold is a non-resorbable auxiliary scaffold that later remains in the implant and is merely a type of guide rail for the genetic living bone.
  • This is preferably made of biocompatible metal, plastic, ceramic or other biocompatible substances.
  • this scaffold can consist of resorbable materials. Plastics, glasses or other biocompatible materials are also used here.
  • the scaffold preferably only fulfills the task that the growing genetic living bone has a possibility of being able to attach to the scaffold without having to bridge a distance itself.
  • This type of scaffold then later provides a simple bone with functional bone tissue without special biomechanical properties. Only the resorbable form of the framework is broken down in later bone remodeling, so that truly trabecularly configured bones can form after longer healing times.
  • the framework is constructed in such a way that it already has the later internal structure of the desired implant. This is preferably the trabecular structure of living bone, or the cortical structure, or a combination of both structures.
  • the integration of biomechanically supporting structures is also possible.
  • the supporting frameworks can also be designed in such a way that they are present during the assembly of the Genetic Living Bone implant, but are already eliminated during or after assembly in the growth cell, so that the finished implant is only made of Genetic Living Bone consists.
  • the materials to be processed 'for the supporting framework preferably cell-growth promoting materials.
  • cellulose, starch, alcohol compounds, gels or gel-like materials, but also degradable mineral or crystalline inorganic materials such as
  • Calcium phosphate used. If the growth framework or support structure consists of such a material that eliminates itself during the growth phase, it is possible to predetermine it Ion exchange with the resulting tissue, e.g. calcium and sulphate or calcium and phosphate, is suitable to support the mineralization of the genetic living bone. This mineralization synergistically completes the creation of a biomechanically full replacement bone that has all the properties of a bone created in vivo. Particularly preferably, the growing bone then takes up the space of the supporting structure in the growth chamber, so that the mechanically valuable structures of resilient bone can be expressed much more than if the supporting structure remains in the implant.
  • the behavior of the growth cell during the construction phase of the genetic living bone is essential for its breeding.
  • natural bone remodeling a bone can only grow if the biomechanical request is sent to the defect site.
  • the undifferentiated cells that are responsible for bone remodeling follow the principle that unnecessary bones are broken down, necessary bones are built up and old bones are replaced.
  • the undifferentiated bones differentiate into the bone-forming cells (osteoblasts) and the bone-eating cells (osteoclasts). Nutrients are added to build up bones and breakdown products are removed to remove bones.
  • biomechanical stimuli are simulated. These stimuli are caused, for example, by a mechanical load, ie mechanical tension, pressure, shear and / or torsional loads or combinations of these are exerted on the growth framework by means of a suitable device.
  • the extent of this load is according to adapted to normal mechanical movements of the skeleton in the living body and therefore correspondingly small, so that, for example, the following transmission methods are used.
  • the biomechanical stimulus is caused and transmitted by the connection of the growth framework in the bone growth cell through the connection of piezoelectric pulse generators on one or both sides.
  • the frequency of the current pulses on the piezoelectric component determine the frequency of the resulting mechanical expansion of the piezo component.
  • the pulse strength determines the degree of expansion and thus the strength of the mechanical load that is exerted on the growth framework.
  • the shape of the course of the mechanical pulse can also be controlled accordingly.
  • the growth scaffold sends a mechanical stimulus to every point of the same, which is supposed to move the bone cells to the preferred differentiation of the osteoblasts.
  • the area of the growth cell is pressurized. This pressure is pulsating, intermittent and / or wavy. This method of applying force is somewhat slower in design, but easier to implement. The design diversity of the piezoelectric application is, however, greater.
  • a combination of the two aforementioned embodiments produces a synergy effect when pressure is applied to a piezoelectric layer.
  • the pressure causes the mechanical stress, thus initiating, the piezo crystals provide an electrical impulse, which in turn is associated with a contraction or extraction of the crystals.
  • the effect is used that electrical current pulses can have a positive effect on the biological metabolism.
  • the Piezo crystals are preferably integrated into the matrix of the growth carriers, so that an internal mechanical pulse is generated in addition to the mechanical pulses supplied from the outside over the entire implant.
  • the supporting structure consists of electrically conductive material. As a result, the stimulation of the cells by electrical currents, fields or voltages is improved.
  • the entire growth cell is accelerated and decelerated
  • the acceleration and braking forces that occur create a global force on the growth structure, which is also a biologically effective stimulus or a biomechanical load.
  • a biologically effective stimulus or a biomechanical load not only the growth carrier, but also the cells and the nutrient media are accelerated. This could disrupt growth directions.
  • the supply can be positively influenced by such a load of nutrient media.
  • the biologically active or biomechanical stimulus is caused by the use of pressure and vacuum transmitters. This is particularly inexpensive.
  • a device for mechanical application of force for example a tensile, compressive, shear or / and torsion module, is integrated into the supporting structure.
  • the tissue bone that forms is preferably supplied with an appropriate nutrient solution.
  • the composition is preferably changed, in particular controlled or regulated, whereby the bone matrix is presented with a selective range of elements that the bone cells need to build up the bone. It is also Bone cell growth can be positively influenced by bone growth-promoting substances such as bone morphogenic proteins, fibrogens or the like.
  • the use of genetically influenced or genetically engineered additives is possible.
  • ethical considerations can also be taken into account here.
  • the intensity and / or type of stimuli are balanced in the implementation, so that the one known to be used
  • Row degeneration is smaller than the cell generation.
  • Parameters for influencing them are e.g. Temperature, load frequency, load strength and type of load.
  • the implementation phase opens up two options in particular:
  • the generation of standardized bone from generally compatible cells can be implemented in a factory production, especially for those applications that have to be carried out unplanned.
  • Patient-related production in a factory can also be achieved with an available lead time. This then takes place in larger chambers for the general case, but in individual chambers for the patient-related case.
  • the price development of general bones is lower than that of patient-related bones.
  • the hospitals can be supplied centrally, with appropriate cooling of the tissue or a nutrient supply during transport should be integrated for longer transport routes.
  • a second possibility is the production of the Genetic Living Bone directly in the clinic, for example in their blood bank or in their cell laboratory. Burgeon with standardized growth appropriate cell stocks are easy to handle.
  • Another embodiment of the Genetic Living Bone implants comprise active pharmaceutical ingredients, e.g. in an internal bone depot.
  • the release of active ingredients has a very special meaning in medicine.
  • a pharmaceutical active ingredient usually fulfills the function of taking over a protective measure either for the implant or for the surrounding tissue. Infection, due to the general conditions of the operating environment, has dropped extremely under today's hygiene conditions, but is nevertheless not to be neglected.
  • the goal of a drug release is e.g. prophylaxis against inflammation or the treatment of diseases such as cancer or tumors, but also other functions are possible. With these effects, the delivery duration, from short-term to long-term, and the delivery amount can be predetermined.
  • active ingredient substances are introduced into the structured carrier matrix before the bone cells are grown. By soaking this structure with the active ingredient, encompassing it or making it up in whole or in part. In this constellation, the carrier matrix already releases its active ingredient during the
  • active substances are added via the nutrient liquid during the growth phase or shortly before or shortly after
  • End of the growth phase is particularly preferably added.
  • the addition of the active ingredients only makes sense shortly before the implantation of the Genetic Living Bone.
  • the quantity, concentration and timing of delivery can be adapted to the circumstances.
  • the individual composition can also be adapted to the patient-specific needs.
  • the spectrum of the substances in question is preferably in the area of antibiotics and cytostatics.
  • genetically active substances such as FGF or BMP and others can also be used alone or in combination with other active substances known to the person skilled in the art.
  • these active substances can also represent so-called trace elements in order to correct any defects or metabolic disorders present in the organism; in particular, these are substances which intervene in the electrochemical processes, such as electrolytes.
  • anticoagulant or anticoagulant substances can also be used for disorders in the blood supply system.
  • the advantage of this type of drug application is the restriction of the effective area to the implant wound area. Consequently, it is also possible to generate cell-differentiated bones using the production methods described above.
  • the bone cell growth is manipulated by changing the biomechanical stimuli acting on the growing implant over time and / or by changing the composition of the nutrient solution. This results in a change in bone structure in terms of strength and composition, or partially or completely different bone substances are deposited by loading the surface of the already grown bone.
  • This completely new generation of implants or materials is considered to be an embodiment of the genetic living bone with a particularly large area of application. If one follows the American model of population recording in genetic databases, it is possible with this invention to create a stock of patient-specific replacement bones that is available worldwide. Three application examples for the cultivation of specific bones and bone components based on clinical requirement profiles are shown below as examples.
  • Example 1 To produce an implant in the form of the described genetic living bone, the model shape of a femoral neck piece, i.e. a connection of cortical and cancellous bone structure is required.
  • this thigh neck piece is built up from a mass of calcium-enriched collagen using the method of screen printing technology.
  • this framework is introduced into the growth chamber and the contact to the transmission device of the biomechanical stimulus is established by placing magnetic pressure plates on this framework.
  • the application of force is produced by a magnetic field, which is ideally adapted to the stress of a natural bone due to its vibration shape.
  • the system is inoculated with the growth cells.
  • These cells are initially undifferentiated cells made of bone material that differentiate into osteoclasts and osteoblasts during the procedure. The doping is carried out by means of a cell solution which is immersed in the carrier matrix
  • the undifferentiated cells penetrate into the matrix and attach themselves to the surface. This is followed by the growth framework or the one to be covered The matrix is sealed with a cell membrane so that the doping cells cannot migrate.
  • the growth chamber is then rinsed with a nutrient medium and circulated.
  • a time system causes regular refills with fresh ones
  • the alternating magnetic load is increased in intervals corresponding to the growth rate in its load amplitude.
  • the nutrient solution is mixed with a pharmacologically active substance, for example an antibiotic, which gives the implant antibacterial protection.
  • the growth transfer is stopped and the pressure transfer plates are removed from the genetic living bone.
  • the implant is removed from the growth cell and temporarily stored in a transport container at lower temperatures. The lowering of the storage temperature brings about a reduction in cell growth until implantation, so that a genetic living bone can be implanted with maximum vitality.
  • the genetic living bone is mechanically adjusted to the defect site with subsequent implantation.
  • the implant can be inoculated with fresh patient substances, for example blood, bone marrow or the like.
  • the growth chamber is cleaned and sterilized and is thus prepared for the next use.
  • a genetic living bone produced according to example 1 is intended to supplement a vertebral part for optimal integration in the event of bridging defects in the cervical vertebrae.
  • the genetic living bone which has grown in its outer shape, is removed from the growth chamber and coated on its circumferential outer side with a gel made of collagen and periosteal cells (periosteum).
  • a protective membrane made of a film is placed over it.
  • This combination is in turn inserted into a further growth chamber or cell, if necessary, supplied with nutrient solutions from below or above and embedded in a muscle-like fleece.
  • a lower and an upper torsion plate are connected to the front of the Genetic Living Bone.
  • the torsion plates are turned into a light one by an eccentric drive
  • periosteal cells When stimulated by this simulation, the periosteal cells become one Periosteal layer, which ideally represents a periosteum.
  • the periosteal-surrounded genetic living bone is removed from the casing and the protective film is removed. Thanks to the periosteal layer, the ideal simulation of the new bone segment in the vertebra can now take over its function.
  • a framework with the external geometry of a lumbar vertebra is made from a mixture of poly-D, L lactide and a crystalline pentacalium hydroxide (tris) phosphate, which is formed into a piezomaterial by additives such as titanium oxide.
  • This framework is prepared in the growth chamber as described in Examples 1 and 2. However, the initiation of the biomechanical stimulus deviates from this.
  • a contact plate is attached above and below the frame.
  • an alternating voltage in the frequency range of the resonance frequency of the piezoelectric pentacalcium hydroxide (tris) phosphate crystals is applied to the contact plates.
  • the impulse conduction takes place through the lactide substance and via the nutrient medium.
  • the piezoelectric contraction and elongation result in a micromechanical load in all parts of the framework, which stimulates the bone cells for growth activities.
  • the lactide is degraded so that after the growth process is complete, the living bone substance is in the form of the original carrier matrix.
  • New bone formation (similar to the so-called stimulation current therapy) from ' . This provides additional help for the integration of the implant into the organism.
  • Alternative embodiments of the invention relate to the production or generation of other functional tissue up to organ sections, organ components, whole organs, e.g. internal organs, parts of the body and / or generally functional and / or structured cell conglomerates, e.g. Cartilage, veins, ears, noses, skin etc.
  • the cultivation of structured tissue is also a decisive advance for the production of such other functional types of tissue.
  • Such examples are the cultivation of cartilaginous tissue, such as the nasal septum, anvil, hammer and stirrup of the ear canal or intervertebral discs of the spine.
  • functional components which can be grown according to the invention are vein walls, entire vein sections, egg, urine and urine conductor walls or intestinal walls.
  • tissue change By means of a selective tissue change, such components can be combined with other tissue types in the onlay technique, so that the functional connection to other organ areas or tissue areas, such as muscle groups or even nerves, is possible.
  • vital bone marrow is grown from donor cells. These cells can come from a fresh sample, e.g. from the patient himself or from a compatible donor. On the other hand, the generation of bone marrow from e.g. Own cells obtained in baby or childhood and stored frozen, similar to possible with gene or sperm banks.
  • the simulated growth localization is made available to the bone marrow cells via a pre-grown bone, possibly in the biomechanical constellation of the simulated spine or simulated medullary canal bones. Environments produced according to the invention then enable the growth of bone marrow in vitro.
  • Tumors The temporal aspect of the generation is important here, since the environment is first bred and then the marrow.
  • One of the biggest problems with the already known methods is the limited availability of donor pulp. Therefore, a particular advantage is the
  • Such donor breeding is also cost-effective in terms of procurement costs and the amount of material, including the storage costs of the donor cells - in the best case, lifelong.
  • the availability aspect of a sudden onset of such a disease is also seen as a positive contribution to medical prophylaxis and treatment options.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Gewebe in einer Wachstumskammer zur Verpflanzung in oder an einen menschlichen oder tierischen Körper. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung zur Züchtung von strukturierten funktionellen Knochen einsetzbar. Es werden biologische Zellen auf ein Wachstumsgerüst aufgebracht und beides in einer Wachstumskammer angeordnet. Die strukturierte und funktionelle Züchtung wird durch die gezielte, insbesondere zeitlich oder örtlich verschiedene oder verschiedenartige Einwirkung von biologisch wirksamen Reizen, z.B. mechanischen, elektrischen, magnetischen, chemischen, olfaktorischen, akustischen und/oder optischen Reize erzielt. Es hat sich gezeigt, dass die Ausübung von Reizen, welche denjenigen entsprechen, welchen entsprechendes natürliches Gewebe im Körper natürlicherweise ausgesetzt ist, am geeignetsten ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von biologischem Gewebe in einer Wachstums am er
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von biologischem Gewebe in einer Wachstumskammer im allgemeinen und zur Herstellung von biologischem Gewebe zur Verpflanzung in oder an einen menschlichen oder tierischen Körper im speziellen.
Beschreibung
Die Entwicklung auf dem Gebiet der Herstellung oder Züchtung von biologischem Gewebe hat in den letzten Jahren einen rasanten Fortschritt genommen und eröffnet vielfältige neue Möglichkeiten in der medizinischen Therapie.
Hierbei ist die Herstellung von Knochenersatzwerkstoffen, welche die Heilung von Knochendefekten erlauben, besonders hervorzuheben. Diese allerdings noch sehr junge medizinische Disziplin betrifft insbesondere die Bereiche Chirurgie und Orthopädie.
Es sind bereits verschiedene Knochenersatzwerkstoffe, die als Implantate oder Transplantate benutzt werden bekannt. Diese sind in absteigender Wertigkeit:
i) Humane Eigenknochen, welche von perfekter
Bioverträglichkeit sind, aber den Nachteil einer geringen Verfügbarkeit und der Notwendigkeit einer sekundären Operation innehaben. ii) Humane Fremdknochen, welche von guter Bioverträglichkeit sind, aber den Nachteil einer hohen Infektionsgefahr und der Gefahr einer Krankheitsübertragung bedingen, iii) Tierische Fremdknochen, welche gut verfügbar sind, aber den Nachteil geringer Bioverträglichkeit aufweisen. iv) Tierische Kermikknochen, welche gut verfügbar, von guter
Struktur und hoher Bioverträglichkeit, aber nachteiligerweise spröde und nicht resorbierbar sind, v) Pflanzliche Keramikknochen, welche gut verfügbar und von hoher Bioverträglichkeit sind, aber den Nachteil geringer Festigkeit und nur mittlerer Strukturnäherung aufweisen, vi) Synthetische Keramikknochen, welche gut verfügbar, fest und von großer Materialvarianz sind, aber den Nachteil geringer Strukturnäherung und eingeschränkten
Einwachsverhaltens haben, vii) Synthetische Pasten, welche gut verträglich und verfügbar sind, aber den Nachteil vollständig fehlender
Struktur und Festigkeit aufweisen.
In der praktischen Anwendung am Menschen haben sich an erster Stelle der humane Eigenknochen (sog. Golden Standard) , an zweiter Stelle die tierischen Keramikknochen und an dritter Stelle die synthetischen Pasten etabliert. Nachfolgend sind daher die gravierendsten Schwierigkeiten dieser am häufigsten verwendeten Ersatzstoffe im einzelnen aufgeführt.
Die Implantation humanen Eigenknochens liefert mit Abstand die besten Heilungserfolge. Dabei ist eine sofortige Anbindung an das Versorgungssystem des umliegenden Knochens mit der spontanen Verfügbarkeit des körpereigenen Immunsystems unter Verwendung des Remodelings der Gewebe positiv zu bewerten. Im Gegensatz dazu steht die Stelle der Entnahme des humanen Eigenknochens. Hier entstehen oftmals größere Schwierigkeiten als an der eigentlichen Defektstelle. So ist neben den Kosten der zweiten Operationsstelle vor allem ein weiteres Infektionsrisiko, die Belastung durch den Heilungsprozeß und eine im Regelfall minderwertige Knochenstruktur problematisch. Aber auch die Menge an entnehmbarem Material ist eng begrenzt. Häufig müssen sogar mehrere kleine Segmente gewonnen werden, die dann aber keine biomechanischen funktionellen Aufgaben an der
Implantationsstelle übernehmen können. Überdies wird ein so gewonnener humaner Eigenknochen - das Transplantat - noch mit anderem Knochenersatzmaterial gestreckt, um ausreichend für die Implantationsstelle zu sein. Die Transplantatgewinnung erfolgt typischerweise im
Operationsbereich während der eigentlichen Operation. Bleibt das Transplantat aber während der Operation längere Zeit in Vorbereitung, so läßt die Bioaktivität progressiv nach, was bis zu einem Absterben des humanen Eigenknochens führen kann. Dies deklassiert das biologisch wertvolle Transplantat zu einem „normalen" Implantat, das durch eine erhöhte Abbaureaktion des Remodelingsystems den Heilungsverlauf und Erfolg beeinträchtigt.
Bei den Knochenersatzstoffen auf der Basis von tierischem Knochen bieten die Keramiken derzeit eine tolerierbare Alternative. Diese keramischen Implantate werden so hergestellt, dass die inneren Strukturen des Knochens vollständig erhalten bleiben und die Materialzusammensetzung der des humanen Knochens entspricht. Hier können die Vorteile von anorganischem Material kombiniert mit guter Porenstruktur - dem trabekulären Aufbau - ausgenutzt werden. Vorteilhaft ist dabei die primäre Festigkeit, die eine sofortige Lastaufnahme nach der Implantation bewirkt. Demgegenüber steht der gravierende Nachteil, dass diese keramischen Implantate keinerlei osteogene Potenz besitzen, also nicht als Biomasse vom Organismus akzeptiert werden. Weder die Kopie der Kristallform noch die biomechanischen Eigenschaften entsprechen dem der humanen Gewebeform. Dadurch bedingt ist ein solches Implantat auch lediglich ein tolerierter Platzhalter, der für die eigentliche Knochengenese nur eine Leitschiene liefert, die nach Abschluss des Heilungsprozesses mit dem neugebildeten Knochen einen Verbund darstellt. Die Nachteile der durch die Sprödigkeit der Keramik hervorgerufenen eingeschränkten Elastizität sind nicht kompensierbar .
Die Herstellung dieser Implantate erfolgt in speziellen Fabriken. Bedingt durch das natürliche Ausgangsmaterial sind allerdings die verfügbaren Implantatgrößen und Formen eingeschränkt. Derzeit besitzt das größte verfügbare keramische Implantat auf der Basis tierischer Spongiosa ein Volumen von etwa 16 cm3.
Die pastösen Implantate sind derzeit am meisten im wissenschaftlichen Gespräch. Hier sind besonders die chemisch-physikalischen Eigenschaften der Materialien von Bedeutung. So ist durch die Möglichkeit der Synthese der Stoffe eine sehr gute Adaptation der Kristalle an die der humanen Knochen möglich. Der menschliche Organismus erkennt diese Kristalle als Bausteine für den Knochenaufbau an und integriert sie in das eigene Remodeling des Knochens. So werden die Zeiten des Einwachsens neuer Knochenzellen beschleunigt und reichen schon fast an die des humanen Eigenknochens heran. Nachteilig sind hier die Stoffe zu bewerten, die als Stabilisatoren oder Verfestiger benutzt werden. Diese Stoffe bewirken in der Regel eine erhöhte Zellaktivität für deren Abbau. Auch die durch die pastöse Form des Ersatzstoffes bewirkte Strukturlosigkeit ist negativ zu bewerten, da diese erst umgebaut werden uss, um ein Knochengerüst in Form von Trabekeln zu generieren. Letztendlich bleibt die Festigkeit solcher Materialien gering, was die Einsetzbarkeit erheblich einschränkt. Neben der vorstehend beschriebenen Verwendung fertiger Ersatzstoffe sind grundsätzlich auch zellbiologische Verfahren zur in vitro Züchtung lebenden Gewebes bekannt. So wird vor allem für Brandverletzungen z.B. lebende Haut gezüchtet. Auch werden in Formen Knorpelzellen vermehrt, die durch die äußere Wachstumsform die Gestalt von Körperteilen annehmen und als solche vor allem in der rekonstruktiven plastischen Chirurgie eingesetzt werden. Formen wie Ohren oder Nasen haben heute eine implantierbare oder onplantierbare Qualität erreicht. Auch die Züchtung von Knochengewebe ist in der wissenschaftlichen Anwendung einsatzfähig. Die Züchtung von Knochen erfolgt heute in sogenannten cell-groth-chambers . Dabei werden spezielle Knochenzellen von anderen Zellen separiert und für die Wachstumskammern aufbereitet. Die undifferenzierten Zellen tragen das genetische Potential in sich, sowohl knochenbildende Zellen (Osteoblasten) als auch knochenfressende Zellen (Osteoklasten) zu erzeugen.
Grundsätzlich lässt sich mich solchen Verfahren Knochenmasse generieren. Allerdings weist ein derart gezüchteter Knochen noch wesentliche Nachteile auf. So ist die Form des gewachsenen Knochens zwar durch eine äußere Formgebung, z.B. durch eine Hohlform bestimmbar, jedoch hat ein derartiger Knochen keine funktionelle mechanische Konstruktion. Der gezüchtete Knochen stellt lediglich eine Knochenmasse aus Knochensubstanz dar. Dieser Knochen mit seinem schwammartigen Aufbau kann zwar als Knochenersatzwerkstoff verwendet werden, hat jedoch die Neigung durch erhöhtes Remodeling schnell resorbiert zu werden, da die biomechanischen Eigenschaften lediglich im Zuge des Remodelings gebildet werden können.
Auf der anderen Seite, der vollständig synthetischen, ist ein Verfahren zur Herstellung von strukturierten keramischen Implantaten bekannt, mit dem es möglich ist, die trabekuläre Struktur eines Knochens zu synthetisieren. Dabei werden die einzelnen Schichten eines Implantates lagenweise aufeinandergelegt und miteinander verbunden. Durch anschließende thermische Behandlung entsteht ein vollständig anorganisches Implantat auf keramischer Basis.
Alle genannten Materialien und Verfahren stellen unter Berücksichtigung ihrer gravierenden Nachteile aber lediglich mehr oder weniger schlechte Kompromisslösungen für die Gewebezüchtung, insbesondere für den Knochenersatz dar.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von biologischem Gewebe verfügbar zu machen, welches verbesserte biologische, strukturelle und/oder mechanische Eigenschaften aufweist und soweit wie möglich wie körpereigenes Gewebe vom Körper akzeptiert wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von biologischem Gewebe verfügbar zu machen, welches verbesserte Eigenschaften gegenüber dem Stand der Technik aufweist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von biologischem Gewebe, insbesondere eines Knochens verfügbar zu machen, welches bzw. welcher eine gute Simulation des humanen oder tierischen Eigengewebes bzw. -knochens darstellt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, vorteilhafte Verwendungen für das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Vorrichtung und das hergestellte Gewebe verfügbar zu machen.
Die Aufgabe der Erfindung wird in überraschend einfacher Weise bereits durch den Gegenstand der Ansprüche 1, 21, 38, und 44, 45, 46 und 47 gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung oder Züchtung von biologischem Gewebe in einer Wachstumskammer, insbesondere zur Verpflanzung in oder an einen menschlichen oder tierischen Körper werden biologische Zellen auf ein Wachstumsgerüst aufgebracht. Die biologischen Zellen und das Wachstumsgerüst werden in der Wachstumskammer angeordnet und es werden biologisch wirksame Reize auf das Wachstumsgerüst und/oder auf die biologischen Zellen ausgeübt. Das Aufbringen erfolgt bevorzugt in oder außerhalb der Wachstumskammer . Das hergestellte oder gezüchtete Gewebe umfasst vorzugsweise Knochen, Knorpel, Adern, Ohren, Nasen, Haut oder Organabschnitte bis hin zu ganzen Organen.
Der Erfindung liegt unter anderem die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass sich künstliches Gewebewachstum mit einer Vielfalt von Reizen, insbesondere physikalischen Reizen, beeinflussen, stimulieren und sogar steuern läßt und aktives Gewebe züchtbar ist.
Vorzugsweise werden in einem weiteren Schritt nach einer ersten Wachstumsphase andersartige oder zumindest weitere Zellen auf das Gerüst und/oder das gewachsene Gewebe aufgebracht, z.B. um in einer zweiten Wachstumsphase einen weiteren von dem zuerst gezüchteten unterschiedlichen Gewebeabschnitt zu erzeugen. Am Beispiel der Herstellung oder Züchtung eines Knochens bedeutet dies, dass vorzugsweise zunächst der stabilitäts- und formgebende Abschnitt des Knochens gezüchtet wird und danach z.B. eine umgebende
Knochenhaut. Es sind auch drei oder mehr solcher Wachstumsoder Züchtungsphasen ggf. mit erneuter Zellaufbringung möglich. Die zum Beginn des Verfahrens vorzugsweise undifferenzierten Zellen werden durch die Beaufschlagung mit einem Reiz oder einer Mehrzahl von gleichen, verschiedenen oder verschiedenartigen Reizen z.B. in Ihrem Wachstum beeinflusst. Z.B. wird die Zellteilungsrate und/oder die
Differenzierung der Zellen während des Wachstumstumsprozesses gesteuert oder geregelt. Letzteres geschieht vorzugsweise global in der Wachstumskammer und/oder lokal, insbesondere zeitlich und/oder örtlich unterschiedlich z.B. an vorbestimmten Stellen des Wachstumsgerüsts und/oder an den
Zellen. Durch die Reizbeaufschlagung wird nicht nur die Form des entstehenden Gewebes vorbestimmt gezüchtet, sondern das Gewebe oder Zellkonglomerat erhält überdies noch eine vorbestimmbare Struktur und Funktionalität. Vorzugsweise sind Form, Struktur und/oder Funktionalität des zu züchtenden Gewebes durch die Art, Dauer und/oder Intensität des Reizes oder der Reize beeinflussbar und/oder vorbestimmbar.
Eine weitere überraschende Erkenntnis ist, dass besonders gute Ergebnisse erzielt werden, wenn der, vorzugsweise physikalische, bevorzugt elektrische oder chemische Reiz einem Reiz entspricht oder zumindest gleichartig ist, welchem Reiz entsprechendes natürliches Gewebe im oder am Körper naturgemäß ausgesetzt ist. So werden beispielsweise Muskeln, Knochen und Knorpel mit elektrischen und/oder mechanischen Reizen oder Kräften, Teile des Gehörapparats mit akustischen und Teile des Sehapparats mit optischen Reizen, z.B. Lichtimpulsen besonderes gut stimuliert . Vorzugsweise definiert das Wachstumsgerüst hierbei im wesentlichen lediglich zu Beginn des Verfahrens die innere und/oder äußere Form der Gesamtheit der Zellen aus welchen das Gewebe entsteht. Bevorzugt werden das Wachstumsgerust, die Zellen und/oder der Reiz derart ausgewählt bzw. eingestellt, dass insbesondere zum Abschluss des Verfahrens im wesentlichen das gewachsene Gewebe und nicht mehr das Wachstumsgerüst die biomechanischen Eigenschaften bestimmt.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Wachstums- oder Traggerüst resorbierbares und/oder nichtresorbierbares Material. Das nichtresorbierbare Material gibt dem gewachsenen Gewebe zusätzliche Festigkeit, wohingegen das resorbierbare Material während des Verfahrens in der Kammer und/oder nach der Verpflanzung durch die Zellen verdrängt wird. Hierbei verschwindet das Wachstumsgerüst vorzugsweise vollständig. Alternativ wird das Wachstumsgerüst vor dem, während des oder nach dem Abschluss des Wachstumsvorgangs von dem entstandenen Gewebe getrennt. Bevorzugt, umfasst das Wachstumsgerüst seinerseits biologisches Material oder Zellen. Alternativ umfasst es ein Vließ, elektrisch leitfähiges Material, z.B. Metall, auf welches die Zellen auf- oder eingebracht werden. Damit werden elektrische Reize wirksam auf das gesamte Gerüst verteilt. Besonders vorteilhaft ist es, ein Wachstumsgerüst aus zellwachstumsunterstützenden Material, z.B. Zellulose, Stärke, eine Alkoholverbindung, Gel, und/oder ein gelähnliches Material zu verwenden. Während des Wachstumsprozesses wird vorzugsweise ein wachstumsförderende Substanz, z.B. bone morphogenetic proteine, Fibrogen und/oder eine genetisch beeinflusste Substanz zugegeben.
Vorzugsweise wird das biologische Gewebe mit einem Depot einer pharmakologisch wirksamen Substanz versehen, welche während des Verfahrens und/oder nach der Verpflanzung an das gezüchtete Gewebe und/oder den Körper des Patienten abgegeben wird, wobei das Depot vor dem, während des oder nach dem Abschluss des Wachstumsvorgangs angelegt wird.
Das Verfahren und die Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Züchtung oder Herstellung von Knochen, welche eine körperähnliche Struktur und funktioneile mechanische Konstruktion aufweisen. Ein solcher Knochen wird im folgenden auch als „Genetic-Living-Bone" bezeichnet.
Dieser „Genetic-Living-Bone,, wird als körpereigener Knochen erkannt, akzeptiert und integriert und erfüllt gleichzeitig eine spontane Übernahme biomechanischer Aufgaben. Die Integration des Implantates wird unter Minimierung der zellulären Körperaktivitäten ermöglicht, wobei die Phase des körpereigenen Remodelings spontan einsetzt. Auch wird der Genetic-Living-Bone z.B. zur ex vivo Züchtung von Knochenmark verwendet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere anhand der Züchtung von Knochen und der Synthese strukturierter Werkstoffe beschrieben. Aus diesen Ausführungsbeispielen erschließen sich dem Fachmann zahlreiche weitere Details und Vorteile der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Biologie ist die Gesamtwissenschaft vom Lebendigen, sie umfasst die Anthropologie, die Zoologie, die Botanik und die Protistenkunde. Im Sinne der Erfindung umfasst der Begriff biologisches Gewebe folglich menschliches, tierisches, pflanzliches und protistisches Gewebe und insbesondere lebendes Gewebe. Der Begriff biologische Zellen umfasst ferner menschliche, tierische und pflanzliche Zellen sowie Protisten und insbesondere alle lebenden Zellen.
Für die erfindungsgemäße Herstellung oder Züchtung von biologischem Gewebe, insbesondere eines Genetic-Living-Bone wird eine Trägerstruktur in einer speziell konstruierten Wachstumskammer eingesetzt und darin oder vor dem Einsetzen, mit Knochenzellen dotiert. In dieser Knochenwachstumskammer oder -zelle werden dann für das Knochenwachstum notwendige Nährmedien über ein Versorgungssystem zur Verfügung gestellt. Bei entsprechender Temperierung erfolgen mittels Übertragung von biologisch wirksamen Reizen oder biomechanlschen Impulsen, kontinuierlich oder diskontinuierlich, die für den Aufbau stimulierenden biomechanischen Informationen über die Trägerstruktur. Dabei werden die dotierten Knochenzellen in ihrer Biostimulation angeregt und können so eine Differenzierung durchführen. Dadurch bedingt wird es den Knochenzellen ermöglicht, differenzierten Knochen zu generieren und diesen in biomechanisch funktionellen Strukturen aufzubauen. Ein derartiger Knochen stellt einen funktionell hochwertigen Knochen dar, der spontan alle biomechanischen und zellbiologischen Aufgaben an dem Implantationsort übernehmen kann.
Für das erfindungsgemäße Wachstumsgerüst werden verschiedene Systeme eingesetzt. Bei einer Ausführungsform ist dieses Gerüst ein später im Implantat verbleibendes nichtresorbierbares Hilfsgerüst, das lediglich eine Art Leitschiene für den Genetic-Living-Bone darstellt. Dieses besteht vorzugsweise aus bioverträglichem Metall, Kunststoff, Keramik oder anderen bioverträglichen Stoffen. Zum anderen kann dieses Gerüst aus resorbierbaren Materialien bestehen. Hier kommen auch Kunststoffe, Gläser oder sonstige bioverträgliche Materialien zur Anwendung. Das Gerüst erfüllt vorzugsweise lediglich die Aufgabe, dass der wachsende Genetic-Living-Bone eine Möglichkeit hat, sich an dem Gerüst anlagern zu können, ohne selbst eine Strecke überbrücken zu müssen. Diese Art von Gerüst liefert dann später einen einfachen Knochen mit funktionellem Knochengewebe ohne besondere biomechanische Eigenschaften. Lediglich die resorbierbare Form des Traggerüstes wird im späteren Knochenremodeling abgebaut, so dass sich nach längeren Einheilungszeiten echt trabekulär konfigurierter Knochen bilden kann.
Anders ist dies bei der Herstellung bereits biomechanischen Gesetzen folgenden Trägergerüsten gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Diese Art von Gerüst, die aus den obigen Materialien hergestellt werden kann, liefert bereits in der Genetic-Living-Bone-
Wachstumszelle einen biomechanisch wertvollen Knochen. Dabei ist das Gerüst so aufgebaut, dass es bereits die spätere innere Struktur des gewünschten Implantates aufweist. Vorzugsweise ist dies die trabekuläre Struktur von lebendem Knochen, bzw. die corticale Struktur, oder eine Kombination beider Strukturen. Die Integration biomechanisch unterstützender Strukturen ist ebenfalls möglich.
Die Traggerüste können alternativ auch dergestalt konzipiert werden, dass sie während des Aufbaus des Genetic- Living-Bone-Implantates vorhanden sind, jedoch während oder nach dem Aufbau bereits in der Wachstumszelle eliminiert werden, so dass das fertige Implantat lediglich aus Genetic- Living-Bone besteht. Dies hat im Besonderen den Vorteil, dass keine Fremdmaterialien implantiert werden müssen, d.h. es entsteht ein fremdmaterialfreier Knochen. In diesem Falle sind die zu verarbeitenden Materialien ' für das Traggerüst vorzugsweise zellwachstumsunterstützende Materialien. So werden z.B. Zellulose, Stärke, Alkoholverbindungen, Gele oder gelähnliche Materialien, aber auch abbaubare mineralische oder kristalline anorganische Materialien, wie z.B.
Calciumphosphate verwendet. Besteht das Wachstumsgerüst oder Traggerüst aus solch einem während der Wachstumsphase sich eliminierendem Material, ist ein ggf. vorbestimmbarer Ionenaustausch mit dem entstehenden Gewebe, z.B. Calcium und Sulphat oder Calcium und Phosphat geeignet, die Mineralisation des Genetic-Living-Bone zu unterstützen. Diese Mineralisation vervollständigt synergetisch die Entstehung eines biomechanisch vollwertigen Ersatzknochens, der alle Eigenschaften eines in vivo entstandenen Knochens aufweist. Besonders bevorzugt nimmt der wachsende Knochen in der Wachstumskammer dann den Platz auch des Traggerüstes ein, so dass die mechanisch wertvollen Strukturen von belastbarem Knochen weit mehr ausgeprägt werden können, als wenn das Traggerüst im Implantat verbleibt.
Insbesondere ist das Verhalten der Wachstumszelle während der Aufbauphase des Genetic-Living-Bone für dessen Züchtung wesentlich. Im natürlichen Knochenremodelling kann ein Knochen nur wachsen, wenn die biomechanische Anforderung an die Defektstelle gesendet wird. Die undifferenzierten Zellen, die für das Knochenremodeling verantwortlich sind, folgen dem Grundsatz, dass nicht benötigter Knochen abgebaut, benötigter Knochen aufgebaut und alter Knochen ersetzt werden. Diesem Grundsatz folgend differenzieren sich die undifferenzierten Knochen in die knochenbildenden Zellen (Osteoblasten) und die knochenfressenden Zellen (Osteoklasten) . Für den Knochenaufbau werden Nährstoffe zugeführt und für den Knochenabbau werden Abbauprodukte abtransportiert.
Um das Wachstum des Genetic-Living-Bones während der Verweilzeit in der Wachstumszelle zu stimulieren, werden natürliche oder naturähnliche biomechanische Reize simuliert. Diese Reize wird z.B. durch eine mechanische Belastung hervorgerufen, d.h. auf das Wachstumsgerüst wird durch eine geeignete Einrichtung eine mechanische Zug-, Druck-, Scher- und/oder Torsionsbelastung oder Kombinationen dieser ausgeübt. Das Maß dieser Belastung ist entsprechend den normalen mechanischen Bewegungen des Knochengerüstes im lebenden Körper angepasst und daher entsprechend klein, so dass beispielsweise folgende Übertragungsmethoden verwendet werden. Bei einer ersten Ausführungsform wird der biomechanische Reiz durch den Anschluß des Wachstumsgerüstes in der Knochenwachstumszelle durch den ein- oder beidseitigen Anschluß piezoelektrischer Impulsgeber hervorgerufen und übertragen. Die Frequenz der Stromimpulse auf das piezoelektrische Bauteil bestimmen die Frequenz der daraus resultierenden mechanischen Ausdehnung des Piezobauteiles . Die Impulsstärke bestimmt dabei das Maß der Ausdehnung und damit die Stärke der mechanischen Belastung, die auf das Wachstumsgerüst ausgeübt wird. Auch kann die Verlaufsform des mechanischen Impulses entsprechend gesteuert werden. Durch das Wachstumsgerüst wird so an jede Stelle desselben ein mechanischer Reiz gesendet, der die Knochenzellen zu der bevorzugten Differenzierung der Osteoblasten bewegen soll. Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Fläche der Wachstumszelle mit Druck beaufschlagt. Dieser Druck ist pulsierend, intermittierend und/oder wellig. Diese Methode der Krafteinleitung ist etwas träger in der Ausgestaltung, aber einfacher zu realisieren. Die Gestaltungsvielfalt der piezoelektrischen Beaufschlagung ist allerdings größer. Darüberhinaus wird durch die Kombination beider vorgenannter Ausführungsformen bei einer Druckbeaufschlagung einer piezoelektrischen Schicht ein Synergieefekt erzeugt. Der Druck bewirkt die mechanische Belastung, dadurch initiiert, liefern die Piezokristalle einen elektrischen Impuls, der wiederum mit einer Kontraktion oder Extraktion der Kristalle verbunden ist. Dabei wird der Effekt benutzt, dass elektrische Stromimpulse den biologischen Stoffwechsel positiv beeinflussen können. In diesen Fällen werden die Piezokristalle bevorzugt in die Matrix der Wachstumsträger integriert, so dass über das ganze Implantat verteilt ein innerer mechanischer Impuls zusätzlich zu den von außen zugeführten mechanischen Impulsen erzeugt wird. Alternativ hierzu besteht das Traggerüst aus elektrisch leitendem Material. Dadurch bedingt wird die Stimulation der Zellen durch elektrische Ströme, Felder oder Spannungen verbessert .
In einer weiteren Ausführungsform wird die ganze Wachstumszelle durch Beschleunigung und Verzögerung in
Bewegung gehalten. Durch die auftretenden Beschleunigungsund Bremskräfte entsteht eine globale Krafteinwirkung auf das Wachstumsgerüst, welches ebenfalls einen biologisch wirksamen Reiz oder eine biomechanische Belastung darstellt. Allerdings werden hierbei nicht nur der Wachstumsträger, sondern auch der Zellen und der Nährmedien beschleunigt. Dies könnte zu einer Störung der Wachstumsrichtungen führen. Jedoch ist die Versorgung durch eine derartige Belastung mit Nährmedien durchaus positiv beeinflußbar. Alternativ oder ergänzend wird der biologisch wirksame oder biomechanische Reiz durch die Verwendung von Druck- und ünterdrucktransmittern hervorgerufen. Dies ist besonders kostengünstig.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in das Traggerüst eine Einrichtung zur mechanischen Kraftbeaufschlagung, z.B. ein Zug-, Druck-, Scher- oder/und Torsionsmodul integriert. Dies ist besonders für extrem beanspruchte Teile an den Genetik-Living-Bone vorteilhaft. Vorzugsweise wird der sich bildende Gewebeknochen mit einer entsprechenden Nährlösung versorgt. Hierbei wird bevorzugt die Zusammensetzung verändert, insbesondere gesteuert oder geregelt, wodurch der Knochenmatrix ein selektives Angebot an Elementen unterbreitet wird, das die Knochenzellen zum Knochenaufbau benötigen. Auch ist das Wachstum der Knochenzellen durch knochenwachstumsfördernde Substanzen wie bone morphogenic proteine, Fibrogene oder ähnlichem positiv beeinflussbar. Besonders hierfür ist der Einsatz genetisch beeinflusster oder mittels der Gentechnik hergestellter Additive möglich. Hierbei können selbstverständlich auch ethische Gesichtspunkte berücksichtigt werden.
Bei der Realisierung ist je nach erwünschter Gewebeart und Form die Intensität und/oder Art der Reize vorbestimmt austariert, damit die bekannterweise einsetzende
Zeildegenartion kleiner als die Zellgeneration ist. Parameter für deren Beeinflussung sind dabei z.B. Temperatur, Belastungsfrequenz, Belastungsstärke und Belastungsform.
In der Umsetzungsphase eröffnen sich insbesondere zwei Möglichkeiten:
Zum Einen ist die Generierung von standardisiertem Knochen aus allgemein verträglichen Zellen in einer fabrikmäßigen Herstellung umsetzbar, insbesondere für diejenigen Anwendungen, die ungeplant durchgeführt werden müssen. Auch die patientenbezogene Herstellung in einer Fabrik ist bei verfügbarer Vorlaufzeit erreichbar. Dies erfolgt dann für den allgemeinen Fall in größeren Kammern, für den patientenbezogenen Fall jedoch in Einzelkammern. Entsprechend der Einsatzmenge ist die Preisentwicklung der allgemeinen Knochen niedriger, als die der für den patientenbezogenen Knochen. Die Belieferung der Krankenhäuser kann zentral erfolgen, wobei bei längeren Transportwegen eine entsprechende Kühlung des Gewebes, bzw. eine Nährstoffversorgung während des Transportes integriert werden sollte.
Eine zweite Möglichkeit ist die Herstellung des Genetic- Living-Bone direkt in der Klinik, z.B. in deren Blutbank oder in deren Zellabor. Durch standardisierte Wachstums ämmern mit entsprechenden Zellvorräten ist die Herstellung gut handhabbar.
Eine weitere Ausführungsform der Genetic-Living-Bone- Implantate umfassen pharmazeutische Wirkstoffe, z.B. in einem Knochen-internen Depot. Die Freigabe von Wirkstoffen hat in der Medizin eine ganz besondere Bedeutung. So erfüllt ein pharmazeutischer Wirkstoff in der Regel die Funktion der Übernahme einer Schutzmaßnahme entweder für das Implantat, oder für das umliegende Gewebe. Eine Infektion, bedingt durch die Rahmenbedingungen der Operationsumgebung sind bei den heutigen Hygieneverhältnissen zwar extrem gesunken, aber dennoch nicht zu vernachlässigen. Ziel einer Wirkstoffreigäbe ist z.B. die Prophylaxe gegen Entzündungen, bzw. die Behandlung von Krankheiten wie Krebs oder Tumore, aber auch andere Funktionen sind möglich. Bei diesen Wirkungen ist die Abgabedauer, von kurzfristig bis langfristig, sowie die Abgabemenge vorbestimmbar.
Für die Wirkstoffbeladung des Genetic-Living-Bone sind ebenso verschiedene Varianten möglich. In einer ersten Variante werden bereits vor der Züchtung der Knochenzellen WirkstoffSubstanzen in die strukturierte Trägermatrix eingebracht. In dem diese Struktur mit dem Wirkstoff getränkt wird, diesen umfasst oder aus diesem ganz oder teilweise zusammengesetzt ist. In dieser Konstellation gibt die Trägermatrix bereits ihren Wirkstoff während der
Züchtungsphase an die Knochenzellen und die Nährflüssigkeit ab. Dies führt allerdings zu einer hohen Penetrationsrate in das Wachstumsgewebe.
Andererseits werden Wirkstoffe über die Nährflüssigkeit während der Wachstumsphase, bzw. kurz vor oder kurz nach
Beendigung der Wachstumsphase besonders bevorzugt zugegeben. Unter Umständen ist die Zuführung der Wirkstoffe auch erst kurz vor der Implantation des Genetic-Living-Bone sinnvoll. Die Menge, Konzentration und das zeitliche Abgabeverhalten sind dabei den Gegebenheiten anpassbar. Neben einer möglichen Standardbeladung mit Wirkstoffen ist dadurch auch die individuelle Komposition den Patienten-spezifischen Bedürfnissen anpassbar. Das Spektrum der in Frage kommenden Substanzen liegt dabei vorzugsweise im Bereich der Antibiotika und Zytostatika. Aber auch genetisch wirksame Substanzen, wie FGF oder BMP und andere sind allein oder in Kombination mit anderen dem Fachmann bekannten Wirksubstanzen einsetzbar. In besonderen Fällen können diese Wirksubstanzen auch sogenannte Spurenelemente darstellen, um gegebenenfalls im Organismus vorhandene Mängel oder Stoffwechselstörungen zu korrigieren, insbesondere sind dies in den elektrochemischen Vorgängen eingreifende Substanzen, wie Elektrolyte. Aber auch gerinnungshemmende oder gerinnungsförderne Stoffe, wie die DTP sind bei Störungen im Blutversorgungssystem einsetzbar. Vorteilhaft bei dieser Art der Wirkstoffapplikation ist die Beschränkung des Wirkbereiches auf das Implantatwundgebiet. Konsequenterweise ist es mit vorab beschriebenen Herstellungsmethoden auch möglich, zelldifferenzierten Knochen zu generieren. Hierzu werden bei einer weiteren Ausführungsform durch zeitliche Veränderung der auf das wachsende Implantat wirkenden biomechanischen Reize und/oder durch Veränderung der Zusammensetzung der Nährstofflösung das Knochenzellwachstum manipuliert. Dadurch entsteht eine in Festigkeit und Zusammensetzung veränderte Knochenstuktur, bzw. werden durch eine Beladung der Oberfläche des bereits gewachsenen Knochens teilweise oder vollständig andere Knochensubstanzen aufgelagert. Diese vollständig neue Implantat- oder Werkstoffgeneration wird als Ausführungsform des Genetic-Living-Bone mit besonders großem Anwendungsgebiet erachtet . Folgt man dem amerikanischen Modell der Bevölkerungserfassung in genetischen Datenbänken, so ist es möglich, mit dieser Erfindung einen weltweit verfügbaren Bestand an patientenspezifischen Ersatzknochen zu schaffen. Im folgenden sind exemplarisch drei Anwendungsbeispiele für die Züchtung spezifischer Knochen und Knochenbestandteile ausgehend von klinischen Anforderungsprofilen dargestellt.
Beispiel 1 Zur Herstellung eines Implantates in Form des beschriebenen Genetic-Living-Bone wird die Modellform eines Oberschenkelhalsstückes, d.h. einer Verbindung von corticalem und spongiösem Knochengerüst benötigt.
Zur Züchtung wird aus einer Masse aus mit Calcium angereichertem Kollagen nach dem Verfahren der Siebdrucktechnologie ein Strukturgerüst dieses Oberschenkelhalsstückes aufgebaut. Nach dessen Herstellung wird dieses Gerüst in die Wachstumskammer eingebracht und der Kontakt zu der Übertragungseinrichtung des biomechanischen Reizes hergestellt indem magnetische Druckplatten auf dieses Gerüst aufgelegt werden. In diesem Beispiel wird die Krafteinleitung durch ein magnetisches Feld hergestellt, welches durch seine Schwingungsform idealerweise der Belastung eines natürlichen Knochens angepasst wird. Nachdem nunmehr das System für den Wachstumsprozeß vorbereitet ist, wird es mit den Wachstumszellen beimpft. Diese Zellen sind zunächst undifferenzierte Zellen aus Knochenmaterial, die während des Verfahrens zu Osteoklasten und Osteoblasten differenzieren. Die Dotierung erfolgt mittels einer Zellösung, die durch Tauchung der Trägermatrix in diese
Lösung erfolgt. Dabei dringen die undifferenzierten Zellen in die Matrix ein und lagern sich auf der Oberfläche an. Daran anschließend wird das Wachstumsgerüst oder die zu bewachsende Matrix mit einer Zellmembran verschlossen, so dass die Dotierungszellen nicht abwandern können.
Daran anschließend wird die Wachstumskammer mit einem Nährmedium gespült und im Kreislauf gefördert. Ein Zeitsystem bewirkt dabei die regelmäßige Nachfüllung mit frischem
Nährmedium und ein Absaugen verbrauchter Nährflüssigkeit. -Dieser Nährflüssigkeit sind insbesondere ionisierte Calcium- und Phosphationen zugegeben, da diese für die Mineralisation von anorganischem Knochenkristallen benötigt werden. In der temperierten Wachstumsphase wird auf die magnetischen Druckplatten durch ein extern angelegtes magnetisches Wechselfeld eine dynamische Lastwechselbelastung aufgebracht. Die an- und abschwellende Amplitude ist dabei der biologischen Druckentwicklung eines natürlichen Bewegungsablaufbelastumsverlaufes angepaßt. Im Zuge der Zellteilung vermehren sich die Donatorenzellen in der belasteten Wachstumskammer und differenzieren sich durch die biomechanische Belastung zu überwiegend Osteoblasten. Dabei wird die kollagene Trägerstruktur durch biochemische Lösung degradiert und in Form kollagener Strukturen in den wachsenden Knochen integriert. Diese Integration bewirkt seinerseits die Verbindung und Platzierung der anorganischen Knochenkristallsubstanz. Zur Erhöhung der biomechanischen Festigkeit des Genetic-Living-Bone wird die magnetische Wechsellast in Intervallen, die der Wachstumsgeschwindigkeit entsprechen in seiner Lastamplitude erhöht. Am Schluß des exkorporalen Wachstumsprozeßes wird die Nährlösung mit einer pharmakologisch wirksamen Substanz, z.B. einem Antibiotikum versetzt, welches dem Implantat einen antibakteriellen Schutz verleiht. Die Wachstumsübertragung wird abgestellt und die Druckübertragungsplatten von dem Genetic-Living-Bone entfernt . Das Implantat wird aus der Wachstumszelle genommen und in einem Transportbehälter unter abgesenkten Temperaturen zwischengelagert. Die Lagertemperaturabsenkung bewirkt dabei eine Reduktion des Zellstebens bis zur Implantation, so dass ein Genetic-Living-Bone mit maximaler Vitalität implantiert werden kann. In Operationsnähe erfolgt eine mechanische Anpassung des Genetic-Living-Bone an die Defektstelle mit anschließender Implantation. Zur besseren und schnelleren Integration, bzw. Anschluß, kann das Implantat mit frischen Patientensubstanzen, z.B. Blut, Knochenmark oder ähnlichem inokuliert werden.
Die Wachstumskammer wird gereinigt und sterilisiert und ist so für den nächsten Einsatz vorbereitet.
Beispiel 2
Ein gemäß Beispiel 1 hergestellter Genetic-Living-Bone soll zur optimalen Integration bei einer Defektstrechenüberbrückung im Halswirbelbereich ein Wirbelteil ergänzen. Zu diesem Zweck wird der in seiner Außenform gewachsene Genetic-Living-Bone aus der Wachstumskammer entnommen und auf seiner umfänglichen Außenseite mit einem Gel aus Kollagen und Periostzellen (Knochenhaut) beschichtet. Darüber wird eine Schutzmembran aus einer Folie gelegt. Diese Kombination wird wiederum in eine ggf. weitere Wachstumskammer oder -zelle eingesetzt, von unten oder oben mit Nährlösungen versorgt und in einem muskelähnlichen Vließ eingebettet. Nunmehr wird eine untere und eine obere Torsionsplatte an den Stirnseiten des Genetic-Living-Bone angeschlossen. Die Torsionsplatten werden durch einen Excenterantrieb in eine leichte
Torsionsschwingung zur Simulation der Knochendrehung zum umgebenden muskulären Gewebe versetzt. Durch diese Simulation angeregt, verdichten sich die Periostzellen zu einer Periostschicht, die idealisiert eine Knochenhaut darstellt. Der Periost-umgebene Genetic-Living-Bone wird aus der Ummantelung entnommen und von der Schutzfolie befreit. Durch die Periostschicht kann jetzt die ideale Simulation des neuen Knochensegmentes im Wirbel seine Funktion übernehmen.
Beispiel 3
Aus einer Mischung von Poly-D, L Lactid und einem kristallinen Pentacalcium-Hydroxyd- (tris-) Phosphat, welches durch Additive wie Titanoxid zu einem Piezowerkstoff umgeformt ist, wird ein Gerüst hergestellt, welches die äußere Geometrie eines Lendenwirbels aufweist. Dieses Gerüst wird wie in Beispiel 1 und 2 beschrieben in der Wachstumskammer vorbereitet. Davon abweichend ist jedoch die Einleitung des biomechanischen Reizes.
In diesem Beispiel 3 werden je eine Kontaktplatte oberhalb und unterhalb des Gerüstes angebracht. Nach Dotierung und Nährmediumversorgung wird an die Kontaktplatten eine Wechselspannung im Frequenzbereich der Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Pentacalcium-Hydroxyd- (tris-) Phosphat- Kristalle angelegt. Die Impulsleitung erfolgt durch die Lactidsubstanz und über das Nährmedium. Durch die piezoelektrische Kontraktion und Elongation erfolgt eine mikromechanische Belastung in allen Gerüstteilen, die die Stimulation der Knochenzellen zu Wachstumsaktivitäten bewirkt. Bei diesem Vorgang wird das Lactid degradiert, so dass nach abgeschlossenem Wachstumsvorgang die lebende Knochensubstanz in Form der ursprünglichen Trägermatrix besteht. Besonders ist dabei der Verbleib der piezoelektrischen Pentacalcium-Hydroxyd- (tris-) hosphat- Kristalle im Genetic-Living-Bone, die nach der Implantation umgekehrt einen zusätzlichen Impuls an den Organismus - jetzt in vivo - liefern. Durch die biomechanische Belastung des Knochens durch Bewegungsabläufe liefern diese Kristalle einen kleinen Stromimpuls der an das umliegende Gewebe abgegeben wird. Dieser Stromimpuls wiederum wirkt sich positiv unterstützend auf das Knochenwachstum und die
Knochenneubildung (ähnlich der sogenannten Reizstromtherapie) aus'. Damit ist der Integration des Implantates in den Organismus eine zusätzliche Hilfestellung gewährt.
Alternative Ausführungsformen der Erfindung betreffen die Herstellung oder Generation von anderem funktionellen Gewebe bis hin zu Organabschnitten, Organbestandteilen, ganzen Organen, z.B. inneren Organen, Körperteilen und/oder allgemein funktionellen und/oder strukturierten Zellkonglomeraten, z.B. Knorpel, Adern, Ohren, Nasen, Haut usw. Auch für die Herstellung solch anderer funktioneller Gewebearten ist die Züchtung strukturierten Gewebes ein entscheidender Fortschritt.
Solche Beispiele sind die Züchtung von knorpligem Gewebe, wie Nasenscheidewand, Amboß, Hammer und Steigbügel des Gehörganges oder Bandscheiben der Wirbelsäule.
Weitere Beispiele funktioneller Bauteile, welche erfindungsgemäß gezüchtet werden können sind Aderwandungen, ganze Aderabschnitte, Ei-, Harn- und Urinleiterwandungen oder Darmwände.
Durch eine selektive Gewebeänderurig sind solche Bauteile in der Onlaytechnik mit anderen Gewebearten kombinierbar, so dass der funktionelle Anschluß an andere Organbereiche oder Gewebebereiche, wie Muskelgruppen oder sogar Nerven möglich ist.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung können sogar multifunktionale Bauteilgruppen als Körperersatzteil hergestellt werden. Dabei wird der für Knochengewebe bevorzugte biomechanische Reiz durch andere biologische Initiatoren ersetzt oder ergänzt.
Bei einer weiteren Ausführungsform werden kombinierte Wirkungen in den Wachstumszellen mit unterschiedlichen Zielsetzungen verwendet. Es wird beispielsweise vitales Knochenmark aus Donatorenzellen gezüchtet. Diese Zellen können aus einer frischen Entnahme stammen, z.B. vom Patienten selbst oder von einem kompatiblen Spender. Andererseits ist die Generation von Knochenmark aus z.B. im Baby- oder Kindesalter gewonnenen und gefroren gelagerten Eigenzellen, ähnlich wie bei Gen- oder Samenbanken möglich.
In diesem kombinierten Verfahren werden dabei den Knochenmarkszellen die simulierte Wachstumslokalisation über einen vorgezüchteten Knochen, unter Umständen in der biomechanischen Konstellation der simulierten Wirbelsäule oder simulierter Markkanalsknochen, zur Verfügung gestellt. Erfindungsgemäß hergestellte Umgebungen ermöglichen dann die Züchtung von Knochenmark in vitro.
Damit ergeben sich neue Gesichtspunkte in der Prophylaxe von Knochenmarkserkrankungen wie Leukämie, Krebs oder
Tumoren. Hierbei ist der zeitliche Aspekt der Generation von Bedeutung, da zuerst die Umgebung gezüchtet wird und daran anschließend das Mark. Eines der größten Probleme der bereits bekannten Verfahren ist die begrenzte Verfügbarkeit von Donatorenmark. Daher ist ein besonderer Vorteil der
Erfindung, dass derartige Züchtungen irr nahezu unbegrenzten Mengen patientenspezifisch durchgeführt werden können.
Eine solche Spenderzüchtung ist auch unter Hinzuziehung der Lagerungskosten der Donatorenzellen - im günstigsten Fall lebenslang - in Bezug auf Beschaffungsaufwand und Materialmenge kostengünstig. Auch der Verfügbarkeitsaspekt bei plötzlichem Ausbrechen einer derartigen Krankheit wird als positiver Beitrag zur medizinischen Prophylaxe und Behandlungsmöglichkeit gewertet.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern vielfältig variiert werden kann, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von biologischem Gewebe in einer Wachstumskammer, insbesondere zur Verpflanzung in oder an einen menschlichen oder tierischen Körper umfassend ein Aufbringen von biologischen Zellen auf ein Wachstumsgerüst, ein Anordnen der biologischen Zellen und des Wachstumsgerüstes in der Wachstums ammer und ein Ausüben eines biologisch wirksamen Reizes auf das Wachstumsgerüst und/oder auf die biologischen Zellen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reiz einem Reiz entspricht oder zumindest gleichartig ist, welchem das Gewebe natürlicherweise im oder am Körper ausgesetzt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass strukturiertes und/oder funktionelles biologisches
Gewebe hergestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wachstum, Form, Funktion, Struktur und/oder Art des biologischen Gewebes durch den Reiz oder eine Abfolge von Reizen beeinflusst wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche und/oder verschiedenartige Reize ausgeübt werden und zeildifferenzierte Gewebeabschnitte hergestellt werden.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wachstumsgerüst im wesentlichen nur eine Anfangsform des herzustellenden Gewebes zu Beginn des Verfahrens vorgibt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Organ, ein Knochen, ein Knorpel, eine Ader, Knochenhaut, oder eine funktioneile Zusammensetzung daraus hergestellt wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im wesentlichen das gewachsene Gewebe die biomechanischen Eigenschaften der Anordnung aus Gewebe und Wachstumsgerüst bestimmt.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gerüst umfassend resorbierbares Material, insbesondere biologisches Material oder Zellen verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gerüst, umfassend ein zellwachstumsunterstützendes Material, insbesondere Zellulose, Stärke, Alkoholverbindungen, Gel und/oder gelähnliches Material verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wachsende Gewebe den Platz des Wachstumsgerüsts einnimmt.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gerüst umfassend nichtresorbierbares Material und/oder elektrisch leitfähiges Material verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerüst von dem Gewebe, welches aus den biologischen Zellen an dem Gerüst gewachsen ist, getrennt wird.
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine pharmakologisch wirksame Substanz, bevorzugt eine wachstumsfördernde Substanz, besonders bevorzugt ein bone morphogenetic proteine, ein Fibrogen und/oder eine genetisch beeinflusste Substanz zugegeben wird.
15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Depot einer pharmakologisch wirksamen Substanz an und/oder in dem Wachstumsgerüst und/oder dem Gewebe angelegt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die pharmakologisch wirksame Substanz nach der Verpflanzung des Gewebes in oder an den Körper abgegeben wird.
17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mechanische, elektrische, magnetische, chemische, olfaktorische, akustische und/oder optische Reize auf das Wachstumsgerüst und/oder auf das Gewebe ausgeübt werden.
18. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich veränderliche Reize, insbesondere diskontinuierliche Reizimpulse und/oder periodische Reize, auf das Wachstumsgerüst und/oder auf die biologischen Zellen ausgeübt werden.
19. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass biologisch wirksame Reize mit einem piezoelektrischen Material ausgeübt werden.
20. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine piezoelektrische Einrichtung an und/oder in dem Wachstumsgerüst angeordnet wird.
21. Wachstumsgerüst zur Herstellung von biologischem Gewebe, insbesondere zur Verpflanzung in oder an einen menschlichen oder tierischen Körper und insbesondere zur Anwendung des Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Wachstumsgerüst in einer Wachstumskammer anordenbar ist, biologische Zellen auf das Wachstumsgerüst aufbringbar sind und ein biologisch wirksamer Reiz auf das Wachstumsgerüst und/oder auf die biologischen Zellen ausübbar ist.
22. Wachstumsgerüst nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass biologisches Gewebe mit funktioneller Struktur herstell- oder züchtbar ist.
23. Wachstumsgerüst nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wachstumsgerüst im wesentlichen nur eine Anfangsform des biologischen Gewebes definiert.
24. Wachstumsgerüst nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche und/oder verschiedenartige Reize ausübbar sind.
25. Wachstumsgerüst nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wachstum, Form, Funktion, Struktur und/oder Art des Gewebes durch den Reiz oder eine Abfolge von Reizen beeinflussbar ist.
26. Wachstumsgerüst nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das biologische Gewebe ein Organ, einen Knochen, einen Knorpel, eine Ader,
Knochenhaut, oder eine funktioneile Zusammensetzung daraus umfasst.
27. Wachstumsgerüst nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im wesentlichen das gewachsene Gewebe die biomechanischen Eigenschaften der Anordnung aus Gewebe und Wachstumsgerüst bestimmt.
28. Wachstumsgerüst nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch resorbierbares Material, insbesondere biologisches Material oder Zellen.
29. Wachstumsgerüst nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein zellwachstumsunterstützendes Material, insbesondere Zellulose, Stärke,
Alkoholverbindungen, Gel und/oder gelähnliches Material.
30. Wachstumsgerüst nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Platz von dem wachsenden Gewebe einnehmbar ist.
31. Wachstumsgerüst nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es nicht-resorbierbares Material und/oder elektrisch leitfähiges Material umfasst.
32. Wachstumsgerüst nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es von dem Gewebe, welches aus den biologischen Zellen an dem Gerüst gewachsen ist, trennbar ist.
33. Wachstumsgerüst nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Depot einer pharmakologisch wirksamen Substanz an und/oder in dem Wachstumsgerüst und/oder dem Gewebe anlegbar ist.
34. Wachstumsgerüst nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die pharmakologisch wirksame Substanz nach einer
Verpflanzung des Gewebes in oder an einen Körper an diesen abgebbar ist.
35. Wachstumsgerüst nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der biologisch wirksame Reiz mechanische, elektrische, magnetische, chemische, olfaktorische, akustische und/oder optische Reize umfasst.
36. Wachstumsgerüst nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der biologisch wirksame Reiz zeitlich veränderliche Reize, insbesondere diskontinuierliche Reizimpulse und/oder periodische Reize umfasst.
37. Wachstumsgerüst nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Einrichtung zur Reizerzeugung, insbesondere ein piezoelektrisches Material umfasst.
38. Vorrichtung zur Herstellung von biologischem Gewebe, insbesondere zur Verpflanzung in oder an einen menschlichen oder tierischen Körper und insbesondere zur Anwendung des Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Verfahrensansprüche, die Vorrichtung umfassend eine Wachstumskammer, ein in der Wachstumskammer angeordnetes Wachstumsgerüst, insbesondere nach einem der Ansprüche 21 bis 37, biologische Zellen, welche an dem Wachstumsgerüst angeordnet sind und eine Einrichtung zur Erzeugung biologisch wirksamer Reize und zur Ausübung der Reize auf das Wachstumsgerüst und/oder die biologischen Zellen.
39. Vorrichtung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Reize Reizen entsprechen oder gleichartig sind, welchen das Gewebe natürlicherweise im oder am Körper ausgesetzt ist.
40. Vorrichtung nach Anspruch 38 oder 39, dadurch gekennzeichnet, dass eine pharmakologisch wirksame Substanz, bevorzugt eine wachstumsfördernde Substanz, besonders bevorzugt ein bone morphogenetic proteine, ein Fibrogen und/oder eine genetisch beeinflusste Substanz zugebbar ist.
41. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung mechanischer, elektrischer, magnetischer, chemischer, olfaktorischer, akustischer und/oder optischer Reize.
42. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung von zeitlich veränderlichen Reizen, insbesondere Reizimpulsen und/oder periodischen Reizen.
43. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung von biologisch wirksamen Reizen, insbesondere mechanischen und/oder elektrischen Reizen, mittels des piezoelektrischen Effekts.
44. Biologisches Gewebe, insbesondere ein Knochen, herstellbar oder hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, herstellbar oder hergestellt mit dem Wachstumsgerüst nach einem der
Ansprüche 21 bis 37 und/oder herstellbar oder hergestellt in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 38 bis 43.
45. Verwendung des Gewebes nach Anspruch 44 zum Im- oder Onplantieren in oder an einen menschlichen oder tierischen Körper.
46. Verwendung des Gewebes nach Anspruch 44, das Gewebe ferner umfassend ein Wirkstoffdepot, zum Abgeben einer pharmakologisch wirksamen Substanz in oder an dem Körper.
47. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 20, des Wachstu sgerüsts nach einem der Ansprüche 21 bis 37 oder der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 38 bis 43 zur Herstellung oder Züchtung von Knochenmark in einem Knochen außerhalb oder innerhalb eines lebenden Körpers.
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