Synthese eines biomimetischen Perikard Polymers für kardiale Anwendungen (PolyKARD)

Hybride Polymere, neue Materialien für zukünftige kardiale Therapien

Der Herzbeutel, auch Perikard genannt, umgibt das Herz und besteht aus einem elastischen und doch mechanisch außerordentlich stabilen Material. Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften dient körpereigenes oder aufbereitetes Perikard tierischer Herkunft in der Herzchirurgie schon lange als verstärkendes und abdichtendes Material, z.B. zur Verschluss von Septumdefekten oder in der Konstruktion kommerziell erhältlicher biologischer Herzklappen. In der Langzeitanwendung beobachtet man Verkalkungen und Verhärtungen des Materials. Dies erklärt zum Beispiel die nur begrenzte Haltbarkeit biologischer Herzklappenprothesen.

Das Ziel dieses Vorhabens ist es, ein Polymer zu erforschen, das die anspruchsvollen mechanischen Eigenschaften des natürlichen Perikards so gut wie möglich nachzubilden vermag, gleichermaßen biokompatibel und in der Langzeitanwendung unbegrenzt biostabil ist. Das nicht lineare mechanische Verhalten des natürlichen Perikards ist den meisten Polymermaterialien nicht zu eigen. Daher wird im PolyKARD-Projekt versucht, dass diese Materialien das mechanische Verhalten über ihre Strukturierung im Herstellungsprozess erhalten. Hierzu werden Elektrospinning und 3D Druck eingesetzt.

Des Weiteren wurden hochmolekulare Nicht-Isocyanat-Polyurethane hergestellt (Abb. 1b, IAP) und mit Hilfe des Elektrospinning-Verfahrens zu porösen, faserförmigen Trägersubstraten verarbeitet (NMI). Derzeit wird an Lösungen gearbeitet, wie dieses Material mit Kollagen funktionalisiert werden kann (IAP, NMI). Um die Quervernetzung und die Funktionalität von verarbeitetem Kollagen beurteilen zu können, wurden verschiedene sowohl invasive als auch nicht-invasive Methoden für eine Qualitätskontrolle von Kollagen etabliert und getestet (NMI). Darüber hinaus werden derzeit die Biokompatibilität sowie direkte Material-Zell-Interaktionen der elektrogesponnenen PolyKARD-Materialien mit Hilfe relevanter Zelltypen beurteilt (NMI). Hierzu wurden, unter anderem, die Morphologie (Abb. 3), die Viabilität, die Stoffwechselaktivität und biochemische Fingerprints der Zellen als Reaktion auf die PolyKARD-Materialien analysiert (NMI).

Die mittels 3D-Druck und Elektrospinning verarbeiteten neuartigen biomimetischen Polymermaterialien sollen im Hinblick auf eine spätere Nutzung in einem extravaskulären Herzunterstützungssystem biomechanisch charakterisiert werden (IAP, ADJ).

Publikationen 

[1] N. Singh, H. Bakhshi, W. Meyer, RSC Advances 2020, 10, 44103.

[2] G. Kuang, H. Bakhshi, W. Meyer, The Role of Photo-Initiators in the Inks for Medical 3D Printing 2021. Poster (1. Preis) auf ProMatLeben - Midtermkonferenz <2021, Online>.