Synthese eines biomimetischen Perikard Polymers für kardiale Anwendungen (PolyKARD)

Medizintechnik

Darstellung eines künstlichen Herzbeutels für das Herzunterstützungssystem

Synthese eines biomimetischen Perikard Polymers für kardiale Anwendungen (PolyKARD)

Kompetenzen:

  • Herz

    Polymere

    Elektrospinning

    Biokompatibilität

    GMP

Koordinator:

  • Prof. Dr. Stephen Wildhirt

    AdjuCor GmbH

Projektlaufzeit:

01.03.2019 - 28.02.2022

Aufgaben im Projekt

AdjuCor GmbH
Konstruktion Herzunterstützungssystem, Tierversuche

Fraunhofer IAP
Erforschung eines biomimetischen bzw. hybriden Polymermaterials

Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
Elektrospinning der Trägersubstrate und Polymercharakterisierung

Young Optics Europe
3D-Drucksystem für biokompatible Materialien

Pro3dure
Polymer-Harzsynthese und GMP-konformes Upscaling

Beschreibung

Abbildung 1: (a) Syntheseweg zur Erlangung von Urethanacrylaten für den 3D Druck: Ohne Einsatz von giftigen Isocyanten können mono- und difunktionalisierte Einzelkomponenten für Photoharze synthetisiert werden, welche als reaktive Lösungsmittel (bzw. als Crosslinker) mittels photobasierten 3D-Drucks in Photopolymere umgewandelt werden können. (b) Syntheseroute zur Herstellung von NIPU. (Quelle: IAP)

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.

Abbildung 2: Die photoaushärtbaren Urethanharze wurden mittels Digital Light Processing (DLP) auf einem neu entwickelten 3D Drucker zu einer künstlichen Herzhülle verarbeitet. (Quelle: YOE)

Im Rahmen des Projekts wurde eine Bibliothek an photoaushärtbare Urethanharze aus Nicht-Isocyanat Ausgangsstoffen synthetisiert und umfassend charakterisiert [1] (Abb. 1a, IAP). Diese erlauben durch geeignete Mischungen eine einstellbare Mechanik der korrespondierenden ausgehärteten Photoprodukte. Die Formulierungen wurden hinsichtlich der Lichtaushärtung optimiert [2] und mittels Digital Light Processing (DLP) auf einem neu entwickelten 3D-Drucker mit den notwendigen Anforderungen für die Herstellung von Medizinprodukten der Klasse III zu einem künstlichen Perikard verarbeitet (Abb. 2, YOE). Außerdem wurde eine GMP-konforme Abfüllanlage für die Herstellung der Photopolymere aufgebaut (P3D).

Abbildung 3: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von humanen Bindegewebszellen auf elektrogesponnenem Polyurethan. (Quelle: NMI)

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).

Projektpartner

AdjuCor GmbH
FKZ: 13XP5087A

Pro3dure
FKZ: 13XP5087B

Young Optics Europe
FKZ: 13XP5087C

Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
FKZ: 13XP5087D

Fraunhofer IAP
FKZ: 13XP5087E

Factsheets und Publikationen

Factsheet (deutsch)

Factsheet (englisch)

[1] N. Singh, H. Bakhshi, W. Meyer, RSC Advances 2020, 10, 44103. https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2020/RA/D0RA06388F

[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>,. http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-635398.html