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

Kraft-Dehnungskurve des natürlichen Perikards
Abb. 1: Kraft-Dehnungskurve des natürlichen Perikards: Das nicht lineare Kraft-Dehnungsverhalten für das natürliche Perikard-Gewebe unterteilt sich im Zugversuch in eine fast kraftfreie Dehnung, der toe region (hier bis zu 10%) und einem linearen Teil, der heel region (Quelle IAP).

Hybride Polymere, neue Materialien für zukünftige kardiale Therapien

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 in Abb. 1 dargestellt. Da ein solches Verhalten den meisten Polymermaterialien nicht zu eigen ist, werden im PolyKard Projekt zwei sich ergänzende Strategien verfolgt, um dieses nachzubilden:

  • Auf molekularer Ebene soll das Biomolekül Kollagen mit den polymeren Molekülen zu einem Hybridpolymer verknüpft werden. Dieses Hybridpolymer soll ein intrinsisches Verhalten aufweisen, welches eine fast kraftfreie Dehnung erlaubt (toe region) bevor es in ein lineares Kraft-Dehnungsverhalten übergeht (heel region).
  • Die zweite Strategie sieht vor, dass die PolyKARD-Materialien das mechanische Verhalten über ihre Strukturierung im Herstellungsprozess erhalten. Hier werden Elektrospinning und 3D Druck eingesetzt.
Abbildung einer elektrogesponnenen Vlieses. Es sind Fasern zu sehen.
Abb. 2: Elektrogesponnenes Vlies. Die neuartigen biomimetischen Polymermaterialien werden mit Hilfe des Elektrospinning-Verfahrens zu porösen, faserförmigen Vliesen verarbeitet. Dies erlaubt die Herstellung eines Trägersubstrats mit kontrollierbaren mechanischen Eigenschaften und morphologischer Ähnlichkeit zur biologischen extrazellulären Matrix (Quelle: Daten NMI 2020).

Im Rahmen des Projekts wurden während der letzten Monate bereits erfolgreich photoaushärtbare Urethanharze aus Nicht-Isocyanat Ausgangsstoffen synthetisiert (siehe Abb. 3; IAP), welche zur Fertigung von biomimetischen Implantaten mittels 3D-Druck genutzt werden können. Die neuartigen Photopolymere zeigten günstige mechanische Eigenschaften (IAP), sowie gute Biokompatibilität (NMI) und wurden bereits mittels Digital Light Processing zu einem künstlichen Perikard verarbeitet (YO). Ein 3D-Drucker mit den notwendigen Anforderungen für die Herstellung von Medizinprodukten der Klasse III wird derzeit entwickelt, sowie ein entsprechendes Reinraumkonzept ausgearbeitet (YO). Außerdem wird derzeit eine GMP-konforme Abfüllanlage für die Herstellung der Photopolymere aufgebaut (P3D).

Des Weiteren wurden hochmolekulare Nicht-Isocyanat-Polyurethane hergestellt und charakterisiert (IAP). Auch diese Polymere zeigten gute Biokompatibilität und wurden bereits mit Hilfe des Elektrospinning-Verfahrens zu porösen, faserförmigen Trägersubstraten verarbeitet (Abb.2, NMI). Dieses Material soll im weiteren Projektverlauf mit Kollagen funktionalisiert werden (IAP). Um die Funktionalität von verarbeitetem Kollagen beurteilen zu können, werden derzeit Methoden für eine nicht-invasiven Qualitätskontrolle von Kollagen getestet (NMI).

Die neuartigen biomimetischen Polymermaterialien sollen im Rahmen dieses Projekts an einem extravaskulären Herzunterstützungssystem (ADJ) getestet werden, wofür die Fertigung von patienten-spezifischen Implantaten notwendig ist. Hierzu konnten bereits entsprechende Protokolle erarbeitet werden, um die individuelle Herzform an Hand von CT-Daten zu rekonstruieren (ADJ).

Syntheseweg zur Erlangung von Urethanacrylaten für den 3D Druck
Abb. 3: 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 (Quelle IAP).

Projektpartner

AdjuCor GmbH
FKZ: 13XP5087A

Pro3dure
FKZ: 13XP5087B

Young Optics Europe
FKZ: 13XP5087C

Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
FKZ: 13XP5087D

Fraunhofer IAP
FKZ: 13XP5087E