Neuartige Biopolymerfasern

Fasern als Grundbausteine von Implantaten schaffen einen zunehmend wichtigen Schwerpunkt in der Medizin. Textile Strukturen bieten hervorragende Voraussetzungen für den Einsatz als Implantat oder Organersatz. Die einstellbaren mechanischen Eigenschaften der flexiblen faserbasierten Materialien und das hervorragende Verhältnis von Oberfläche zu Volumen sind wesentliche Gründe für den wachsenden Einsatz im Bereich der Medizin. Der native Aufbau verschiedener Organe, wie Knochen und Blutgefäße, sowie die fibrillen Strukturen, wie Muskeln, Sehnen und Bänder, lassen sich besonders gut mittels textiler Strukturen aus modernen Biomaterialien nachahmen. Gefragt sind dabei Materialien, die nicht nur die erforderlichen mechanischen Eigenschaften wie Härte oder Elastizität mitbringen, sondern auch die Regeneration von Gewebe – etwa von Knochen – unterstützen bzw. fördern.

Ein hervorragendes Beispiel für ein solches Biomaterial stellt das natürliche Biopolymer Chitin dar. Chitin ist ein nachwachsender Rohstoff mit dem weltweit zweithäufigsten Vorkommen, von dem schätzungsweise zehn Gigatonnen jährlich durch natürliche Biosynthese anfallen [1]. In seiner Struktur ähnelt Chitin sehr stark dem Aufbau von Cellulose, wodurch sich vergleichbar hohe mechanische Eigenschaften besonders in Bezug auf das elastische und biegsame Verhalten ergeben. Aufgrund seiner stabilen, halbkristallinen Struktur verfügt Chitin jedoch über eine stark limitierte Löslichkeit, wodurch die generelle Weiterverarbeitung des Biopolymers beträchtlich eingeschränkt ist. Deshalb findet das Chitinderivat Chitosan eine deutlich breitere Anwendung in der Forschung und Materialentwicklung.

Das Biopolymer Chitin sowie sein Derivat Chitosan verfügen über herausragende Eigenschaften, die eine Möglichkeit zur Anwendung in zahlreichen Gebieten der Industrie, Medizin und Forschung bieten. Neben der biologischen Abbaubarkeit sowie Biokompatibilität sind Chitin und Chitosan ungiftig, bilden keine toxischen Abbauprodukte und sind durch eine antimikrobielle Wirkung gekennzeichnet. Die freien Aminogruppen verleihen Chitosan eine gute Löslichkeit in verdünnten organischen Säuren, wie Essig-, Milch- oder Zitronensäure. In gelöster Form kann das Biopolymer an seinen funktionellen Gruppen mit zahlreichen anderen Verbindungen zur Reaktion gebracht und die erzeugten viskosen Lösungen bspw. zu (Nano-)Fasern [2] oder Endlosfilamenten [3] verarbeitet werden (Abbildung 1). Durch zusätzliche chemische Modifizierungen, z. B. eine Vernetzungsreaktion mit Glutardialdehyd, lassen sich die Materialeigenschaften, wie Stabilität oder Wasserlöslichkeit, anwendungsspezifisch einstellen. Aufgrund der hohen Biokompatibilität, der gezielten Abbaubarkeit im menschlichen Körper sowie seines positiven Einflusses auf die Wundheilung und Geweberegeneration ist Chitosan ein attraktives Biomaterial für zahlreiche Medizinprodukte sowie als Implantatmaterial (Scaffolds) für die regenerative Medizin. Durch die hohe strukturelle Ähnlichkeit mit den Bausteinen der extrazellulären Matrix (Glykosaminolykane, GAG), die eine wichtige Rolle beim Knochenwachstum spielen, sind Chitin und Chitosan für das Tissue Engineering von Knochengeweben prädestiniert [4]. Darüber hinaus sind aufgrund eines hohen Bindungsvermögens sowie einer ausgeprägten Affinität Chitosans zur Komplexbildung mit Metallionen auch zahlreiche Anwendungen im technischen Bereich möglich, bspw. Filtersysteme für die Abtrennung von Schwermetallen oder die Elimination von Farbstoffen aus Abwässern der Textilindustrie [5, 6].

Mit Kooperationspartnern aus medizinischen, klinischen sowie industriellen Bereichen forscht das ITM entlang der gesamten Wertschöpfungskette vom Biomaterial bis zur (prä-)klinischen Erprobung faserbasierter Implantate. Das ITM verfügt im Bereich der textilbasierten Biomedizintechnik über langjährige Erfahrungen und Kompetenzen in grundlagenorientierter und anwendungsnaher Forschung. Mit den breitgefächerten Anlagentechniken, Reinräumen und Prüflaboren steht insbesondere der Transfer von der Forschung in marktreife Produkte im Fokus der Entwicklungsarbeiten. So entwickelten die Wissenschaftler:innen des ITM im Rahmen eines Forschungsprojektes der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) bspw. neuartige textile Herzklappenprothesen [11] (Abbildung 2). Die Implantate können exakt an die individuelle anatomische Form auf Basis vom am ITM entwickelten generativen Verfahren angepasst und mittels eines minimalinvasiven Eingriffes im Herz platziert werden. Die textile Herzklappe ist integral gefertigt, wobei die Integration des Ventils in situ während des Webprozesses ohne zusätzliche Fügeprozesse, wie bspw. Nähen, erfolgt. Somit besteht die strömungstechnisch optimierte Herzklappe aus einer einzigen textilen Struktur. Bislang stehen für die Behandlung defekter Herzklappen mechanische und biologische Klappen zur Verfügung. Die neuartigen gewebten Herzklappenprothesen sollen die Vorteile der beiden Typen vereinen: unbegrenzte Lebensdauer, keine lebenslange Einnahme von blutverdünnenden Medikamenten und minimal invasive Operation.