Funktionalisierung von elektrogesponnenen Polycaprolacton-Nanofaserscaffolds mit O-terminierten Nanodiamantpartikeln (n-DP)
Rackwitz L, Uhl AL, Ehlicke F, von Rottkay E, Broermann R, Pullig O, Rudert M, Nöth U
Fragestellung: Nanofaserscaffolds (NFS) kopieren durch ihre spezifische Architektur die Dimensionen der Extrazellulärmatrix von verschiedenen Geweben und regulieren somit wichtige Prozesse wie Zellproliferation und -differenzierung. Die Funktionalisierung von Polycaprolacton (PCL)-NFS durch Nanodiamantpartikel (n-DP; 5 nm) soll kritische Parameter wie Zellmigration und die kontrollierte Bindung von Proteinen, wie z.b. Wachstumsfaktoren, durch Physisorption verbessern. Die vorliegende Studie beschreibt die Auswirkung der Funktionalisierung von PCL-NFS mit O-terminierten n-DPs im Hinblick auf einen potentiellen Einsatz als Zellträger in der Geweberekonstruktion.
Methodik: Mittels Elektrospinning wurden Scaffolds aus reinem PCL sowie aus PCL unter Zugabe unterschiedlicher n-DP-Konzentrationen (1, 5 und 10% w/w) hergestellt. Die Scaffolds wurden bezüglich der Fasermorphologie (Faserdurchmesser und Porengröße mittels Rasterelektronenmikroskopie), Benetzungsverhalten (water contact angle) und mechanischen Eigenschaften (mechanische Reißfestigkeit) charakterisiert. Die Scaffolds (ø 8 mm) wurden mit 105 humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC)s besiedelt und über 21 Tage in Standardzellkulturmedium (DMEM, 10% FKS, 1% Pen./Strep.) kultiviert. Zu definierten Zeitpunkten wurden Zellproliferation (MTS-Assay), Migrations- (DAPI) und Zell-Scaffoldinteraktion (TRITC-konjugiertes Phalloidin, Anti-Vinculin, DAPI) untersucht. Zum Nachweis der Protein-Bindungseigenschaften von n-DP wurde eine BSA-Inkubation (bovines Serumalbumin) mit anschließendem Nachweis der in den Scaffolds gebundenen Proteinmenge durchgeführt (BCA-Assay).
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Mit zunehmender n-DP-Konzentration nahm der Faserdurchmesser signifikant von durchschnittlich 554 ± 98 nm nm (PCL) auf 438 ± 78 nm (PCL + 10% n-DP) ab. Die durchschnittliche Porengröße stieg dagegen signifikant von 14 ± 9 µm2 (PCL) auf 22 ± 11 µm2 (10% n-DP) an. Bezüglich des Benetzungsverhaltens und der mechanischen Eigenschaften (E-Modul: 6,1 ± 1,12 MPa) konnte kein signifikanter Einfluss der unterschiedlichen n-DP-Konzentrationen nachgewiesen werden. Die hMSCs adhärierten an den Nanofasern, proliferierten über die Kultivierungsdauer und migrierten in Abhängigkeit von der n-DP-Konzentration in den Zellträger. Durch Verwendung der n-DP konnte besonders die Proteinbindungsfähigkeit der NFS signifikant von 119 ± 11 µg/ml (PCL) auf 312 ± 21µg/ml (10% NDP) erhöht werden.
Die Funktionalisierung von elektrogesponnenen PCL-NFS durch O-terminierte n-DPs hat einen positiven Einfluss auf die ultrastrukturellen Eigenschaften der Scaffolds. Zum einen wird die hohe mechanische Stabilität der PCL-NFS erhalten, zum anderen wird mit steigender n-DP-Konzentration die Porengröße erhöht und damit die Zellmigration signifikant verbessert. Zusätzlich erlaubt die Verwendung der n-DPs ggf. die spezifische Bindung von Wachstumsfaktoren, z.b. TGF-β3 oder BMP-2, über Physisorption was einen Einsatz in der Regeneration osteo-chondraler Gewebe sehr vielversprechend erscheinen lässt.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocGR18-1388
doi: 10.3205/14dkou529, urn:nbn:de:0183-14dkou5296
Published: October 13, 2014
© 2014 Rackwitz et al.
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