Forschungsschwerpunkte
3D-gedruckte kardiovaskuläre Implantate und Cardiac patches
Wir entwickeln polymerbasierte kardiovaskuläre Implantate unter Einsatz fortschrittlicher additiver Fertigungs- und 3D-Drucktechnologien. Der Schwerpunkt liegt auf der Herstellung von Herzpflastern zur Myokardreparatur. Ihre Architektur und viskoelastischen Eigenschaften sind so ausgelegt, dass sie das komplexe, nichtlineare und anisotrope mechanische Verhalten von nativem Herzgewebe nachbilden. Diese Pflaster sollen infarzierte Bereiche mechanisch stabilisieren, unerwünschte kardiale Remodellierung begrenzen und die Gewebereparatur unterstützen.
Biofunktionalisierung, Beschichtung und Verkapselung
Wir nutzen Beschichtungs- und Verkapselungsstrategien, um kardiovaskuläre Implantate mit spezifischen biologischen Funktionen auszustatten. Dabei werden Komponenten der extrazellulären Matrix eingebunden, um zellinstruktive Oberflächen zu schaffen, die die Zelladhäsion, -proliferation, -reifung und Gewebeintegration unterstützen. Bioaktive Moleküle, darunter Stickstoffmonoxid-Donatoren, werden integriert oder verkapselt, um eine kontrollierte und lokalisierte Freisetzung zu gewährleisten. Diese Ansätze zielen darauf ab, die Endothelialisierung zu fördern und unerwünschte vaskuläre Reaktionen, wie beispielsweise die Intimahyperplasie, zu reduzieren.
Nano- und mikrostrukturierte Oberflächen für Implantate mit Blutkontakt
In Zusammenarbeit mit Univ.-Prof. Francesco Moscato und mit vollständiger Finanzierung durch das Ludwig-Boltzmann-Institut für Kardiovaskuläre Forschung (LBI) werden nano- und mikrostrukturierte Implantatoberflächen mittels hochauflösendem Nanodruck hergestellt. Dynamische Strömungsmodelle werden eingesetzt, um die Hämokompatibilität und die zelluläre Reaktion zu bewerten.
Prädiktive In-vitro-Modelle für Immunreaktionen und biologischen Abbau
Wir etablieren anwendungsspezifische Mono- und Kokulturmodelle, um implantatinduzierte Entzündungs- und Immunreaktionen vor der In-vivo-Bewertung zu untersuchen. Je nach Implantat und dessen vorgesehenem Einsatzzweck werden relevante immunologische, vaskuläre und gewebespezifische Zelltypen ausgewählt, um die Wechselwirkungen zwischen Wirt und Biomaterial zu untersuchen. Darüber hinaus entwickeln wir In-vitro-Ansätze zur Bewertung und Vorhersage des Materialabbaus und seiner biologischen Folgen.
Biologisch abbaubarer und antibakterieller Mitralannuloplastie-Ring
In Zusammenarbeit mit Univ.-Prof. Bruno K. Podesser und RHP-Technology entwickeln wir biologisch abbaubare kardiovaskuläre Implantate, die vorübergehende mechanische Unterstützung bieten und gleichzeitig das Risiko implantatassoziierter Infektionen verringern. Ein Schlüsselprojekt ist ein Mitralannuloplastie-Ring, der aus einem seltenerdfreien Magnesiumkern und einer elektrogesponnenen Polymerhülle besteht, die mit Silbernanopartikeln funktionalisiert ist. Das Implantat ist so konzipiert, dass es den Mitralannulus stützt, eine lokale antibakterielle Wirkung entfaltet, die Klappendynamik erhält und sich nach Erfüllung seiner mechanischen Funktion allmählich abbaut.
Methoden
Unsere Forschung basiert auf einem breiten Spektrum an Methoden, welche die Herstellung von Biomaterialien, die physikalisch-chemische Charakterisierung und die biologische Bewertung miteinander verbinden. Die Integration von additiver Fertigung, zellbasierten Tests und anwendungsspezifischen Funktionsanalysen bildet die Grundlage unserer Arbeit.
Zu unseren Methoden gehören:
3D-Druck von polymeren kardiovaskulären Implantaten und Gerüsten unter Verwendung eines EnvisionTEC 3D-Bioplotter
Beschichtung, Funktionalisierung und Einkapselung von Komponenten der extrazellulären Matrix und bioaktiven Wirkstoffen in Polymersystemen
Isolierung und Kultivierung von Primärzellen, einschließlich mononukleärer Zellen aus peripherem Blut (PBMCs), gefolgt von der Differenzierung von Immunzellen und der Polarisierung von Makrophagen
Zwei- und dreidimensionale Zellkulturmodelle, einschließlich anwendungsspezifischer Mono- und Kokultursysteme
Bewertung der Biokompatibilität unter Verwendung von Gefäß-, Herz-, Fibroblasten- und Immunzellen, die entsprechend der beabsichtigten Implantatanwendung ausgewählt wurden
Bewertung der Hämokompatibilität, einschließlich Hämolyse, Thrombozytenadhäsion und -aktivierung, Gerinnung sowie Thrombusbildung unter statischen und Strömungsbedingungen
RNA-Isolierung, quantitative PCR und Genexpressionsanalyse zur Bewertung von entzündlichen, immunmodulatorischen, endothelialen und regenerativen Reaktionen
Morphologische und strukturelle Charakterisierung mittels Lichtmikroskopie, Fluoreszenzmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie (REM) und histologischer Methoden
Mechanische Charakterisierung von Polymeren, Gerüsten und Hydrogelen, einschließlich Zugfestigkeit, Elastizität, Steifigkeit, Viskoelastizität, Rheologie und Nanoindentation
In-vitro-Abbauuntersuchung unter physiologisch relevanten Bedingungen, kombiniert mit der Bewertung von Veränderungen der Materialmorphologie und der mechanischen Eigenschaften
Präklinische In-vivo-Funktionstests sowohl an Kleintier- als auch an Großtiermodellen
Mit diesen Methoden können wir kardiovaskuläre Implantate untersuchen – von der Materialherstellung und Funktionalisierung bis hin zu ihrer mechanischen Leistungsfähigkeit, ihrem biologischen Abbau und ihren Wechselwirkungen mit Blut, Gefäßzellen und dem Immunsystem.