3D Drucken von Kollagenfibrillen mit Kontrolle über deren Orientierung in einer Hyaluronsäure Matrix als biomimetisches Knorpelimplantat

Fragestellung Biomaterialien für die Anwendung als Implantat oder im Tissue Engineering ahmen häufig die Zusammensetzung der Extrazellulären Matrix und/oder die (mechanischen) Eigenschaften der Gewebe nach. Obwohl viele Gewebe eine Mikrostruktur wie z.B. die Kollagenfaserausrichtung im artikularen Knorpel aufweisen, wurde bislang die Einbringung einer Mikrostruktur in Biomaterialien vernachlässigt.

In dieser Studie wurde das 3D Drucken verwendet, um anisotrope Eigenschaften in eine Hyaluronsäure-Kollagen Biomaterial-ink zu induzieren und somit die native Mikrostruktur zu replizieren. Der Einfluss der anisotropen Eigenschaften auf das Verhalten von humanen mesenchymale Stammzellen (hMSC) wurde analysiert.

Methodik Eine biomimetische bioink wurde basierend auf tyrosin modifizierter Hyaluronsäure (THA, 2.5 % w/v) und Kollagen 1 (col, 0.5 % w/v) hergestellt. Diese zeichnet sich nach dem gelieren durch fibrilläres col in einer Hyaluronsäurematrix aus.

Anisotrope Eigenschaften wurden durch das 3D Drucken (3D Discovery, RegenHU) im Komposithydrogel induziert. Die Kollagenfibrillen wurden anschliessend mit Second Harmonic Generation Mikroskopie und Immunfluoreszenzfärbung visualisiert. Der Effekt der Präsenz von col als auch die Faserausrichtung wurde mit aus Knochenmark isolierten hMSC untersucht mit Fokus der Zellmigration von hMSC Sphäroiden und der Differenzierung Richtung Knorpelzellen. Als Positivkontrolle für die chondrogenen Differenzierung dienten hMSC Pelletkultur in der Gegenwart von TGF-b1 (10 ng/ml) im Kulturmedium. Mittels Lichtmikroskopie, PCR, Histologie und Quantifizierung des Proteoglykane (GAG) wurde das Differenzierungspotential über 21 Tagen analysiert.

Ergebnisse und Schlussfolgerung Das 3D Drucken von THA-col resultierte in der Ausrichtung der Kollagenfibrillen entlang der Druckrichtung. Diese anisotrope Eigenschaft der Kollagenfibrillen war weniger präsent in den manuell hergestellten Hydrogelen. Die Phalloidinfärbung des Zytoskeletts zeigte, dass sich hMSCs bevorzugt parallel zu den Kollagenfibrillen ausrichten und migrieren. hMSCs, eingebettet in THA-col und in Pelletform, differenzierten gleichermassen in Richtung Knorpelzellen. Dies wurde durch die Produktion von GAG nachgewiesen. Geneexpression resultiert für beide Gruppen in einem deutlichen Anstieg der Marker Kollagen II und Aggrekan, der durch einen geringen Anstieg von col I und X begleitet wurde. Das Verhältnis der Expression von col II zu col I resultierte in einem höheren Verhältnis für hMSC eingebettet in THA-col als für die Pelletkultur.

Aufgrund des guten chondrogenen Differenzierungsverhaltens der hMSC in THA-col, das sich auf einem vergleichbaren Level mit der Positivkontrolle befand, eignet sich THA-col als vielversprechende bioink für die Testung als Knorpelimplantat. Die Kontrolle der Ausrichtung von Kollagenfibrillen mittels 3D Drucken ermöglicht die Herstellung von komplexen mikrostrukturellen Eigenschaften, analog der natürlichen Faserorientierung des Knorpelgewebes.

Stichwörter 3D Bioprinting, Kollagen, Hyaluronsäure, Knorpel

Publication History

Article published online:
15 October 2020