Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB hat einen chemischen Baukasten entwickelt, mit dem sich die Eigenschaften von Gelatine gezielt an unterschiedliche Anforderungen in Medizin, Diagnostik und Kosmetik anpassen lassen. Über automatisierte Prozesse lässt sich die modifizierte Gelatine nun unter definierten Bedingungen reproduzierbar herstellen und in Chargen vom Gramm- bis in den Kilogrammbereich für die Kundenbemusterung skalieren.
Grundlage dafür ist eine standardisierte Prozessführung in automatisierten Reaktoren, die an die Stelle der bisherigen manuellen Herstellung im Laborkolben tritt und die Modifikationen unter definierten, vergleichbaren Bedingungen ablaufen lässt. Das Verfahrenskonzept bleibt nicht auf Gelatine beschränkt, sondern eignet sich auch für weitere bio-basierte Polymere.
Vernetzbarkeit und Ladung der Gelatine gezielt einstellen
Über gezielte chemische Reaktionen bestimmt das Fraunhofer IGB, wie sich Gelatine vernetzen lässt, welche Ladung sie trägt und wie sie auf Temperatur reagiert. Das ist nötig, weil das natürliche Biopolymer nur bei höheren Temperaturen fließfähig ist und unter physiologischen Bedingungen seine Formstabilität verliert. Neben dem Gelier- und Schmelzpunkt lassen sich so auch Viskosität und Löslichkeit an die jeweilige Anwendung anpassen.
Für die Vernetzbarkeit setzen die Forscher üblicherweise Methacrylsäureanhydrid ein. „Methacrylierte Gelatine verbindet die Biokompatibilität der Gelatine mit der Fähigkeit, unter UV-Licht auszuhärten“, erläutert Melanie Dettling, die die chemischen Modifikationen im Labor durchführt und überwacht. Wie weit diese Anpassung reicht, zeigt sich beim dreidimensionalen Biodruck. „Für den Einsatz im Bioprinting modifizieren wir Gelatine so, dass wir sowohl die Eigenschaften der Bio-Tinte als auch die strukturelle Stabilität nach dem Druck gezielt einstellen können“, erklärt Dr. Achim Weber, Leiter der Abteilung Biofabrikation und Materialentwicklung am Fraunhofer IGB.
Sobald die modifizierte Gelatine nach dem Druck mithilfe eines Photoinitiators UV-Licht ausgesetzt wird, vernetzt sie zu einem festen Hydrogel. Dieses ahmt die körpereigene extrazelluläre Matrix nach und unterstützt als strukturelles Gerüst die Anheftung, das Wachstum und die Differenzierung von Zellen, sodass neues Gewebe entstehen kann. Im EU-Projekt TriAnkle diente so modifizierte Gelatine gemeinsam mit Kollagen und modifiziertem Kollagen als maßgeschneidertes Trägersystem für Zellen und Wachstumsfaktoren, wobei präklinische Studien mit passgenauen Implantaten für Defekte im Sprunggelenk eine deutlich verbesserte Regeneration von Sehnen- und Knorpelgewebe, geringere Entzündungsreaktionen und eine beschleunigte Heilung zeigten.
Je nach Anwendung führen andere Funktionalisierungen zum Ziel. So werden Thiolgruppen in die Biopolymere eingebracht, um eine Vernetzung über sogenannte Click-Reaktionen zu ermöglichen, sodass die Vernetzung photochemisch über UV-Strahlung, thermisch oder über chemische Reaktionen erfolgen kann. Über das modulare System ließ sich zudem die positive Ladung der Gelatine erhöhen, und in einem Point-of-Care-Schnelltest wurden solche kationisierten Gelatine-Hydrogele genutzt, um zentrale Reaktionskomponenten einzubetten und die negativ geladenen Zielmoleküle zu immobilisieren.
Vom Laborkolben zum automatisierten Reaktor
Damit Partner aus Forschung und Industrie die optimierten Materialien testen können, benötigen sie in der Regel größere Mengen. Das Team der Materialentwicklung am Fraunhofer IGB hat dafür neue Verfahren in automatisierten Reaktorsystemen etabliert, in denen alle relevanten Prozessparameter nach einer eigens definierten Standardarbeitsanweisung erfasst und geregelt werden, von der Temperatur über die Zugabe von Methacrylsäureanhydrid bis zum pH-Wert und der Menge an zugesetzter Natronlauge.
In diesem geregelten Umfeld ließ sich zeigen, dass der erreichte Methacrylierungsgrad im Ein-Liter-Reaktor linear vom Überschuss des Methacrylsäureanhydrids in der Zulauflösung abhängt, was sich bei der manuellen Herstellung im Kolben so nicht nachweisen ließ. „In unserem Ein-Liter-Reaktor können wir jetzt reproduzierbar 100 Gramm modifizierte Gelatine mit absolut gleichbleibender Qualität herstellen“, sagt Dettling. Die Chemikerin überträgt die standardisierte Prozessführung derzeit auf Reaktoren mit fünf und zehn Litern Volumen, in denen sich pro Ansatz bis zu ein Kilogramm des funktionalisierten Biopolymers erzeugen lässt.
Weil sich unterschiedliche Funktionalisierungen unter denselben standardisierten Bedingungen durchführen lassen, können die Effekte der Modifikationen direkt miteinander verglichen werden. „Wir können Unterschiede in den Materialeigenschaften nun eindeutig der jeweiligen chemischen Modifikation zuordnen und ausschließen, dass sie auf unterschiedliche Herstellungsbedingungen zurückgehen“, erklärt Dettling. Die so hergestellten Materialien stellt das Institut Unternehmen und Forschungspartnern zur Bemusterung bereit, die daran Materialeigenschaften prüfen, Anwendungen bewerten oder Machbarkeitsstudien für ihre Produktentwicklung durchführen, ohne eigene Entwicklungs- oder Scale-up-Prozesse aufbauen zu müssen.
Von Beschichtungen bis zu mikrofluidischen Diagnostikplattformen
Als natürliches Protein bildet Gelatine nahtlose und mechanisch stabile Filme und dient daher, vertraut aus Lebensmitteln und Weichkapseln, als Träger für Pigmente und Chemikalien in Beschichtungen von Textilien, Papier oder fotografischem Film. Ihre gute Biokompatibilität macht sie zugleich für Kosmetik und Medizin interessant, etwa als Träger für Wirkstoffe und Farbstoffe oder als quellfähige Wundauflage.
„Modifizierte Gelatine eignet sich als Hydrogel, als Trägermaterial oder strukturgebende Komponente in biomedizinischen Systemen oder Körperpflegeprodukten sowie für funktionale Materialien und Beschichtungen, die spezifische Wechselwirkungen, Barriere- oder Hafteigenschaften erfordern“, sagt Weber. Dazu zählen auch In-vitro-Testsysteme und mikrofluidische Diagnostikplattformen, die definierte, reproduzierbar herstellbare Materialien mit kontrollierten Oberflächen- oder Materialeigenschaften voraussetzen.
Grundlage dieser Vielseitigkeit ist die gute chemische Modifizierbarkeit natürlicher Biopolymere, die nicht auf Gelatine beschränkt bleibt. Auch die Eigenschaften von Kollagen, Chitosan, Inulin und Hyaluronsäure lassen sich auf dieselbe Weise gezielt einstellen, sei es für die Verkapselung zur kontrollierten Freisetzung oder für Beschichtungsanwendungen.
