WIR! - BlueHealthTech - Funktionalisierte Trägermaterialien aus marinen Biopolymeren zur Therapie von chronischen Erkrankungen (BlueBioPol); TP1: "Gewinnung mariner Biopolymere"; Arbeitspaket 2 "Entwicklung von Vorstufen eines Trägermaterials auf Basis von Alginat und Kollagen"

Abstract

Ziel des Vorhabens war die Gewinnung artspezifischer Alginate aus lokal vorkommenden marinen Braunalgen sowie von Kollagen aus Quallen als Vorstufen für Gerüst- und Trägermaterialien in biomedizinischen Anwendungen. Alginate sind Polysaccharide, die aufgrund ihrer Biokompatibilität, Gelier- und Vernetzbarkeit, sowie der variablen mechanischen Eigenschaften in Bereichen wie Zellverkapselung, Wundversorgung, Wirkstofffreisetzung und Tissue Engineering eingesetzt werden können. Ihre Materialeigenschaften werden wesentlich durch das Molekulargewicht sowie das Verhältnis und die Sequenz von Mannuron (M)- und Guluronsäure (G)- Einheiten bestimmt und können je nach Algenart und Extraktionsbedingungen deutlich variieren. Der Stand der Technik umfasst mehrstufige Extraktionsprozesse mit saurer Vorbehandlung, alkalischer Lösung, Abtrennung von Feststoffen sowie Ausfällung und Trocknung. Die Wahl der Prozessroute und Parameter wie Temperatur und pH-Wert beeinflussen Ausbeute, Reinheit und Kettenlänge des Polymers. Kommerziell verfügbare Alginate werden häufig als Mischprodukte (Blends) angeboten, um konstante Makroeigenschaften zu erzielen. Solche Blend-Alginate weisen verglichen mit artspezifischen Alginaten in der Regel eine breitere Molekulargewichtsverteilung, sowie eine erhöhte intrinsische Heterogenität im M/G-Verhältnis und in der Blocksequenzierung auf, d.h. eine höhere strukturelle Mikro-Heterogenität. Diese kann die gezielte Steuerung der Hydrogel-Mikrostruktur und der daraus resultierenden mechanischen sowie diffusionsrelevanten Eigenschaften erschweren, was insbesondere bei mechanosensitiven Zellkulturen oder immunologisch sensiblen Anwendungen nachteilig sein kann. Artspezifische Alginate mit definierter Herkunft und Erntezeit bieten demgegenüber die Möglichkeit einer präziseren Materialsteuerung bei geringer Mikro-Heterogenität. Auch Kollagene (Polypeptide) sind für medizinische und biotechnologische Anwendungen bereits etablierte Biomaterialien. Quallen-Kollagene erscheinen dabei besonders interessant, z.B. aufgrund ihrer bereits dokumentierten Biokompatibilität, geringen Toxizität und weiterer biochemischer Eigenschaften, die eine besondere Eignung als Ausgangsmaterial für Trägermaterialien in der regenerativen Medizin und im Tissue Engineering erwarten lassen. Wie bei Alginaten war bezüglich des Quallen-Kollagens zunächst die Auswahl einer geeigneten Rohstoffquelle sowie die Entwicklung und Anpassung eines praktikablen Extraktions- und Aufreinigungsverfahrens erforderlich. Die Abgrenzung zwischen den hergestellten Gerüst- und Trägermaterial-Vorstufen und biomedizinisch einsetzbaren Materialien liegt dort, wo über die chemisch-physikalische Charakterisierung hinaus auch Aspekte wie Vernetzung, Stabilität im physiologischen Milieu, biologische Verträglichkeit, Sterilisierbarkeit und regulatorische Anforderungen berücksichtigt und validiert sind.