A human placenta ECM/silk hydrogel for tissue engineering

Wider research context: Heart failure after myocardial infarction (MI) remains a leading contributor to death in the western world with a critical need for new therapies to repair damaged cardiac tissue. Extracellular matrix (ECM)-based hydrogels have emerged as a promising new material for cardiac repair and tissue regeneration. Their great biocompatibility and ability to stimulate stem/progenitor cells and induc e cardiac repair when injected or adhered onto an infarcted area has improved long-term post- MI remodeling in multiple preclinical models. However, the clinical use of ECM hydrogels faces multiple challenges including achieving the required biomechanical strength of the material. Objective: We propose to develop a novel hybrid hydrogel-based biomaterial, partly consisting of human placental tissue, with high bioactivity and tunable biomechanical properties to produce 3D bioscaffolds which actively promote cardiac repair. Approach: Specifically, we propose to combine two biomaterials, human placenta ECM (hpECM) from amnion and chorion tissue and silk fibroin. The hpECM provides essential biological and biochemical cues to maintain stem cell viability and differentiation and the addition of silk fibroin, a biomaterial with outstanding biomechanical properties, to hpECM (hpECM/silk) will provide the mechanical properties, which can be tailored for the use as injectable hydrogel or for 3D bioprinting of hydrogel scaffolds to promote cardiac repair. Primary researchers involved: The primary researchers involved in the project will be Dr. Karl Schneider (applicant) and Dr. David Kaplan (host), Professor of Engineering at Tufts University and the chair of the Department of Biomedical Engineering with great experience in materials science especially silk biomaterials. Nationally, Dr. Andreas Teuschl from the University of Applied Sciences Technikum Wien (who worked in Dr. Kaplans laboratory two years ago) will be part of this project by providing purified silk for this study. With this project we aim to create a novel hpECM/silk hybrid hydrogel superior to currently available hydrogels and specifically tailored to enable new strategies in the clinical treatment of heart failure after MI.

3D Druck ist eine sich stetig weiterentwickelnde Technologie. Wenn man sich damit beschäftigt dann erkennt man schnell das große Potential dahinter und man kann verstehen wieso sich während der letzten 20 Jahre eine regelrechte Euphorie darum entwickelt hat. Die Ziele und Erwartungen waren aber durch diesen Hype in den ersten Jahren oftmals etwas zu hochgesteckt und konnten oft nicht erfüllt werden. Wenn man die Entwicklung des 3D Drucks jedoch genauer betrachtet erkennt man trotzdem gewaltige technologische und methodische Entwicklungssprünge. Während im technischen 3D Druck mit synthetischen Materialien der Wettlauf um immer höhere Druckgeschwindigkeiten, widerstandsfähiger oder elastischere Materialien, und höhere Druckauflösungen begonnen hat, stellt der 3D Biodruck für Medizinische Anwendungen ganz eigene Herausforderungen. Hier geht es nicht nur um die Biokompatibilität und Sicherheit von gedruckten Materialien und den gedruckten Objekten. Sondern insbesondere um die Herstellung von lebenden künstlichen Geweben die einem Natürlichem Gewebe möglichst nahekommen. 3D Gedruckte künstliche Gewebeteile müssen eine geeignete Umgebung für natürliches Zellwachstum und ihre Entwicklung bieten. Außerdem sollten sie biomechanische Eigenschaften des Zielgewebes haben und auch in ihrem Aufbau eine hohe Komplexität aufweisen. Die bisherigen Techniken und Materialien erfüllen diese Ansprüche noch nicht. Oft müssen Kompromisse gemacht werden unter denen besonders Biomechanik oder Komplexität der Konstrukte leiden. Die Komplexität geht zum Beispiel zugunsten zellschonender Druckverfahren verloren. Wegen ihrer besonderen Bioaktiven Eigenschaften sind unsere Hauptmaterialien Hydrogele Geweben der humanen Plazenta. Diese Hydrogele bestehen aus der extrazellulären Matrix (ECM) der humanen Plazenta, sind frei von Zellen und lösen daher keine Immunantwort aus. Sie können für Oberflächenbeschichtungen für verstärkte Zellhaftung, für 3D Zellkultursysteme und 3D Biodruck verwendet werden. Unsere ECM-Hydrogele aus humanem Plazentagewebe sind gut als Biotinte geeignet und bieten eine natürliche Umgebung für Zellen. Jedoch ist bekannt, dass reine ECM-Hydrogele nicht genügend biomechanische Stabilität aufweisen und daher müssen sie entweder durch zusätzliche Verfahren durch molekulare Quervernetzungen oder durch das beimischen von anderen Polymeren verstärkt werden. In diesem Projekt, wurde die Vermischung von Seidenproteinen (Silk Fibroin) mit hpECM untersucht. Die hergestellten Hydrogele wurden auf ihre biomechanischen Eigenschaften mittels Kompressionstests untersucht und die Sekundärstruktur durch FTIR-Absorption bestimmt. Proben für Oberflächenuntersuchungen mittels Elektronenmikroskopie wurden gesammelt untersucht. Unsere Ergebnisse erster Versuche mit humanen Zellen, zeigten das Potential der hpECM die Interaktion von Seidenhydrogelen mit Zellen zu verstärken. Dies könnte ein wichtiger Schritt in die Entwicklung neuer Biotinten mit hoher mechanischer Stabilität sein. Jedoch muss noch eine geeignete Methode für das Druckverfahren entwickelt werden da die Polymerisation des Gemisches sehr schnell abläuft. Sämtliche erlernte Techniken werden zu Beginn der Rückkehrphase im Heimatlabor an der Medizinischen Universität Wien etabliert und die Folgeexperimente werden derzeit durchgeführt. Ein regelmäßiger Austausch mit Prof. David Kaplan und der Medizinischen Universität Wien wurde durch diese Arbeit etabliert.