CAP-BONE

Die Arbeitsgruppe "NAWAROS" hat sich als eine der ersten Forschungsgruppen intensiv mit der Entwicklung von cellulosischen Aerogelen (CA) beschäftigt. Grundlegenden Arbeiten zur Herstellung hochporöser Aerogele aus Lyocell-Spinnmassen folgten Arbeiten zur Herstellung von Bakteriencellu- lose(BC)-Aerogelen, Untersuchungen zur Trocknung von Aerogelen mit überkritischem CO2 (scCO2), zur Beladung mit und Freisetzung von bioaktiven Verbindungen sowie zur Herstellung von Aerogel- formkörpern aus Cellulosephosphaten (CP), einschließlich erster Untersuchungen zu deren Verwen- dung als Knochenersatzmaterial. Basierend auf den Ergebnissen der Voruntersuchungen werden die Ziele für das beantragte Projekte wie folgt formuliert: A) Aufklärung der Oberflächeneffekte, die BC-Aerogele gegenüber Aerogelen aus regenerierter Cellulose aufweisen. B) Auffinden der Ursachen für die signifikanten Unterschiede hinsichtlich der Dimensionsstabilität während der scCO2-Trocknung. C) Anpassung und Verbesserung moderner Konzepte (Porogenen, grenzflächenaktive Verbindungen, Templating, scCO2 antisolvent Fällung, chem. Modifikation, etc.) zur Steuerung der Eigenschaften von CA (Porosität, Mikrostruktur, Hämokompatibilität, mech. und chem. Eigenschaften). D) Entwicklung analytischer Techniken zur Charakterisierung fragiler, ultraleichter Aerogele. E) Nutzung der Ergebnisse von A) bis D) beim De- sign von CA für zwei ausgewählte biomedizinische Anwendungen. Eine der Anwendungen betrifft den Einsatz als Zellkultur- bzw. Knochenersatzmaterial, da Ergebnisse aus Voruntersuchungen gezeigt haben, dass 1) Cellulosephosphate ebenfalls sicher nach dem Lyocell- Verfahren in Aerogele überführt werden können, 2) Cellulosephosphate hämokompatibel und nicht toxisch für kultivierte humane Osteoblasten und Fibroplasten sind, 3) Phosphorylierung von Cellulose eine Voraussetzung für Biomineralisation ist, d.h. die Bildung von unterstöchiometrisch kalzifiziertem Hydroxyapatit, 4) moderate Kalzifizierung von CP-Aerogelen Blutplättchen aktiviert ohne dass eine Immunreaktion erfolgt und 5) CP- Aerogele ein robustes Wachstum sowie eine spontane osteogene Differenzierung von Knochenmarks-Stammzellen ermöglichen. Die Nutzung von Aerogelen als Trägermaterial für die zeitlich dosierte Abgabe bioaktiver Verbindun- gen ist eine zweite Anwendung, die im Rahmen des Projektes untersucht werden soll. Erste Ergebnisse haben gezeigt, dass a) sich entsprechende Verbindungen durch scCO2-Antisolvent-Fällung homogen in Aerogele einbringen lassen, b) bei Verwendung von BC die Netzwerkstruktur vollständig erhalten bleibt und c) beladene BC-Aerogele quantitativ rehydratisierbar sind. Damit sind wesentliche Kriteri- en für eine definierte Beladung/Freisetzung bioaktiver Verbindungen erfüllt, was in der Wundbehand- lung, Hautpflege oder für Entziehungskuren, bei denen der betreffende Wirkstoff über die Haut resor- biert wird, genutzt werden kann. Durch ein besseres Verständnis der o.a. Oberflächenphänomene und mikrostrukturellen Besonderheiten sowie Möglichkeiten der gezielten Einstellung von Eigenschaften wird erwartet, das künftig CA als funktionelle Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen Einzug in viele Bereiche der Technik aber auch biomedizinische Anwendungen finden werden.

Aerogele sind zellulare Festkörper bestehend aus gasgefüllten, kohärent offenporigen Netzwerken aus lose gepackten sphärischen oder fibrillären Agglomeraten. Ihre teilweise extrem niedrigen Dichten, hohe konnektive Porosität, große spezifische Oberfläche und weites Steife-zu-Masse Verhältnis machen Aerogele für eine Vielzahl von Anwendungen interessant. Zellulose-Aerogele sind dabei von besonderem Interesse, nicht zuletzt aufgrund der Tatsache, dass es sich bei dem Ausgangsmaterial um einen nachwachsenden, preiswerten Rohstoff und gleichzeitig das bedeutendste Biopolymer handelt. Die Herstellung von Zellulose-Aerogelen mit maßgeschneiderten Eigenschaften für spezielle Anwendungen ist bisher allerdings nur eingeschränkt möglich, da wesentliche Zusammenhänge zwischen Herstellungs-Bedingungen und Produkteigenschaften aufgrund des jungen Forschungsgebietes noch nicht ausreichend bekannt sind. Die Arbeiten des Österreichischen Partners haben gezeigt, dass Aerogele aus Zellulosephosphat vielversprechende Zellträgerstrukturen für die in vitro Erzeugung von Knochengewebe sind, da ihre hohe interkonnektive Porosität, spezifische Nano-Morphologie und Oberflächenchemie neben dem niedrigen immunogenen Potential und der guten Hämokompatibilität eine geeignete Umgebung für Besiedlung, Wachstum, Vermehrung und Differenzierung von Osteochondroprogenitorzellen bietet. Neben der Nutzung zur Knochenrekonstruktion sind Zellulose-Aerogele auch vielversprechende Materialien für eine Reihe anderer Anwendungen wie z.B. der kontrollierten Freisetzung von Wirkstoffen. Allerdings weisen Zellulose-Aerogele gegenüber Konkurrenzprodukten auch Nachteile auf, die ihre kommerzielle Produktion bisher verhindert haben. Dazu zählen u.a. ihre unzureichend gute Dimensionsstabilität bei Herstellung und Lagerung, Inhomogenität der Netzwerkstruktur, fehlende Transparenz und Poren im Mikrometer-Bereich. Das Ziel des CAPBONE Projektes war daher die Untersuchung fundamentaler Zusammenhänge zwischen Prozessvariablen (Wahl von Zellulose, Lösungsmittel, Fällungsmittel, Bedingungen beim Lösen und Koagulieren von Zellulose, beim Lösungsmitteltausch und bei der überkritischen Trocknung) und morphologischen Eigenschaften der hergestellten Aerogele wie Nanostruktur der Zellulose-Aggregate, Porengeometrie, Porengrößenverteilung oder Interkonnektivität. Untersuchungen mittels Röntgenstreuung (SAXS, WAXS) und Festkörper-NMR-Spektroskopie haben gezeigt, dass o.a. Prozess-Variablen wesentlichen Einfluss auf Kristallinität, Dichte, Fibril-Durchmesser und fraktale Dimension der netzwerkbildenden Zellulose-Aggregate und somit die Aerogel-Morphologie nehmen. Dies wiederum wirkt sich auf mechanische Eigenschaften, Dimensionsstabilität und morphologische Spezifitäten wie Porosität, Porengrößenverteilung und spezifische Oberfläche aus. Zur Weiterentwicklung von Zellulose-Aerogelen für die Gewebezüchtung und im Hinblick auf eine Verbesserung der Bedingungen für Besiedlung, Wachstum, Vermehrung und Differenzierung verschiedener Zellarten wurde eine Technologie erprobt, bei der mit Hilfe eines temporären Festbettes bestehend aus oberflächlich fusionierten Porogen-Kügelchen (Ø 100x 500 m) dual-poröse Aerogele aus koagulierter Zellulose hergestellt werden können. Es wurde gezeigt, dass sich die Eigenschaften dieser Materialien - vernetzte, nano-poröse Zellulose-Streben mit eingebetteten Makroporen - über einen weiten Bereich einstellen lassen, je nach verwendetem Porogen (Paraffinwachs, PMMA), dessen Partikelgröße oder Art des Zellulose-Lösungsmittels (z.B. ionische Flüssigkeiten, Salzhydrat-Schmelzen). Da die Einführung von Makroporen insbesondere bei ultraleichten Aerogele zu einem beträchtlichen Verlust an mechanischer Stabilität führt - aber auch im Hinblick auf ihre geringe Dimensionsstabilität insbesondere in feuchter Umgebung - wurden verschiedene Ansätze zur Verstärkung und Hydrophobierung durch interpenetrierende Netzwerke sekundärer Polymere (PLA, PCL, CA und PMMA) getestet wobei bakteriell produzierte Zellulose als Modellsubstrat verwendet wurde. Es konnte gezeigt werden, dass Immersion in einer Lösung des sekundären Polymers, gefolgt von einer kombinierten scCO2 Antisolvens-Fällung (6.5-7.5 MPa) / scCO2-Trocknung (9 MPa) bei leicht unterschiedlichen Drücken eine homogene Beladung und signifikante Verstärkung der Aerogele ergeben unter vollem Erhalt der offen-porösen Aerogel-Struktur. Durch Einsatz von PMMA als sekundäres Polymer und der zuvor beschriebene Template- Technik konnten mechanisch robuste und deutlich weniger feuchtigkeitssensitive Zellulose/PMMA Hybrid-Aerogele hergestellt werden. Die Ergebnisse von Zelltests (Viabilität, Proliferation, Attachment und Morphologie kultivierter Fibroplasten) belegen eine gute Biokompatibilität dieser Materialien. Die durchgeführten Experimente zur mechanischen Verstärkung mittels interpenetrierender Netzwerke haben gezeigt, dass Zellulose-Aerogele auch als temporäre Matrizes genutzt werden können, um Aerogele ausschließlich bestehend aus einem sekundären Polymer herzustellen, dessen Morphologie weitgehend der des durch selektive Lösung in einer ionischen Flüssigkeit entfernten Zellulose-Aerogels entspricht. Da Oberflächenladungen von Zellträgerstrukturen bei der Gewebezüchtung eine wichtige Rolle spielen, wurde alternativ zu Zellulosephosphat-Aerogelen die Herstellung von Aerogelen aus oxydativ modifizierter Zellulose untersucht, die im Vergleich zum nichtmodifizierten Biopolymer auch eine bessere Bioresorption und -mineralisierbarkeit aufweist. Im Ergebnis dieser Versuche hat sich gezeigt, dass sich aus 2,3-Dialdehyd- (DAC), 2,3-Dicarboxyl- (DCC) und 6-Carboxyl-Zellulose (TOC) transparente Aerogele herstellen lassen, deren Durchlässigkeit für sichtbares und nahinfrarot Licht möglicherweise genutzt werden könnte um - in Kombination mit homogen und kovalent gebundenen Quantenpunkten - statische, echt-3D Displays mit größerer Farb-Brillianz als bisher zu entwickeln. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass sich aus DAC mechanisch extrem stabile, transparent Filme herstellen lassen, die über ausgezeichnete Sauerstoff-Barriereeigenschaften verfügen. Im Rahmen des CAPBONE-Projektes konnten unter Federführung des französischen Projektpartners darüber hinaus eine Reihe von analytischen Methoden wie Festkörper-NMR Spektroskopie, Röntgenstreuung (SAXS, WAXS), Mikro-Computertomographie, Thermoporimetrie oder Kernspintomographie für die Untersuchung zellulosischer Aerogele adaptiert bzw. weiter entwickelt werden, womit die interne Struktur der fragilen, ultra-leichten Materialien besser abgebildet werden kann. Die Ergebnisse des CAPBONE-Projektes haben Eingang gefunden in 10 Originalbeiträge für wissenschaftliche Peer-Review-SCI-Zeitschriften, 5 Buchkapitel, 2 Diensterfindungs-Meldungen, 30 publizierte Beiträge für internationale Konferenzen sowie Graduierungsarbeiten auf allen Ebenen einer universitären Laufbahn (Bachelor bis Habilitations-Schrift). Sie waren auch der Grundstein für eine Reihe neuer Kooperationen mit Partnereinrichtungen in Japan, Frankreich, Brasilien, Deutschland, Finnland und den USA