Gefügeentwicklung von biokompatiblen Keramikschäumen für Bioreaktoren

Morphology tailoring of biocompatible ceramic foam structures for the application in bioreactors

  • Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Untersuchung von Aluminiumoxid-Schaumstrukturen und den während der Herstellung und der späteren Besiedelung auftretenden Wechselwirkungen zwischen Material, Proteinen und Zellen. Das Ziel ist die Herstellung offenporiger Aluminiumoxidschäume als 3D-Zellkulturträger und deren gezielten Anpassung zu untersuchen und sie anschließend auf ihre Eignung in statischen Zellkulturen zu testen. Die Herstellung der Schaumstrukturen erfolgt unter ADie vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Untersuchung von Aluminiumoxid-Schaumstrukturen und den während der Herstellung und der späteren Besiedelung auftretenden Wechselwirkungen zwischen Material, Proteinen und Zellen. Das Ziel ist die Herstellung offenporiger Aluminiumoxidschäume als 3D-Zellkulturträger und deren gezielten Anpassung zu untersuchen und sie anschließend auf ihre Eignung in statischen Zellkulturen zu testen. Die Herstellung der Schaumstrukturen erfolgt unter Anwendung eines turbulenten Mischverfahrens. Die dabei entstandenen Luftblasen werden im keramischen Schaum durch Proteine stabilisiert, mit ungepulsten Mikrowellen konsolidiert und abschließend durch einen Sinterprozess in einen mechanisch stabileren Zustand überführt. Entscheidenden Einfluss auf die Morphologie der porösen Keramiken haben sowohl die Rohstoffe als auch die Herstellungsparameter. Zur analytischen Charakterisierung werden Porosität, Poren- und Durchbruchgröße und Durchströmbarkeit bestimmt. Über ein Auslaugverfahren (in Anlehnung an DIN EN ISO 10993-14) werden die unterschiedlich reinen Ausgangsstoffe (Aluminiumoxide) untersucht und die Wechselwirkungen zwischen den in Wasser löslichen Verunreinigungen und deren Einfluss auf die Proteine und deren Schaumbildungseigenschaften sowie die Auswirkung von gesinterten Keramikschäumen verschiedener Reinheit auf die Zellbesiedelung analysiert. Dabei wurde ein deutlicher Einfluss von löslichen Ionen auf die Proteine und deren funktionellen Eigenschaften nachgewiesen, der eine verminderte Porosität der Schaumstrukturen einhergeht. Bei der Herstellung von Schaumstrukturen mit zuvor ausgelaugten Aluminiumoxiden konnte eine deutlich verbesserte Morphologie erzeugt werden. Eine gezielte Änderung der Morphologie der Schäume ergibt sich auch durch eine Variation der Prozessparameter und der beteiligten Proteine. Durch eine hohe Porosität bei großer Porengröße resultieren geringere Zellenzahlen, da die besiedelbare Oberfläche abnimmt. Wenngleich eine hohe Ionenkonzentration in der Zellkulturlösung eine Verringerung der Zellzahl zur Folge hat, wird doch ein positiver Effekt auf das Zellwachstum gefunden, der vermutlich durch einige lösliche Verbindungen in geringerer Konzentration g. Eine Vergrößerung der besiedelbarne inneren Oberfläche des Keramikschaums und eine verbesserte Adhäsion sollte auch zur Erhöhung der Zellzahl führen. Hier bietet sich der Einsatz ausbrennbarer Partikel an, die die innere Oberfläche erweitern und die Rauhigkeit steigern sollten. Darüber hinaus könnte eine gezielte Abgabe von Ionen aus dem Werkstoff die Proliferation von Zellen steigern.show moreshow less
  • This thesis deals with the processing and analysis of alumina foams and the interaction between material, proteins and cells during preparation and cell cultivation. The goal of this study was tailoring the open porous alumina cell structures for the application as 3D scaffold and their testing in static cell cultures. The ceramic foams were derived by foam formation of ceramic slurries via direct foaming. During this turbulent process the foam was stabilized by proteins, subsequent microwave coThis thesis deals with the processing and analysis of alumina foams and the interaction between material, proteins and cells during preparation and cell cultivation. The goal of this study was tailoring the open porous alumina cell structures for the application as 3D scaffold and their testing in static cell cultures. The ceramic foams were derived by foam formation of ceramic slurries via direct foaming. During this turbulent process the foam was stabilized by proteins, subsequent microwave consolidated and sintered to obtain a mechanically stable state. A huge effect on the morphology of porous ceramics was caused by both raw materials and process parameters. Therefore, their effects on porosity, pore and window diameter and flow rate through the scaffold were analyzed. Furthermore leaching experiments of raw and sintered alumina were conducted because impurities of commercial alumina can leach and influence the functional properties of proteins and cell growth. Hence this impact on morphology and cell cultivation was analyzed. Influences of leached ions on the functional properties of proteins were detected, which lead to a decreased porosity. Using leached alumina for preparation, enhanced porosity was achieved. Additionally, by variation of the process parameters and proteins, the morphology can be tailored. Due to a high porosity with large pores, a low cell number was detected as a result of a decreased inner surface area. Although a high ion concentration in the cell culture medium leads to a reduction of cells, a positive influence on cell growth at low concentration of leached ions was shown. Further investigations should deal with an enlargement of the cell growing surface and improved adhesion properties for cells by an increased inner surface and surface roughness. This could be achieved by placeholder materials. Selective release of ions from the scaffold material may enhance the proliferation, additionally.show moreshow less

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Metadaten
Author: Rosali Möllmann
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-36525
Advisor:Prof. Dr. Helmut Schubert
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/09/03
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Date of final exam:2012/04/23
Release Date:2012/09/03
Tag:Bioreaktor; Keramik; Proteinwechselwirkungen; Schaum
bioreactor; ceramic; foam; protein interactions
Institutes:Institut für Werkstoffwissenschaften und -technologien
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)