Analyse und Optimierung der Prozessparameter und Faserstruktur von neuartigen PCL-Kollagen biokomposit Nanofaser-Scaffolds im Elektrospinnprozess

Analysis and Optimization of Process Parameters and Fiber Morphology of novel PCL-Collagen biokomposit Nanofiber Scaffolds via Electrospinning

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-107895
  • Die menschliche Skelettmuskulatur stützt und unterstützt uns oft bereits unbewusst bei den noch so kleinsten Bewegungen. Da sie einen Großteil des menschlichen Gewebes aus- macht, besteht auch ein hohes Risiko der Einschränkung der Lebensqualität infolge von tiefergehenden Verletzungen oder Tumorerkrankungen. Im Gegensatz zu oberflächlichen Hautverletzungen regeneriert sich unsere Skelettmuskulatur nicht. In schwerwiegenden Fällen bleibt nur die Entnahme ganzer Muskelpartien als Folge, ohne Aussicht auf Re- generation und damit einer vollständigen Genesung. Diese Problematik hebt die Notwen- digkeit einer künstlichen Alternative hervor, nämlich der Möglichkeit neues Muskelgewe- be aufDie menschliche Skelettmuskulatur stützt und unterstützt uns oft bereits unbewusst bei den noch so kleinsten Bewegungen. Da sie einen Großteil des menschlichen Gewebes aus- macht, besteht auch ein hohes Risiko der Einschränkung der Lebensqualität infolge von tiefergehenden Verletzungen oder Tumorerkrankungen. Im Gegensatz zu oberflächlichen Hautverletzungen regeneriert sich unsere Skelettmuskulatur nicht. In schwerwiegenden Fällen bleibt nur die Entnahme ganzer Muskelpartien als Folge, ohne Aussicht auf Re- generation und damit einer vollständigen Genesung. Diese Problematik hebt die Notwen- digkeit einer künstlichen Alternative hervor, nämlich der Möglichkeit neues Muskelgewe- be auf synthetischen Substraten zu entwickeln. Um dies zu ermöglichen, evaluiert diese Arbeit Schritt für Schritt die Entwicklung einer möglichen Lösung zur Züchtung neuen Muskelgewebes nach dem Ansatz des Tissue Engineerings. Die hohe Parallelität aus poly- meren Nanofasern entwickelter Konstrukte mimt die menschliche Skelettmuskulatur sehr genau. Durch die Entwicklung einer neuartigen Polymer-Lösungsmittel-Kombination so- wie den Einsatz neuartig angefertigter Kollektoren ist es möglich, die Prozesskette zur Herstellung geeigneter Fasergerüste hochgradig effizient zu gestalten. Bei der Verwen- dung von Kollagen als natürliches Biopolymer wird zusätzlich die Stabilität und Anpas- sung unterschiedlicher Batches auf den Spinnprozess analysiert. Durch die so entstande- ne hohe Zuverlässigkeit des Entwicklungsprozesses ist es auch möglich, die im Hinblick auf die Skelettmuskulatur notwendige Dicke von mehreren Millimetern bei konstanter Ausrichtung und Effizienz zu erzielen. Mittels sogenannter Opferfasern und deren Aus- waschen aus dem Fasergerüst lässt sich eine erhöhte Porosität erreichen, die notwendig ist, um die Zellen auch in einigen Millimetern Tiefe noch mit Sauerstoff und Nährstoffen zu versorgen. Diese Ergebnisse anhand der Prozessentwicklung mit Polymer Nanofasern zeigen so einen vielversprechenden Ansatz zur Regeneration von menschlichem Skelett- muskelgewebe.show moreshow less
  • Human skeletal muscle supports us through our every day life and offers strength and stability during every movement, as tiny as it may be. As these muscles are a huge part of our body, regarding mass and volume, it hurts us physically and mentally even more, if surgeons have to remove parts of muscles after suffering severe pain from cancer or hea- vy accidents. Since muscle tissue lacks the ability fo regenerate, unlike the surface of our skin, its removal remains without a satisfying solution towards a full recovery. Therefore, in this work, a promising tissue engineering approach from highly aligned polymer na- nofibers is developed, that can offer a suitable substrate for theHuman skeletal muscle supports us through our every day life and offers strength and stability during every movement, as tiny as it may be. As these muscles are a huge part of our body, regarding mass and volume, it hurts us physically and mentally even more, if surgeons have to remove parts of muscles after suffering severe pain from cancer or hea- vy accidents. Since muscle tissue lacks the ability fo regenerate, unlike the surface of our skin, its removal remains without a satisfying solution towards a full recovery. Therefore, in this work, a promising tissue engineering approach from highly aligned polymer na- nofibers is developed, that can offer a suitable substrate for the regeneration of damaged tissue or even the formation of new muscle. Coming up with a new polymer-solvent sys- tem and tailor made rotating collectors, a highly efficient and stable fiber spinning process is developed. In order to mimic the natural structure of muscle tissue, highly aligned po- lymer nanofibers are fabricated. Furthermore, after improving the outcome and stability of the spinning process, the scaffolds can show a thickness of multiple millimeters. This fabrication milestown is a necessary key problem to be solved, when aiming for the repla- cement or recovery of parts of the muscle with are thicker than only a few micrometers. In additional studies, the stability and negative influence of the batch to batch variety of a natural polymer like collagen for the spinning process, was analyzed and solved. With the application of sacrificial fibers to the scaffold, that were washed out in a second step, the porosity could be increased in order to guarantee oxygen and nutrition supply to cells in multiple millimeter depth. These results and the positive development of the fabricati- on process of aligned polymer nanofibers show a promising approach for supporting the regeneration of damaged and skeletal muscle tissue.show moreshow less

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Metadaten
Author:Dirk Dippold
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-107895
Referee:Dirk Schubert
Advisor:Dirk Schubert
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2019
Date of online publication (Embargo Date):2019/04/03
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2019/04/01
Release Date:2019/04/10
Institutes:Technische Fakultät / Department Werkstoffwissenschaften
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Keine Creative Commons Lizenz - es gilt der Veröffentlichungsvertrag und das deutsche Urheberrecht
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