Bioresorbeerbare membraan voor de genezing van interne en externe wonden

Fibroblasten (bindweefselcellen) op het elektrogesponnen Renacer®-membraan onder de confocale microscoop (rood: cytoskelet van de cellen, blauw: celkernen) © Fraunhofer ITEM / Fibroblasten (bindweefselcellen) op het elektrogesponnen Renacer®-membraan onder de confocale microscoop (rood: cytoskelet van de cellen, blauw: celkernen). © Fraunhofer ITEM

Elektro-spinnen Renacer®-Membraan (5 x 5 cm) © Fraunhofer ITEM / Electrospun Renacer®-membraan (5 x 5 cm) © Fraunhofer ITEM

Fraunhofer-onderzoekers zijn erin geslaagd om uit het bioresorbeerbare silicagel Renacer® een elektrogesponnen membraan te vervaardigen dat noch cellen noch genotoxic is. Deze matrix bootsen vezelstructuren na die in bindweefsel voorkomen. Ze is daarom vooral geschikt voor regeneratieve toepassingen, bijvoorbeeld voor een betere wondgenezing.

De behandeling van grote oppervlakken en interne wonden is een uitdaging en kan uiterst langdurig zijn. Onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC en het Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM hebben voor dit toepassingsgebied een bioresorbeerbaar membraan ontwikkeld dat de wondgenezing ondersteunt en volledig in het lichaam biologisch afbreekt tot een natuurlijke stof.

De basis voor het nieuwe membraan is een door het Fraunhofer ISC ontwikkeld vezervlies dat al medisch is toegelaten voor de regeneratie van chronische wonden, zoals diabetische voet. Het materiaal lost volledig op na zes tot acht weken, afhankelijk van de wondgenezing. De onderzoekers konden de diameter van de vezels meer dan 50 keer verkleinen, zodat de vezels nu een diameter van minder dan een micrometer hebben. Ze maakten gebruik van de elektrospinmethode. Op deze wijze konden ze een silicagelsol spinnen tot een dichtmazige silicagel-membraan van vezels met een diameter van ongeveer een micrometer. Soms bereikten ze zelfs diameters van slechts 100 nanometer. »Deze vezelsystemen bootsen de extracellulaire matrix na, dat wil zeggen vezelstructuren die in bindweefsel voorkomen, en worden door menselijke cellen zeer goed geaccepteerd voor regeneratie. Ze veroorzaken geen vreemde-lichaamreacties en geen interne littekenvorming. Het nieuwe silicagel-membraan geeft slechts een afbraakproduct vrij, de monokieselsäure, die regenererend werkt in het lichaam en het sluiten van wonden bevordert«, legt Dr. Bastian Christ, wetenschapper aan het Fraunhofer ISC in Würzburg, uit. Samen met zijn collega’s hield hij zich bezig met de synthese en verwerking van het materiaal.

»Terwijl het oorspronkelijke vezervlies uit 50 micrometer dikke vezels van buiten in een chronische wond wordt ingebracht, is het dunnere vezervlies ook geschikt voor interne toepassingen. Vulmateriaal dat wordt gebruikt voor kaakbotdefecten zou theoretisch hiermee kunnen worden afgedekt om de wondgenezing te versnellen«, beschrijft Dr. Christina Ziemann, wetenschapper aan het Fraunhofer ITEM en verantwoordelijk voor de biologische evaluatie van het materiaal, een van de vele toepassingsmogelijkheden. »Principieel kan het membraan in het lichaam worden vastgekleefd met bioafbreekbare lijmen.«

Materiaal is noch cellen- noch genotoxisch

Met behulp van een confocale microscoop, een speciaal lichtmicroscoop, kon worden aangetoond dat het dichtmazige membraan, dat als demonstrator aanwezig is, over een barrièrefunctie beschikt die het doorgaan van bindweefselcellen gedurende ten minste zeven dagen verhindert, zonder de groei van de cellen in het algemeen te belemmeren. Bovendien is het membraan resorbeerbaar en vertoont het geen cytotoxische of genotoxische eigenschappen, waardoor het geen directe schade aan het weefsel of het DNA veroorzaakt.

Vezeldiameter en maaswijdte beïnvloeden het gedrag van de cellen

Voor gebruik als adhesiebarrière om postoperatieve verklevingen en littekenvorming te voorkomen, is een dunne vezeldiameter met fijne mazen gekozen, zodat alleen voedingsstoffen door het vezervlies kunnen passeren – maar geen bindweefselcellen. Bij een vezeldiameter van één micrometer en overeenkomstige grotere mazen groeien de cellen in het vezelnetwerk, vermenigvuldigen zich daar en werken regenererend op het omliggende weefsel. »Door het aanpassen van de materiaaleigenschappen zoals vezeldiameter en maaswijdte kunnen we het gedrag van de cellen wenselijk beïnvloeden«, zegt Christ. Voor het spinnen van de vezels worden de benodigde installaties bij het Fraunhofer ISC op toepassingsgerichte en klantgerichte wijze geconstrueerd. Ook de vorm en grootte van de vezervliesen kunnen op maat worden gemaakt.

In tegenstelling tot het membraan dat direct na het aanbrengen vanwege de open structuur een voedingsstoffentransport mogelijk maakt, maar geen cellen doorlaat, laten veel op de markt verkrijgbare producten een dergelijk stoftransport vaak pas toe na biologische afbraak of na het begin daarvan. Een snelle en effectieve wondgenezing is echter alleen mogelijk als het beschadigde weefsel voldoende wordt voorzien van voedingsstoffen. Tegelijkertijd moeten stofwisselingsproducten worden afgevoerd, wat wordt bevorderd door de open maasstructuur van het silicagel-membraan.

Membraan met anorganisch karakter

Een ander voordeel: het Renacer®-membraan lost volledig op en degradeert bijna pH-neutraal tot ontoxische monokieselsäure, de enige wateroplosbare vorm van silicazuren. Deze komt van nature in het lichaam voor en stimuleert aantoonbaar de opbouw van bindweefsel in de huid en de botvorming. Zulke eigenschappen bezitten momenteel nog geen andere beschikbare producten. Veel biologisch afbreekbare materialen lossen op tot organische zuren zoals melkzuur of glykolsuur, wat lokale verzuring in het weefsel kan veroorzaken en ontstekingsreacties van het immuunsysteem kan uitlokken. »Onze tests hebben aangetoond dat ook het afbraaksproduct, de monokieselsäure, niet toxisch en volledig celvriendelijk is«, aldus Ziemann. »Het membraan degradeert tot één enkel molecuul – de monokieselsäure.«

Vezels als werkstoffadepot

Bovendien kunnen werkstoffen in het vezervlies worden geïntegreerd, die worden vrijgegeven bij de oplossing van het materiaal. »Tijdens de resorptie zou bijvoorbeeld een antibioticum kunnen worden afgegeven aan een wond in het lichaam, zodat zich geen bacteriële infecties vormen«, legt Christ uit. In het door het BMBF gefinancierde project »GlioGel« wordt bij het Fraunhofer ISC onderzocht of het Renacer®-materiaalplatform kan dienen als werkstoffadepot voor de behandeling van hersentumoren.