Gestricktes Mikrogewebe kann Heilung beschleunigen
Forscher des Lincoln Laboratory und des MIT entwickeln neue Arten von bioresorbierbaren Stoffen, die die spezielle Art und Weise nachahmen, in der sich weiches Gewebe dehnt und gleichzeitig heranwachsende Zellen ernährt.
Steve Gillmer, Mitarbeiter des Lincoln Laboratory, testet die Elastizität eines bioresorbierbaren Gewebes, um seine Steifigkeit mit verschiedenen Arten von menschlichem Gewebe zu vergleichen. Copyright: Foto: Glen Cooper/Lincoln Laboratory
Die Behandlung schwerer oder chronischer Verletzungen von Weichteilen wie Haut und Muskeln ist eine Herausforderung für die Medizin. Die derzeitigen Behandlungsmethoden können kostspielig und wirkungslos sein, wobei davon auszugehen ist, dass die Häufigkeit chronischer Wunden aufgrund von Krankheiten wie Diabetes und Gefäßerkrankungen sowie einer immer älter werdenden Bevölkerung weiter zunehmen wird.
Eine vielversprechende Behandlungsmethode besteht darin, biokompatible Materialien, die mit lebenden Zellen (d. h. Mikrogewebe) besiedelt sind, in die Wunde zu implantieren. Die Materialien bieten ein Gerüst für Stammzellen oder andere Vorläuferzellen, die in das verletzte Gewebe einwachsen und die Regeneration unterstützen. Die derzeitigen Techniken zur Herstellung dieser Gerüstmaterialien unterliegen jedoch einem entscheidenden Nachteil. Menschliches Gewebe bewegt und biegt sich auf eine einzigartige Weise, die herkömmliche weiche Materialien nur schwer nachbilden können, und wenn sich die Gerüste dehnen, können sie auch die eingebetteten Zellen dehnen, was häufig zum Absterben dieser Zellen führt. Die abgestorbenen Zellen behindern den Heilungsprozess und können außerdem eine unbeabsichtigte Immunreaktion des Körpers auslösen.
„Der menschliche Körper hat eine hierarchische Struktur, die sich nicht dehnt, sondern auffaltet“, sagt Steve Gillmer, Forscher in der Mechanical Engineering Group des MIT Lincoln Laboratory. „Wenn Sie Ihre Haut oder Muskeln dehnen, sterben Ihre Zellen deshalb nicht ab. Was tatsächlich passiert, ist, dass sich das Gewebe ein wenig entknittert, bevor es sich dehnt.“
Gillmer ist Teil eines multidisziplinären Forschungsteams, das nach einer Lösung für dieses Dehnungsproblem sucht. Er arbeitet mit Professor Ming Guo von der Abteilung für Maschinenbau des MIT und dem Defense Fabric Discovery Center (DFDC) des Labors zusammen, um neue Arten von Stoffen zu stricken, die sich genau wie menschliches Gewebe entfalten und bewegen können.
Die Idee zur Zusammenarbeit entstand, als Gillmer und Guo einen Kurs am MIT hielten. Guo hatte untersucht, wie man Stammzellen auf neuartigen Materialien züchten kann, die die Entfaltung des natürlichen Gewebes nachahmen. Er entschied sich für elektrogesponnene Nanofasern, die zwar gut funktionierten, aber in großen Längen schwer herzustellen waren, was ihn daran hinderte, die Fasern in größere Maschenstrukturen zur Gewebereparatur in größerem Maßstab zu integrieren.
„Steve erwähnte, dass das Lincoln Laboratory Zugang zu industriellen Strickmaschinen hatte“, sagt Guo. Diese Maschinen ermöglichten es ihm, sich auf die Entwicklung größerer Gestricke zu konzentrieren, anstatt einzelne Garne zu entwerfen. „Wir begannen sofort, neue Ideen mit interner Unterstützung des Labors zu testen.“
Gillmer und Guo arbeiteten mit dem DFDC zusammen, um herauszufinden, welche Strickstrukturen sich ähnlich wie verschiedene Arten von Weichgewebe bewegen können. Sie begannen mit drei grundlegenden Strickdesigns: Interlock, Ripp und Jersey.
„Denken Sie bei einem Jersey an Ihr T-Shirt. Wenn Sie Ihr T-Shirt dehnen, übernehmen die Garnschlingen die Dehnung“, sagt Emily Holtzman, Textilspezialistin beim DFDC. „Je länger die Schlaufen sind, desto mehr Dehnung kann der Stoff vertragen. Denken Sie bei gerippten Stoffen an die Manschette Ihres Pullovers. Diese Stoffkonstruktion hat eine universelle Dehnbarkeit, die es dem Stoff ermöglicht, sich wie eine Ziehharmonika zu entfalten.“
Interlock ist dem gerippten Gestrick ähnlich, wird aber in einem dichteren Muster gestrickt und enthält doppelt so viel Garn pro Zoll Stoff. Durch mehr Garn gibt es mehr Oberfläche, in die die Zellen eingebettet werden können. „Gestrickte Stoffe können auch so gestaltet werden, dass sie eine bestimmte Porosität oder hydraulische Durchlässigkeit aufweisen, die durch die Schlingen des Stoffes und die Garngrößen erzeugt wird,“ sagt Erin Doran, eine weitere Textilspezialistin im Team. „Diese Poren können den Heilungsprozess ebenfalls unterstützen.“
Bisher hat das Team eine Reihe von Tests durchgeführt, bei denen embryonale Fibroblastenzellen der Maus und mesenchymale Stammzellen in die verschiedenen Strickmuster eingebettet wurden, um zu sehen, wie sie sich verhalten, wenn die Muster gedehnt werden. Jedes Muster wies Variationen auf, die sich darauf auswirkten, wie stark sich das Gewebe entfalten konnte und wie starr es wurde, nachdem es sich zu dehnen begann. Alle zeigten eine hohe Überlebensrate der Zellen, und 2024 erhielt das Team erneut einen F&E-100-Preis für seine Strickmuster.
Gillmer erklärt, dass das Projekt zwar mit Blick auf die Behandlung von Haut- und Muskelverletzungen begann, dass ihre Stoffe jedoch das Potenzial haben, viele verschiedene Arten von menschlichem Weichgewebe, wie Knorpel oder Fett, nachzuahmen. Das Team meldete kürzlich ein vorläufiges Patent an, in dem beschrieben wird, wie diese Muster erstellt werden können und welche Materialien für die Herstellung des Garns verwendet werden sollten. Diese Informationen können als Werkzeugkasten verwendet werden, um verschiedene gestrickte Strukturen auf die mechanischen Eigenschaften des verletzten Gewebes abzustimmen, auf das sie aufgebracht werden.
„Dieses Projekt war definitiv eine Lernerfahrung für mich“, sagt Gillmer. „Jeder Zweig dieses Teams verfügt über ein einzigartiges Fachwissen, und ich denke, das Projekt wäre ohne die Zusammenarbeit aller nicht machbar. Unsere Zusammenarbeit als Ganzes ermöglicht es uns, den Umfang der Arbeit zu erweitern, um diese größeren, komplexeren Probleme zu lösen.“
Anne McGovern | Lincoln Laboratory
