Third party funded individual grant
Acronym: BioBone
Start date : 15.02.2022
End date : 14.02.2025
Ziel von BioBone ist ein neuartiger Smart Reaktor mit Kompressions-Aktorik und Perfusions-Steuerung sowie
technischen Rezeptoren zur Regelung, Steuerung und Monitoring der Zucht von artifiziellen 3DKnochengewebe.
Das Ziel des Projekts BioBone ist die Realisierung eines innovativen Reaktorkonzepts (Smart Reaktor) mit
Kompressions-Aktorik und Perfusions-Steuerung sowie neuartiger Sensorik zur kontrollierten Zucht von
artifiziellem, pseudo-vaskularisiertes 3D-Knochengewebe. Die neuartige Sensorik liefert als technischer
Rezeptor Informationen zu den wesentlichen physiologischen Parametern aus den inneren, ansonsten
unzugänglichen Bereichen, des Gewebes. Die Messwerte dieser neuartigen Sensoren/Rezeptoren werden
analog zu den biologischen Botenstoffen genutzt, um die Zufuhr von Nährstoffen bedarfsgerecht nach zu
regeln. Die Simulation mechanischer Belastungen durch Kompression induzieren im Knochengewebe
biochemische und -physikalische Prozesse, die für den Aufbau von künstlicher Knochensubstanz mit
ausreichender Qualität und Robustheit essenziell sind. Obwohl die physiologischen Grundlagen zu dem
Phänomen, dass mechanische Beanspruchung den Aufbau und die Stärkung von Knochensubstanz fördert,
gut verstanden sind, ist bislang ein effizienter Wissenstransfer in eine in vitro Bioprozessumgebung zur
Herstellung von künstlicher 3D Knochensubstanz nicht gelungen. Dies ist angesichts des immensen Bedarfs
an künstlichem Knochengewebe ein eklatanter Missstand in der Regenerativen Medizin und Orthopädie. Der
geplante Smart Reaktor des Projekts BioBone soll diese Technologielücke schließen. Neben Kompressions-
Aktorik und Perfusions-Steuerung wird der BioBone Smart Reaktor mit neuartigen technischen Rezeptoren
versehenen sein, wodurch kontrollierte Belastungsvarianten erzeugt werden können, um positive Effekte auf
die Proliferation der Zellen und funktionelle osteogene Differenzierung zu bewirken. Im Ergebnis sollen
Knochenkonstrukte (bone grafts) mit hoher, kontrollierter und gleichbleibender Qualität erzeugt werden
können.
PreSens wird im Projekt neue O2, pH und CO2 Sensormaterialien zur Verwendung in den neuartigen optoelektronischen
Rezeptoren zur Erfassung energiemetabolischer Parameter innerhalb von 3D
Gewebekonstrukten erforschen und anschließend auf 3D-gedruckte Lichtleiter als Informationsleitung
aufbringen. Über zu etablierende optische Schnittstellen werden die Sensorsignale an ein zu erforschendes
Detektionssystem mit opto-elektronischer Ausleseeinheit und Software zur Digitalisierung der Signale
übertragen und dort analysiert. Durch die Echtzeitüberwachung zentraler metabolischer Parameter (O2, pH,
CO2) mittels der neuartigen opto-elektronischen Rezeptoren bei der Anzucht künstlicher Knochengewebe im
Bioreaktor, wird zudem ein besseres Verständnis der Gewebereifung und dadurch schlussendlich eine
effektivere Knochenbildung erreicht werden.
Die 2mag AG wird auf Basis eines Testreaktors "cell compression device" ein im Hinblick auf die
Kraftübertragung und Fluidik optimiertes Reaktorkonzept erforschen. Wichtiges Augenmerk liegt hierbei auf der
Langzeitsterilität des Reaktors sowie der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Diese Arbeiten erfolgen in enger
Kooperation mit dem Partner MBT der FAU Erlangen, an welchem Simulationsmodelle der Kompression, der
Krafteinwirkung und des Perfusionsverhaltens etabliert werden.
Der Lehrstuhl Medizinische Biotechnologie (MBT) der FAU Erlangen stellt Zellkultur-Infrastruktur und Knowhow
im Bereich Scaffolds für in vitro Gewebezucht und biochemische und mikroskopische Nachweisverfahren
sowie einen ersten Test-Bioreaktor bereit. Die technischen Sensoren von PreSens sollen in eine „bone graft“
Umgebung eingebunden und der Test-Bioreaktor in enger Zusammenarbeit mit der 2mag weiterentwickelt
werden. Ferner soll eine Steuerungs-Optimierung mit Einrichtung einer Daten Feedback-Schleife aus
Mikrosensorik zurück zur Bioreaktor-Kompression/-Fluidik eingerichtet werden. Ziel ist ein selbstlernendes
System, das autonom die Aktorik und Fluidik reguliert, wobei Methoden künstlicher Intelligenz eingesetzt
werden.