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Biomechanische Charakterisierung von Designer-Scaffolds für die Tumordiagnostik

Einordnung der Arbeiten
Das Fachpraktikum ordnet sich in das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbundprojekt "DiaTumor" ein. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines in-vitro Modells für die Diagnostik der Interaktion zwischen Tumorzellen und der extrazellulären Matrix (ECM). Das Teilvorhaben des Fachbereichs Biowerkstoffe umfasst neben der laserphotonischen Hochleistungsmikroskopie zur in-situ Detektion von Zell-Gewebe-Interaktion die biomechanische Modellierung geeigneter Scaffolds als dreidimensionale Zellträger. Derartige Scaffolds werden nach CAD-Modellen mittels 2-Photonenpolymerisation hergestellt. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass durch die Variation der einzusetzenden Monomere, der Architektur des Scaffolds sowie der Prozessparameter die Biomechanik des Zellträgers gezielt eingestellt werden kann. Über den Einsatz von ECM-analogen Materialien, bzw. der nachträglichen Funktionalisierung der Zellträger lassen sich somit biochemisch und biomechanisch optimierte Designer-Scaffolds herstellen. Die Abbildung zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines solchen, mittels 2-Photonen-Polymerisation hergestellten Scaffolds.
Für die angestrebte Modellierung des Einflusses der Mechanik der artifiziellen ECM auf Tumorzellen reicht eine rein elastische Beschreibung der mechanischen Eigenschaften der ECM nicht aus. Hydrogele zeichnen sich insbesondere durch komplexe, viskoelastische Eigenschaften wie Kriech- und Relaxationsverhalten aus. Um die zelluläre Systemantwort mit der Mechanik des Substrates bzw. der Scaffoldstruktur korrelieren zu können, müssen daher anhand geeigneter Messmethoden (Kriech- und Relaxationsversuche, DMA) viskoelastische Kennwerte der Hydrogele ortsaufgelöst ermittelt werden. Anhand dieser Kennwerte zum zeitabhängigen Verhalten polymerisierter Hydrogele können auf der Basis bekannter Spannungs-Dehnungs-Beziehungen der Viskoelastizitätstheorie (Boltzmann´schen Superpositionsprinzip) geeignete rheologische Modelle entworfen und viskoelastische Stoffgesetze bestimmt werden.
Die Analytik an den Biomaterialien, den 3D-ECM-Konstrukten wie auch den nativen Geweben umfasst die Bestimmung der biomechanischen Systemsteifigkeiten mittels AFM-Kraftspektroskopie, Biodynamiktester (BOSE Electroforce) und Nanoindentation.

Ziel der Diplom-/Masterarbeit
Das Ziel der Praktikumsarbeit besteht in der biomechanischen Charakterisierung sowohl der eingesetzten ECM-analogen Hydrogele, als auch der dreidimensionalen Designerscaffolds. Hierzu müssen im Praktikum entsprechende Strukturen mittels 2-Photonen-Polymerisation hergestellt und mittels unterschiedlicher Methoden (AFM-Kraftspektroskopie, DMA, Biodynamiktester, Nanoindentation) auf ihre viskoelastischen Eigenschaften untersucht werden. Die einzusetzenden Methoden sollen sich dabei gegenseitig validieren. Die für die Durchführung der geplanten Arbeiten nötige Fachliteratur, das benötigte Laborequipment sowie die die Fachkompetenz des praktischen Betreuers ist im Fachbereich Biowerkstoffe vorhanden.
Es wird angestrebt, die im Praktikum gewonnenen Ergebnisse in einem wissenschaftlichen Fachjournal zu publizieren.

Arbeitsschwerpunkte

  • Einarbeitung in biomechanische Testsysteme
  • Einarbeitung in die 2-Photonen-Polymerisation
  • Herstellung von Hydrogel-Scaffolds mittels 2-Photonen-Polymerisation
  • biomechanische Charakterisierung der eingesetzten Polymere
  • biomechanische Charakterisierung der hergestellten Scaffolds
  • statistische Auswertung der gewonnenen Daten, Anfertigen der Praktikumsarbeit
  • Ausarbeitung eines Manuskriptes für ein wissenschaftliches Fachjournal

Anforderungen
Die vorgesehenen Arbeiten erfordern neben einer sorgfältigen und exakten Arbeitsweise gute Kenntnisse in den Bereichen Elastizität/Viskoelastizität und (Bio)Mechanik.


detaillierte Informationen: pdf-Datei
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. K. Liefeith

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