BCRTBiomechanik

Architectured Biomedical Materials for Tissue Regeneration

Ansgar Petersen

Defekte in muskuloskeletalem Gewebe, z.B. nach Trauma, heilen nicht immer selbstständig und benötigen chirurgische Intervention. Biomaterialien, welche in den Defekt implantiert werden, können den Heilungsprozess unterstützen. Wir untersuchen die Interaktion zwischen Zellen, ihrer umgebenden extrazellulären Matrix und Biomaterialien für die Entwicklung neuer Behandlungsstrategien. Wir entwerfen Mikroumgebungen, die spezifische mechanische und geometrische Signale bereitstellen, um körpereigene Heilungskaskaden zu unterstützen und hierdurch das Heilungsergebnis zu verbessern.

Kontaktinformationen
Anschrift:	BIH Center für Regenerative Therapien Augustenburger Platz 1 13353 Berlin
E-Mail:	Ansgar.petersen@bih-charite.de

Forschungsschwerpunkte

Steuerung des Zellverhalten und Strukturierung der extrazellulären Matrix durch die Biomaterialarchitektur zur Unterstützung endogener Heilungsprozesse
Beeinflussung der Zellfunktion, -differenzierung und -organisation durch Oberflächenkrümmung
Rolle extrinsischer (in vivo-inspirierter) mechanischer Belastungssignale für die Funktion und Differenzierung von Vorläuferzellen
Räumliche Selbstorganisation von Zellen und Gewebestrukturierung
Zugspannung der extrazellulären Matrix als zellinstruktiver mechanischer Faktor

A Biomaterial With a Channel-Like Pore Architecture Induces Endochondral Healing of Bone Defects
Nat Commun 2018 Oct 25;9(1):4430. doi: 10.1038/s41467-018-06504-7.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30361486/
In dieser Arbeit stellen wir einen reinen Biomaterialansatz zur Unterstützung der Knochenheilung vor. Erstmals wurde gezeigt, dass die Biomaterialarchitektur die Knochenheilung durch den Prozess der sogenannten enchondralen Ossifikation induzieren kann.
Collagen Fibrils Mechanically Contribute to Tissue Contraction in an In Vitro Wound Healing Scenario
Adv Sci (Weinh). 2019;6(9):1801780. doi:10.1002/advs.201801780
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31065517/
Zellen bringen Zugspannung auf Kollagenfasern auf indem sie ihre Traktionskräfte in das ECM Netzwerk der extrazellulären Matrix übertragen. Dieser Prozess ist für die Gewebeheilung relevant, da er zur Wiederherstellung der Vorspannung von gesundem Gewebe, aber auch zur erhöhter Kontraktion und der Entstehung von Narbengewebe führen kann.
Surface Curvature Differentially Regulates Stem Cell Migration and Differentiation via Altered Attachment Morphology and Nuclear Deformation.
Adv Sci (Weinh). 2016;4(2):1600347. doi:10.1002/advs.201600347
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28251054/
Die Oberflächenkrümmung ist ein fundamentaler Design-Parameter für poröse Biomaterialien. Ziel der Arbeit ist es, ein besseres Verständnis darüber zu erlangen, wie die lokale Oberflächenkrümmung die Funktion von Vorläuferzellen beeinflusst. Die gewonnen Erkenntnisse sind z.B. für das Design von zellinstruktiven Biomaterialien für biomedizinische Anwendungen von Bedeutung.
Mesoscale substrate curvature overrules nanoscale contact guidance to direct bone marrow stromal cell migration.
J R Soc Interface. 2018;15(145):20180162. doi:10.1098/rsif.2018.0162
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30089684/
In dieser Studie konnten wir zeigen, dass die lokale Oberflächenkrümmung das klassische „contact guidance“ durch Nano- und Mikrostrukturen außer Kraft setzen und die Zellmigration dominieren kann. Dies ist der Fall bei Krümmungen die in physiologischen Prozessen aber auch für das Design von Biomaterialien von Relevant sind.
From macroscopic mechanics to cell-effective stiffness within highly aligned macroporous collagen scaffolds.
Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2019;103:109760. doi:10.1016/j.msec.2019.109760
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31349443/
Die mechanische Steifigkeit der Umgebung steuert das Zellverhalten wie etwa die Differenzierung von Stammzellen. Durch die Kombination von in vitro Charakterisierung und Computersimulationen konnten wir die lokale mechanische Steifigkeit in einem porösen 3D Biomaterialien bestimmen und konnten zeigen, dass diese erheblich von den makroskopischen Eigenschaften des Materials abweicht.
Ansgar Petersen - Arbeitsgruppenleiter
Michael Krug – TA
Stephanie Diederich – TA
Simone Cho-Durmus - TA
Erik Brauer - PostDoc
Aarón Xerach Herrera Martín - PostDoc
Mina Sohrabi-Zadeh - Doktorandin
Janina Stadter - Doktorandin
Esther De Mercurio - Doktorandin
Rebecca Günther – Doktorandin

Ehemalige
Petra Zenner – TA
Sophie Görlitz - Doktorandin
Martina Tortorici - Doktorandin
Parisa Khalaghi - Doktorandin
Ehsan Soodmand – Doktorand

Professorship for Architectured Biomedical Materials for Tissue Regeneration
BIH Section: Advanced and Personalized Therapies (APT)
Ansgar Petersen studies physics and finished his PhD in Biomedical Engineering at Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen University
After a short term as a Development Engineer at a Medical device manufacturer in the field of regenerative medicine, he joined the Julius-Wolff-Institute at Charite as a Post-doc
Since 2012 he was head of the research group "Cellular Biomechanics“ at the Julius Wolff Institute Charité - University Medicine Berlin
Now he holds a W2 professorship for Architectured Biomedical Materials for Tissue Regeneration at BIH
Ansgar Petersen focuses on defects in musculoskeletal tissues, e.g. in consequence of a trauma
As biomaterials implanted into the defect region have the potential to support the healing process, he investigates the interaction between cells, their surrounding extracellular matrix and biomaterials for the development of innovative treatment strategies.
He designs micro-environments that provide specific mechanical and geometrical signals that support endogenous healing cascades for an improved healing outcome.

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