AG Petersen: Cellular Biomechanics & Architectured Biomedical Materials

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.

  • 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

Publikationen  

 

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.

 

Team

Ansgar Petersen - Arbeitsgruppenleiter

Petra Zenner – TA

Michael Krug – TA

Erik Brauer - PostDoc

Aarón Xerach Herrera Martín - PostDoc

Sophie Görlitz - Doktorandin

Martina Tortorici - Doktorandin

Parisa Khalaghi - Doktorandin

Mina Sohrabi-Zadeh - Doktorandin

Ehsan Soodmand – Doktorand

Janina Stadter - Doktorandin