Biomaterialien bilden ein umfangreiches Spektrum unterschiedlichster Materialklassen, zu denen Metalle, Polymere, Keramiken und Komposite gehören, welche im direkten Kontakt mit biologischen Strukturen des Körpers stehen. An Biomaterialien müssen daher besonders hohe Maßstäbe bezüglich Funktion, Sicherheit und der jeweiligen Gewebeverträglichkeit (Biokompatibilität) gestellt werden. 

Die zunehmende Anzahl unterschiedlicher Implantatmaterialien in der Klinik bei stetigen Neu- und Weiterentwicklungen erfordert eine schnelle, präklinische Testung im Labor hinsichtlich Biokompatibilität und Möglichkeiten einer Biofunktionalisierung. Bei dem letzteren Aspekt will man das Biomaterial so gestalten, dass z.B. durch eine besondere Oberflächentopologie - sei es als Makro, Mikro- oder Nanostruktur oder auch durch spezielle Beschichtungen - eine aktive Interaktion mit dem umgebenden Gewebe im Sinne einer besseren Gewebsintegration erzielt wird. Hier sind also biochemische und biologische Wechselwirkungen mit dem Empfängergewebe gewollt und erwünscht. 

Ein weiterer Faktor bei der Entwicklung von Implantatmaterialien ist der Wunsch, die Anheftung von pathogenen Mikroorganismen zu minimieren oder sogar zu verhindern. Kann man das Infektionsrisiko durch Einsatz neuer Metall-Biomaterialien beeinflussen? Diese Frage ist vor dem Hintergrund zunehmender mikrobieller Antibiotika-Resistenzen und stetig steigender Prothesenzahl ein hochaktuelles Thema in der Chirurgie.
 

Die Struktur von Biomaterialien spielt eine entscheidende Rolle für ihre Funktionalität im Körper. Eine sorgfältig durchdachte Gestaltung fördert wichtige biologische Prozesse wie Zelladhäsion, Gewebeintegration und Regeneration. Sie beeinflusst das Verhalten der Zellen, die Geschwindigkeit der Wundheilung und die Wirksamkeit von Medikamenten im Organismus. Durch eine gezielte Strukturierung können Biomaterialien effektiver mit dem menschlichen Gewebe interagieren, was wiederum ihre medizinische Effektivität steigert.

Beispiel Poröses Material: 
„Trabecular Metal“ (Zimmer GmbH) ist ein poröses Material, das ursprünglich für die Weltraumtechnik entwickelt wurde und heute für den Knochen- und Gelenkersatz genutzt wird. Es besteht zu 98% aus Tantal, das hitzefest und korrosionsbeständiger als Titan ist. Die Struktur ähnelt der spongiösen Knochenstruktur, was das Einwachsen von Blutgefäßen ermöglicht. Das Material hat eine Druckfestigkeit und Elastizität, die der des natürlichen Knochens entspricht. Mikrobiologische Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe haben gezeigt, dass die Anhaftung von Bakterien wie Staphylococcus aureus an diesem Material im Vergleich zu herkömmlichen Implantatmetallen wie Titan reduziert ist. Die besondere Mikro- und Nanostruktur des Materials aktiviert Abwehrzellen des Blutes (Leukozyten), was zu einer stärkeren anti-mikrobiellen Wirkung führt

Beispiel Shape-Memory-Legierungen: 
Alle Metalle bestehen aus Kristallgittern, in denen die Atome eine bestimmte Struktur bilden. Wird ein Metall verformt, geht diese Struktur verloren. Bei der Verformung von Formgedächtnismetallen (engl. shape-memory metal)  verändert sich zwar das Kristallgitter, aber es wird nicht zerstört. Bei Entlastung oder durch Erwärmung nehmen die Atome ihre ursprüngliche Anordnung wieder ein. Diese Eigenschaft wird in der Klinik genutzt, etwa für Implantate, die sich bei Körpertemperatur vergrößern, wie selbst öffnende Metallnetze zur Erweiterung von Blutgefäßen. Ein Nachteil ist jedoch, dass Memory-Metalle oft Nickel enthalten, das in Bezug auf die Gewebsverträglichkeit problematisch ist. Im Labor der Chirurgischen Forschung wurde die Biokompatibilität von Memory-Metall-Legierungen untersucht. Dabei wurden die Wechselwirkungen von isolierten menschlichen Blutzellen, knochenbildenden Zellen und Stammzellen mit den Materialien analysiert, um Zelladhäsion, Zellproliferation und mögliche Zellschäden zu evaluieren. Derartige Untersuchungen sind Voraussetzung für jede Neuentwicklung von Implantat-Materialien.

Beispiel Laseroberflächentexturierung: 
Während Reintitan aufgrund seiner guten mechanischen und chemischen Eigenschaften ein beliebtes Material für medizinische Anwendungen darstellt, ist die weitere Verbesserung seiner oberflächenbezogenen Funktionalitäten durch Oberflächentexturierung ebenfalls vielversprechend. Die Lasertexturierung (LST) hat sich als Methode zur Oberflächenbehandlung verschiedenster Werkstoffe etabliert, wobei sich regelmäßige Oberflächentexturen oder -muster erzeugen lassen. Diese Technik zeichnet sich durch Kosteneffizienz, hohe Effektivität und Qualität aus. Untersuchungen der Oberflächenbenetzbarkeit und der Biokompatibilität von Präzisionsnetz-Texturen auf Reintitan (60 μm Breite, 30 μm Tiefe, 200 µm Pitch) die durch gepulste Laserablation im Pikosekunden-Bereich hergestellt wurden, haben gezeigt, dass die so hergestellte Oberflächentextur die Tröpfchendiffusion bei gleichzeitig verringertem Kontaktwinkel sowohl für Wasser als auch für simulierte Körperflüssigkeiten erleichtert. Hierdurch werden auch das Wachstum, die Ausbreitung und die Differenzierung von knochenbildenden Stammzellen aufgrund der besseren Benetzbarkeit der texturierten Oberfläche erleichtert.
 

Sie gilt als eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts: die Nanotechnologie. Mit der Entwicklung von neuen Nano-Werkstoffen und Nano-Materialien werden heute große Hoffnungen verbunden.

Der Grund, warum sich die Chirurgische Forschung mit nanopartikulärem Silber beschäftigt ist nahe liegend: Die antimikrobielle Wirkung von Silber ist zwar schon sehr lange bekannt, der Siegeszug der Antibiotika hat die Anwendung von Silber im medizinischen Bereich jedoch fast vergessen lassen. Inzwischen haben aber viele Mikroorganismen Resistenzen gegen Antibiotika entwickelt. Diese Keime können lebensbedrohliche Infektionen hervorrufen, und die Medizin sucht mit Nachdruck nach Möglichkeiten die Ausbreitung einzudämmen. 

Hier bietet nanopartikuläres Silber eine neue Perspektive. Die Vorteile des Nanosilbers sind durch seine Winzigkeit gegeben: sehr kleine Partikel/Strukturen besitzen im Vergleich zu großen Körpern eine riesige Oberfläche, von der kontinuierlich Silber freigesetzt wird und so das Wachstum der Mikroorganismen gehemmt werden kann.

Unser Arbeitskreis erforscht insbesondere die Vorteile der Kombination der Konzepte Nanotechnologie und Opferanodenprinzip. In kooperativen Vorarbeiten wurden nanostrukturierte, bimetalische Opferanoden-Beschichtungen entwickelt, welche eine effizientere Silberfreisetzung und damit eine erhöhte anti-infektive Wirksamkeit im Vergleich zum reinen Silber aufweisen. Neben der antimikrobiellen Aktivität wollen wir aber auch die Reaktion mit körpereigenen Zellen in ihren Grundlagen verstehen. Durch ein besseres Verständnis solcher Interaktionen sollen nicht nur mögliche Risiken erkannt, sondern auch neue und sichere Anwendungen für die Klinik gefunden werden.
 

Im Mittelpunkt der translationalen Stammzellforschung steht die Entwicklung und Testung innovativer Strategien für die Zelltherapie bei kritischen Frakturen, großen Knochendefekten oder auch bei neuronalen Defekten nach traumatischen Verletzungen oder durch neurodegenerative Erkrankungen. Unsere Untersuchungen konzentrieren sich dabei auf die Evaluierung entsprechender, mit der jeweiligen Anwendung kompatibler Stammzellen sowie Zell-Trägermaterialien aus resorbierbaren oder nicht-resorbierbaren Biomaterialen. 

Unabhängig vom Einsatzort und der gewählten Transplantationsmethode werden alle transplantierten Zellen Kontakt zu der jeweiligen physiologischen Umgebung erlangen, welche  eine individuelle Zusammensetzung aufweist und das Zellverhalten entscheidend beeinflussen kann, sodass mit regulatorischen Zellantworten der transplantierten Zellen zu rechnen ist. 

Die Grundlage für eine sichere und wirksame klinische Anwendung sind daher umfangreiche präklinische Voruntersuchungen hinsichtlich des Zellverhaltens, um neben therapeutisch gewünschten Effekten auch mögliche adverse Reaktionen frühzeitig zu identifizieren. Ein wesentlicher Aspekt dabei ist es, möglichst autologe (körpereigene) Stammzellen für die regenerative Medizin einzusetzen. Damit werden spätere Immunreaktionen gegen die transplantierten Zellen vermieden. Neben zell- und molekularbiologischen Fragestellungen zu Effekten der individuellen physiologischen Umgebung auf die Transplantatzellen sowie zu Toxizität und Zellbesiedlung von Trägermaterialien, zielt unsere Forschung auch auf konkrete Fragestellungen, die sich aus einer klinischen Anwendung von  Stammzellen ergeben. 
 

Fragestellungen nach einem idealen Trägermaterial für Stammzellen bei Zelltherapien haben gerade unter dem Gesichtspunkt, ein rein autologes Material zu verwenden, große Bedeutung: Zur Fixierung von autologen expandierten Stammzellen kann man autologes Blutplasma verwenden und so eine gelee-artige aber feste Matrix (Plasmaclot) herstellen, die vom Chirurgen einfach zu handhaben ist.  Hier werden Untersuchungen durchgeführt, die eine optimale Zusammensetzung der Matrix zum Ziel haben.

Beispiel Knochenregeneration: 
Die Zelltherapie von kritischen Frakturen oder großen Knochendefekten unter Verwendung von adulten mesenchymalen Stammzellen ist ein vielversprechender Therapieansatz. Der wesentliche Vorteil der vorgezüchteten Stammzelltransplantate besteht darin, dass ein rein autologes Transplantat mit hoher Zellzahl zur Verfügung steht. Im Gegensatz dazu haben konventionelle autologe Knochentransplantate (wie Spongiosaplastiken) Nachteile wie die begrenzte Verfügbarkeit und die Entstehung von Komorbiditäten. Die Machbarkeit eines klinischen Einsatzes von expandierten autologen Knochenmarkzellen für nicht heilende Frakturen konnte in der eigenen Klinik bereits gezeigt werden. Die Optimierung des Plasmaclots als Trägermaterial zur Knochenregeneration zielt darauf ab, die manuelle Handhabung zu verbessern und gleichzeitig eine möglichst hohe Viabilität der Zellen zu ermöglichen. Zusätzlich werden Untersuchungen zur osteogenen Differenzierung von Stammzellen durchgeführt, wobei die osteogen-wirkenden Faktoren ebenfalls rein aus autologen Quellen gewonnen werden sollen. Eine potentielle Gefährdung der Patientin / des Patienten durch mögliche Transfektion beim Einsatz von Spendermaterial oder durch ungewünschte  Reaktionen beim Einsatz von rekombinant-hergestellten Differenzierungs- oder Wachstumsfaktoren soll damit ganz ausgeschlossen werden.

Beispiel Neuronale Regeneration: 
Die Kombination von Leitlinienstrukturen mit autologen wachstumsfördernden biochemischen Signalen ist bei der posttraumatischen Nervenregeneration ideal. Eine autologe Plasmamatrix könnte diese Kriterien erfüllen, wenn es möglich ist, Fibrinfasern beim Clotting-Prozess auszurichten. Durch die gute Biokompatibilität und den schrittweisen Abbau besitzt eine autologe Fibrinmatrix durch die Bindung von autologen Wachstumsfaktoren Vorteile gegenüber chemischen Polymermatrizes. Durch die Etablierung längs ausgerichteter Fibrinfasern und seiner autologen Natur kann diese Plasma-Matrix für gerichtetes Nervenwachstum sehr geeignet sein. Das Ziel ist auf der Basis eines autologen Plasmaclots eine längsgerichtete Fibrin-Matrix zu entwickeln, um regenerierende Nervenzellen gerichtet durch stabilitätsgebende Leitschienen zu führen. Zusätzlich sollen Überstände von autologen Stammzellen hinsichtlich der Regeneration von Nervenzellen untersucht werden.
 

Durch erfolgreiche postoperative Infektionsprävention können Revisionsoperationen, lang andauernde systemische Antibiotikabehandlungen und verlängerte Krankenhausaufenthalte der Patienten vermieden werden.
Autologe Antibiotika-haltige Plasmaclots offerieren ein hohes Potential für die Erzeugung schnell verfügbarer und kostengünstiger Drug-Release-Systeme.  Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass autologe Plasmaclots den Vorteil der variablen Wirkstoff-Beladung bieten und dadurch eine gezielte Antibiotikabehandlung im Anwendungsbereich ermöglichen. Dabei kann durch das Clot-Volumen und die Konzentration des eingebundenen Antibiotikums Einfluss auf die Freisetzungskinetik und auf die insgesamt freigesetzte Antibiotikummenge genommen werden. Plasmaclots sind mit verschiedenen Antibiotika kompatibel, lösen sich mit der Zeit auf und können resorbiert werden. Die Freisetzung ist in der Regel inititial in der ersten Stunde am höchsten, was beim klinischen Einsatz besonders für die unmittelbare postoperative Phase günstig ist, in welcher durch die offene Wunde die größte Gefahr einer Kontamination besteht. 
 

Der Begriff „Immunpathophysiologie“ bezieht sich auf krankhafte Veränderungen im Immunsystem, die im Zusammenhang mit verschiedenen Erkrankungen auftreten oder zu Erkrankungen führen. Umfasst werden Reaktionen des Immunsystems auf bestimmte Reize oder Störungen und die hieraus resultierende Auslösung abnormaler oder schädlicher Prozesse im Körper.

Die Erforschung der Immunpathophysiologie hat das Ziel, abnormale Reaktionen im Immunsystem besser zu verstehen und darauf basierende gezielte Therapien zu entwickeln. Ein zentraler Fokus liegt hierbei auf der Untersuchung von Entzündungsprozessen, der Immunantwort auf Infektionen sowie der Entstehung von Autoimmunerkrankungen und den Mechanismen. Moderne Technologien wie Genomik, Proteomik und Zellkulturmodelle tragen entscheidend dazu bei, die komplexen Wechselwirkungen innerhalb des Immunsystems zu entschlüsseln.

Beispiel Polytrauma: 
Ein Polytrauma bezeichnet die gleichzeitige Verletzung mehrerer Körperregionen oder Organsysteme, die in ihrer Schwere lebensbedrohlich sein können, und eine schnelle und umfassende medizinische Versorgung erfordern. Der erhebliche körperliche Stress kann eine Fehlregulation des Immunsystems hervorrufen.

Das Zytokin Interleukin-17 (IL-17) ist ein zentraler Mediator in inflammatorischen Prozessen, und wird von einer spezialisierten Gruppe von T-Helferzellen  (Th17) produziert. In der Chirurgischen Forschung wurden Plasmaproben und Blutzellpopulationen von Polytrauma-Patienten hinsichtlich systemischer IL-17-Konzentrationen sowie ihrem Gehalt an Th17- Zellen untersucht. Th17-Zellen sind oft an der Entzündungsregulation beteiligt und werden nach einem Polytrauma verstärkt aktiviert. IL-17 ist bekannt dafür, dass es die Produktion weiterer Entzündungsmediatoren anregt, was zu einer verstärkten Entzündungsreaktion führen kann. Während eine initiale Entzündungsreaktion nach einem Polytrauma notwendig ist, um den Körper vor Infektionen zu schützen und die Heilung zu fördern, kann eine überschießende oder langfristige Aktivierung von IL-17 und Th17-Zellen zu einer chronischen Entzündung und einer Immundysfunktion führen. Diese Fehlregulation des Immunsystems kann die Immunantwort beeinträchtigen, die Wundheilung verzögern und das Risiko für Sekundärinfektionen erhöhen.

Solche Erkenntnisse der Immunantwort spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung gezielter therapeutischer Strategien zur Regulation der Entzündungsreaktion und der Behandlung der Immundysfunktion.

Beispiel Post-COVID:
Das Post-COVID-Syndrom resultiert aus einer Sars-CoV2 Infektion und wird wie Covid-19 als Multi-Organ Erkrankung eingeschätzt. Obwohl die BG Kliniken gemeinsam mit der BGW mit dem Post-COVID-Programm bereits auf diese neue Herausforderung reagiert haben, ist die Pathologie der Erkrankung bislang noch weitestgehend unverstanden. Eine systemisch-inflammatorische Grundlage der Post-COVID-Symptome ist wahrscheinlich, da diese auch zentral für die Covid-19 Erkrankung ist. Die Fehlregulation der Immunzellen kann wiederrum zu einer Immunsuppression führen, mit weitreichenden Komplikationen für die Gesundheit, die medizinische Versorgung sowie die Arbeitsfähigkeit betroffener Patienten. Damit hat die Erforschung der Pathomechanismen der Post-COVID-Erkrankung und ihrer Folgen sowie möglicher Behandlungskonzepte eine hohe gesellschaftliche Relevanz.

In kooperativer Zusammenarbeit führen wir am Bergmannsheil daher Untersuchungen einer möglichen Immunsuppression im Zusammenhang mit dem Post-COVID-Syndrom durch.  Hierzu werden Immunzellen aus dem Blut isoliert, und im Labor mit relevanten Mikroorganismen oder ihren Toxinen stimuliert, was die Reaktion des Immunsystems auf Infektionen nachstellt. Durch anschließende Analyse der Immunantwort der verschiedenen Immunzellen von Probanden mit einer Post-COVID-Symptomatik im Vergleich zu Referenzprobanden sollen mögliche Immundefekte identifiziert und therapeutische Ansätze entwickelt werden. 
 

Die Forschungsschwerpunkte unseres biomechanischen Labors umfassen Fragestellungen aus der anwendungsorientierten Forschung wie Prüfung und Optimierung von innovativen Osteosynthesesystemen oder Entwicklung neuer verbesserter Methoden für die osteosynthetische bzw. prothetische Behandlung von Frakturen.

In der Orthopädie und Unfallchirurgie kann es durch unterschiedlichste Krankheitsbilder oder Unfallfolgen zu Einschränkungen kommen, die sich in einer Modifikation des Gang- oder Bewegungsbildes manifestieren. Moderne 3D Analysemodule in Kombination mit Elektromyographie und Pedobarometrie werden von uns so eingesetzt, dass man eine Beschreibung der kinematischen und kinetischen Vorgänge in den beteiligten Gelenken während der Bewegung erhält, die eine detaillierte Analyse der komplexen Bewegungen ermöglicht.

Bereits seit vielen Jahren begleiten wir rückenmarkverletzte Patientinnen und Patienten beim Training mit dem neuronal gesteuertem Exoskelett HAL® und konnten in mehreren Studien nachweisen, dass auch viele Jahre nach Eintritt einer Querschnittlähmung Verbesserungen z.B. hinsichtlich der Gehfähigkeit, des Blasen- und Darmmanagements, oder des Schmerzempfindens möglich sind.

• Zellkulturtechniken (primäre Zellen, Zelllinien, einschließlich mesenchymale Stammzellen / Lagerung in Flüssig-Stickstoff)
• Stammzellisolierung aus Gewebeproben (u. a. Aspirat, Nasenschleimhaut-Biopsien)
• Leukozyten-Isolierung aus Vollblut (Ficoll-Gradientenmethode)
• Zellviabilitäts- und Zellproliferationsassays (u. a. Lebend-Tot-Färbung, AlamarBlue, BrdU / Digitale Phasenanalyse, Fluoreszenzmikroskopie, Spektrophotometrie)
• Stammzell-Differenzierungsassays (osteogen, adipogen, chondrogen, neuronal)
• Chemotaxis-Assays (FluoroBlock-Transwell, FACS)
• Bildung reaktiver Sauerstoff-Metabolite (Fluoreszenzmikroskopie, FACS)
• Phagozytose-Assay und Makropinozytose-Assay (FACS)
• Zellepitop-Analysen (FACS, Immunhistochemie)
• Freisetzung von Zytokinen / Chemokinen / Wachstumsfaktoren (ELISA, semiquantitativer Dot-Array)
• Zellorganell-Markierung (Fluoreszenzmikroskopie)
• Apoptose-Assays (AnnexinV und TUNEL)
• Konfokale Laser Scanning Mikroskopie (CLSM)
• Mikrobiologische Methoden (Keime der Sicherheitsstufe 2 / MHK, MBK, Lebend-Tot-Assay, Quantifizierung)
• Probenreinigung mittels Ultraschall, UV, Autoklav
   

• Laminar-Air-Sicherheitswerkbänke
• (Zellkultur-)Brutschränke
• Inverse Mikroskope mit angeschlossener digitaler Bildgebung
• Kühl-Tischzentrifugen, Megafugen, Tisch-Minizentrifugen
• Labor-Kühlschränke & -Tiefkühler
• Wasserbäder, Schüttler, Heizplatten, Magnetrührer, Vortexer, (Fein-)Waage
• Fluoreszenzmikroskop Olympus BX61 (CellP-Software, automatische Stack-Aufnahmen)
• Fluoreszenzmikroskop Olympus MVX10
• Digitale Mikroskopkameras (Colorview, F-View)
• Konfokales Laser Scanning Mikroskop Zeiss LSM700 (inverser Aufbau)
• Attune NxT Durchflusszytometer (zwei Laser-Ausstattung)
• Kolonienzählgerät schuett colonyQuant
• UV-Sterilisationskammer
• Dichtemessung (Vitek DensiCheck, Eppendorf Photometer)
• Autoklav Systec DX-23
• Proben-Sputteranlage EMITECH K500
• Kritische-Punkt-Trocknung EMITECH K850
• Gefrier-Trocknungsanlage Lyovac GT2
• UV/VIS-Spektrophotometer Shimadzu UV mini 1240
• Fluoreszenz-Multiplatten-Lesegerät BMG FLUOstar OPTIMA
• Multiplatten-Lesegerät Dynex MRX Revelation
• Plate-Washer Dynex MRV
• Biomechanik-Prüfmaschine / Biomechanische Testungen
• Zebris Kraftmessplattform
• Noraxon Inertialsensor System
• Noraxon Ultium EMG System