Die Topografie von Zellkultursubstraten hat einen entscheidenden Einfluss auf essentielle Zellfunktionen. Um diese nutzbar zu machen, wurden in einem interdisziplinären Team aus Fraunhofer Forschern Technologien entwickelt, die eine Serienherstellung mikro- und nanostrukturierter Oberflächen für die Kultivierung von Zellen ermöglicht.

Zellen kennen Strukturen im Körper

Gewebezellen sind im Körper von einer extrazellulären Matrix (ECM) umgeben. Je nach Gewebetyp hat die ECM unterschiedliche Eigenschaften: so ist sie beispielsweise im Knochen sehr fest und kann schwere Belastungen aushalten, wohingegen die ECM des Bindegewebes sehr elastisch und quellfähig ist [1]. Auch die Strukturen und Topographie der ECM unterscheiden sich stark zwischen den verschiedenen Geweben [2]. Die Geometrien der strukturgebenden Komponenten der ECM sind insbesondere faserförmig (technisch Rillen und Stege), porös (technisch Poren und Noppen) und kristallin (technisch Pyramiden).

Biomaterialforschung - Verstehen und Nachahmen der Natur

Zentrales Thema in der Biomaterialforschung ist die Untersuchung von Materialien, die in direktem Kontakt mit biologischen Systemen stehen. In Bezug auf die Kultivierung von Zellen und den Aufbau von Geweben im Labor - dem Tissue Engineering - spielt hierbei die Kenntnis zu spezifischen Wechselwirkungen zwischen Zellen und Biomaterialien mit verschiedenen Eigenschaften eine wichtige Rolle [3]. Deshalb ist ein wesentlicher Bestandteil der Biomaterialforschung die Erzeugung von strukturierten Oberflächen im Nano- und Mikrometerbereich. Viele Studien belegen, dass Zellen diese Strukturierungen wahrnehmen und auf sie reagieren. Beschrieben wurden Änderungen u.a. in der Adhäsion der Zellen, der Vermehrung, Morphologie, Migration und Differenzierung [4], [5]. Auch Strukturen, auf denen sich keine Zellen anheften und vermehren können sind von großem Interesse, um beispielsweise bei Implantaten eine Überwucherung mit unerwünschten Zellen zu vermeiden. Die in bisherigen Untersuchungen verwendeten Substrate sind dabei in kleinen Stückzahlen gefertigte, versuchsspezifische Formate und eignen sich nur eingeschränkt für den breiten Einsatz in der Zellkultivierung.

Deshalb stand im Rahmen eines interdisziplinären Fraunhofer Forschungsprojektes die Entwicklung von Strukturgeometrien und einer entsprechenden Prozesskette für die Serienfertigung mikro- und nanostrukturierter Zellkulturoberflächen im Fokus.

Je kleiner desto schwerer

Technische Herausforderungen in der Mikro- und Nanometerstrukturierung sind hoch.

Aufgrund der erforderlichen Strukturgrößen im einstelligen Mikrometer- bzw. im Nanometerbereich, erfordert die Strukturierung von Zellkulturoberflächen bisher erheblichen Fertigungsaufwand. In der Regel werden die strukturierten Substrate dann für sehr spezifische Forschungsanwendungen eingesetzt, wodurch die Herstellung auf geringe Stückzahlen beschränkt ist. Die fehlende Serienherstellung aber verhindert einen breiten wissenschaftlichen und vor allem kommerziellen Einsatz strukturierter Zellkulturoberflächen. Darüber hinaus steht die spezifische Einzelfertigung in einem erheblichen Missverhältnis zu den für eine effektive Zellkultur benötigten

• hohen Stückzahlen an sterilen Einwegkomponenten,
• flexiblen Oberflächengestaltungen für effektive Vergleichsstudien
• kurzen Lieferzeiten für die schnelle Umsetzung aktueller Forschungsergebnisse.

Serienfertigung strukturierter Polymeroberflächen durch Hitze und Druck

Im Gegensatz zu bisherigen Forschungsarbeiten konzentrierten sich die Arbeiten der Fraunhofer Forscher deshalb auf die simultane Entwicklung von geeigneten Oberflächenstrukturen und einer entsprechenden Prozesskette zur Fertigung dieser Strukturen in hohen Stückzahlen bei reproduzierbarer Qualität. Die Verbindung innovativer Werkzeugtechnologie mit etablierten Verfahren der Kunststofftechnologie ermöglicht dabei die Vervielfältigung von Strukturen unterschiedlichster Geometrien und Größen im einstelligen und Submikrometerbereich in biokompatiblen Polymeren. Der gezielte Einsatz von Um- und Urformverfahren erlaubt sowohl die nachträgliche Strukturierung bestehender Zellkulturgefäße wie beispielsweise Petrischalen, als auch die Fertigung strukturierter Einlagen für Standard Zellkulturgefäße wie Multiwellplatten mit verschiedenen Welldurchmessern (Abb. 1). Die Oberflächen können je nach Verwendungszweck sowohl mit einem kontinuierlichen Muster als auch mit unterschiedlichen Geometrien in unmittelbar benachbarten Feldern strukturiert werden (Abb. 1).

Letzteres ermöglicht beispielsweise den effektiven Vergleich der Auswirkungen unterschiedlicher Strukturen auf einen bestimmten Zelltyp bei exakt gleichen Kultivierungsbedingungen. Derart identifizierte Strukturen können dann in Form von gleichmäßig strukturierten Schalen oder Einlagen einer breiten Anwendung zugeführt werden.