Zellkultivierung

Beschichtung für die Zellkultivierung

Multipotente und pluripotente Stammzellen sind ein wichtiger Ausgangspunkt für zukunftsweisende Therapien. Für ihre Kultivierung werden Materialien und Substrate benötigt, die zum einen kostengünstig sein müssen, aber auch einen sicheren Umgang ermöglichen. Die Zellen selbst brauchen für ihre Vermehrung eine geeignete Oberfläche zur Anhaftung. Um diese auch in geschlossenen Systemen zu erzeugen, entwickelt das Fraunhofer IST Beschichtungen mit Atmosphärendruck-Plasmaverfahren.

Atmosphärendruck-Plasmaverfahren für optimale Oberflächeneigenschaften

Die Steuerung der Zelladhäsion auf unterschiedlichen Materialien spielt für viele biologische Anwendungen wie Zellkultivierung und Differenzierung eine entscheidende Rolle. Gleichzeitig müssen Materialeigenschaften wie Sterilisierbarkeit, Biokompatibilität oder mechanische Stabilität gegeben sein. Zellspezifische Oberflächen bei Erhalt der ursprünglichen Materialeigenschaften lassen sich z. B. durch eine Beschichtung realisieren. Eine Möglichkeit bietet hier die dielektrisch behinderte Entladung (DBE) bei Atmosphärendruck. Mit dieser Technologie lassen sich zahlreiche inerte Oberflächen, wie Kunststoffe, Glas oder Siliziumwafer so modifizieren, dass die Materialien für adhärente Zellkulturen verwendet werden können. Kurze Prozesszeiten und der Verzicht auf Vakuum oder Lösungsmittel zeichnen den Prozess aus. Dadurch, dass unterschiedliche Schichtbildner eingesetzt werden können, lassen sich auf die Zellen angepasste Oberflächeneigenschaften, auch bei komplexer Substratgeometrie, realisieren. Daraus ergibt sich ein sehr hohes Anwendungspotenzial dieser Technologie für die Zellkulturtechnik.

Beispiel: Zellkultivierung im Beutel

Für die Kultivierung therapeutisch relevanter Zellen sind GMP-konforme Kultivierungssysteme von besonderer Bedeutung. Mit einem DBE-basierten Prozess bei Atmosphärendruck können in geschlossenen Kunststoffbeuteln zelladhärente Beschichtungen appliziert werden, ohne dass der Beutel während des Beschichtungsprozesses geöffnet werden muss, d. h. das System bleibt steril.

Beispiel: Regenerative Medizin

Im Bereich der regenerativen Medizin, z. B. für Knochenersatz, spielen biokompatible Stützstrukturen, sogenannte Scaffolds, eine wichtige Rolle. Auch hier bieten Atmosphärendruck-Plasmaverfahren eine vielversprechende Möglichkeit, die Oberflächen dieser dreidimensionalen Strukturen zu modi­fizieren, um die Besiedlung mit Zellen und somit die Ausbeute der Kultivierung zu verbessern.

Beispiel: Ortsselektive Zellkultivierung

Für bestimmte Zelltypen, z. B. Nervenzellen oder pluripotente Stammzellen, ist eine ortsselektive Veränderung der Ober­fläche von großem Interesse. Dies kann durch den sogenannten »Plasma-Printing«-Prozess erreicht werden. Durch an die gewünschte Struktur angepasste Elektroden sowie einer geeigneten Gasführung lassen sich mittels Atmosphärendruck-Plasmaverfahren nahezu beliebig strukturierte Schichten auf flache Substrate abscheiden. Eine auf die Zellen angepasste Oberflächenbeschichtung ermöglicht dann wiederum eine ortsselektive Zellkultivierung auf den unterschiedlichsten Substraten.

Ausblick

Insbesondere für therapeutisch relevante Zellen, die hohe Anforderungen an den Kultivierungsprozess stellen, ist eine Kombination der drei vorgestellten Anwendungsbeispiele von großem Interesse. Strukturiert behandelte Kunststoffbeutel könnten als GMP-konforme Systeme die Kultivierung pluripotenter Stammzellen deutlich vereinfachen. Auch die Beschichtung von Scaffolds in einem geschlossenen Beutel, prozessiert unter GMP-konformen Bedingungen, hat hohes Innovationspotenzial.

 

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