Diese Arbeit bezieht 6 Originalstudien aus den Jahren 2016–2024 ein, an denen Teams aus China, Großbritannien, den USA, Irland und Südkorea sowie deren Kooperationen beteiligt waren, und stellt eine narrative Übersicht dar. Als Beispiel für „andere Gewebe“ werden Skelettmuskelkulturen genannt. Die ausgewählte Literatur deckt Material-, In-vitro- und Tierstudien ab, enthält jedoch keine Humanstudien zur Wirksamkeit.
01Sehnen, Knorpel und Muskeln erfordern unterschiedliche strukturelle Lösungen
Für all diese Bereiche können Faserstrukturen verwendet werden, jedoch darf nicht derselbe Bewertungsmaßstab „je besser die Leistung, desto besser“ gelten. Forschungen zu Sehnen und Bändern konzentrieren sich häufig auf die Zugfestigkeit entlang der Achse und die Zellanordnung; Knorpelforschungen müssen gleichzeitig Kompression, Schichtstruktur und Matrixbildung berücksichtigen; Forschungen zu Skelettmuskeln verknüpfen Zellanordnung, Myotubenbildung mit der Ko-Kultur gefäßbezogener Zellen.1,2,3,4,5,6
| Anwendungsbereiche | Strukturformen in der Forschung | Zugehörige Bewertung |
|---|---|---|
| Reparatur von Sehnen und Bändern | Ausgerichtete Membranen, gewickelte Faserbündel, gewebte oder elektrogesponnene Verbunde | Zugfestigkeit, Gewebeinfiltration, Kollagenanordnung und Reparaturstärke 1,2 |
| Knorpel-Tissue-Engineering | Zonengliederte Gerüste, faserverstärkte Matrizen, Kern-Schale-Träger | Kompression, Zellphänotyp, Knorpelmatrix und Defektreparatur 3,4,5 |
| Skelettmuskel-Tissue-Engineering | Ausgerichtete Fasern und Stützgerüste, Zell-Ko-Kultur | Anordnung der Muskelzellen, Myotubenbildung und Differenzierungsmarker 6 |
Zudem ist zwischen Gerüsten für die Sehnenreparatur und Membranen zur postoperativen Adhäsionsprophylaxe bei Sehnen zu unterscheiden. Erstere sollen das Einwandern der Zielzellen und die Bildung eines geordneten Gewebes ermöglichen, während Letztere auf die Isolation umgebender Gewebe und den Schutz gleitender Oberflächen abzielen. Selbst bei identischem Materialnamen können die Porenstrukturen und Oberflächeneigenschaften der beiden Produkttypen unterschiedlich sein; diese Arbeit befasst sich mit Strukturen zur Gewebereparatur.1,2
02Welche Funktion übernimmt das Elektrospinnen in Verbundgerüsten?
Die elektrogesponnene Schicht kann die Hauptstruktur bilden oder lediglich die Kontaktführung, die Grenzflächenregulierung oder die lokale Freisetzung übernehmen. Ausgerichtete Membranen können weiter zu Bündeln gewickelt und mit aus dickeren Garnen gewebten Strukturen kombiniert werden; bei der Anwendung für Knorpel können die elektrogesponnenen Fasern auch zu Kurzfasern zerkleinert und einer druckbaren Matrix beigefügt werden. Vor der Wahl des Verfahrens sollte festgelegt werden, ob die Fasern kontinuierlich bleiben, zu Bündeln geformt, schichtweise angeordnet oder als Verstärkungskomponente dispergiert werden sollen.1,2,4
Besonders beachtenswert sind Studien zu Kombinationen mehrerer Verfahren. Gewebte Gerüste oder gedruckte Strukturen können Formen und Stabilität im größeren Maßstab bereitstellen, während feine Fasern die lokale Umgebung für den Zellkontakt steuern. Der Gesamteffekt hängt vom gesamten Verbundsystem ab; daher müssen die Faserorientierung, die Porosität, die Grenzflächenbindung und die mechanischen Eigenschaften im feuchten Zustand gemeinsam überprüft werden. Die Gesamtleistung eines Verbundgerüsts darf nicht allein einem Gerät oder einem einzelnen Verfahren zugeschrieben werden.2,3,4,6
03Sehnen und Bänder: Von ausgerichteten Membranen zu zonengliederten Verbundgerüsten
Dasselbe PCL mit veränderter Anordnung und Wickelweise
Pauly et al. verglichen im Jahr 2016 flache Membranen aus zufällig oder ausgerichtet angeordneten PCL-Fasern mit zusammengerollten Faserbündeln und untersuchten den Einfluss der geometrischen Form auf die mechanischen Eigenschaften und das Zellverhalten. Die Studie stellte fest, dass sich Modulus, Fließverhalten und Zellstreckung je nach Struktur unterschieden; Adipozyten-stammzellen blieben während der 7-tägigen Kultur aktiv und proliferierten. Diese Material- und In-vitro-Studie zeigt, dass die Anordnung der Fasern an sich eine Designvariable darstellt und nicht lediglich die Polymerzusammensetzung.1
Die Arbeit setzt einige mechanische Kennwerte in Beziehung zum Bereich natürlicher Bänder, was jedoch nicht bedeutet, dass die Faserbündel bereits in der Lage sind, Bänder im menschlichen Körper zu ersetzen. Für Reparaturstrukturen, die langfristig wiederholten Zugbelastungen ausgesetzt sind, müssen die anfänglichen Zugergebnisse zudem mit den Bedingungen im feuchten Zustand, der Ermüdung, der Befestigungsart und der Integration in das Gewebe verknüpft werden.1
Die Stützschicht schrittweise öffnen und gleichzeitig Orientierungshinweise beibehalten
Xie et al. kombinierten im Jahr 2024 eine aus PGA und Seide bestehende, gradientenabbauende Gewebeschicht mit einer elektrogesponnenen Schicht, die eine gerichtete Führung bot. Die schneller abbaubaren Komponenten bildeten schrittweise Eintrittskanäle, während die elektrogesponnene Schicht in verschiedenen Phasen Hinweise für die Anordnung von Zellen und Kollagen lieferte. Die Studie beobachtete die Gewebeinfiltration und -anordnung in einem Rattenmodell mit Achillessehnendefekt und führte nach 8 Wochen eine mechanische Bewertung durch, wobei eine Verbesserung der Reparatur berichtet wurde.2
Die Erkenntnis dieser Tierstudie besteht darin, die „Struktur bei der Implantation“ und die „Struktur nach dem Abbau“ als kontinuierlichen Prozess zu konzipieren. Eine bloße Vergrößerung der anfänglichen Poren oder eine Erhöhung der Dicke der Nanofasern kann das Gleichgewicht zwischen Stützung und Zelleinwanderung verändern; daher muss das gesamte Verbundgerüst über die Zeit beobachtet werden.2
04Knorpelreparatur: Von zonengliederten Strukturen zu faserverstärkten Matrizen
Durch Verfahrenskombinationen unterschiedliche Strukturzonen bilden
Ein britisches Team um Munir et al. kombinierte im Jahr 2019 Niedertemperatur-Druckverfahren mit Elektrospinnen, um ein mehrzoniges PCL-Gerüst mit unterschiedlichen Faserorientierungen und Porenstrukturen zu konstruieren. Mesenchymale Stammzellen hafteten und überlebten während der 4-wöchigen In-vitro-Kultur und behielten ihre glykosaminoglykanbezogenen Eigenschaften bei. Die Studie unterstützt die Erforschung zonierter Strukturen als Plattform für die Knorpelkultur; sie beweist jedoch nicht direkt, dass die Gelenkknorpelfunktion bei Tieren oder Patienten bereits wiederhergestellt wurde.3
Kurze elektrogesponnene Fasern können ebenfalls als Verstärkungskomponente in 3D-Gerüsten dienen
Weiming Chen et al. berichteten im Jahr 2020, dass elektrogesponnene Gelatine-/PLGA-Fasern zu dispergierten Kurzfasern verarbeitet und einer druckbaren Tinte aus dezellularisierter Knorpelmatrix beigefügt wurden. Das daraus hergestellte Gerüst vereinte eine definierte Form, eine interne Porenstruktur und mechanische Eigenschaften im feuchten Zustand und berichtete über eine verbesserte Reparatur in einem Kaninchenmodell für Gelenkknorpeldefekte. Das Elektrospinnen diente hier hauptsächlich als Verstärkungskomponente; das Endprodukt setzte sich aus Fasern, dezellularisierter Matrix und dem anschließenden Formgebungsprozess zusammen.4
Kern-Schale-Fasern bringen die lokale Freisetzung in die Untersuchung von Chondrozyten ein
Wei Chen et al. kapselten im Jahr 2020 Glucosamin-Sulfat mittels koaxialem Elektrospinnen in PCL-Fasern ein und untersuchten die Struktur, die Freisetzung sowie die In-vitro-Reaktion von Chondrozyten aus dem Gelenkknorpel von Ratten. Die Ergebnisse stützen die Untersuchung, dass dieses Material unter bestimmten Kulturbedingungen das Zellwachstum fördert, doch die Evidenz beschränkt sich auf die zelluläre Ebene. Das Forschungsziel der „Knorpelregeneration“ darf nicht direkt als bereits erfolgte Reparatur von Knorpeldefekten formuliert werden.5
05Forschung zum Skelettmuskel: Ausrichtung und Zellkoordination erfolgen gleichzeitig
Ein koreanisches Team kombinierte in Yeo und Kim im Jahr 2020 zelluläres Elektrospinnen mit dem Drucken von 3D. Auf einer PCL/-Kollagen-Stützstruktur wurden Alginatfasern mit humanen Nabelschnurvenen-Endothelzellen (HUVECs) hergestellt, woraufhin C2C12-Myoblasten zur Ko-Kultur hinzugefügt wurden. Die Studie beobachtete Verbesserungen bei der Zellorientierung, der myotubulären Morphologie und der Expression myogener Gene und verknüpfte so Hinweise zur Faserrichtung mit der Koordination zwischen verschiedenen Zelltypen.6
Dabei handelt es sich um eine In-vitro-Plattform für das Tissue Engineering von Skelettmuskeln. Die Beteiligung von Endothelzellen in der Kultur darf nicht als bereits etablierte perfundierbare Gefäßstruktur interpretiert werden, und aus Myotubul-Markern lassen sich keine Rückschlüsse auf die Wiederherstellung der Muskelkraft ziehen. Die Bedeutung für die Materialentwicklung besteht darin, untersuchbare Variablen zu benennen: Wie wird die Stützstruktur fixiert, wie leiten die Fasern die Zellen, welche Zelltypen werden wo platziert und wie lassen sich die Wechselwirkungen überprüfen?6
Zelluläres Elektrospinnen unterscheidet sich zudem vom Verfahren, bei dem zunächst zellfreie Fasern hergestellt und anschließend Zellen darauf angesiedelt werden. Erstere Methode erfordert eine gezielte Gestaltung unter Berücksichtigung des lebenden Zellzustands, der Bio-Tinte und der Umgebungsbedingungen; die Prozessparameter des herkömmlichen lösungsmittelbasierten Elektrospinnens lassen sich nicht direkt auf lebende Zellsysteme übertragen.6
06Von struktureller Ähnlichkeit zur Gewebefunktion: Die Evidenz muss schrittweise verknüpft werden
Diese Arbeiten zeigen gemeinsam den gestalterischen Wert von Faserausrichtung, Zonierung und Kompositen, beantworten jedoch unterschiedliche Forschungsfragen. Die Faserbündel von Pauly, der mehrzonige Knorpelgerüst von Munir, die Kern-Schale-Fasern mit Glucosamin-Sulfat sowie die Ko-Kultur-Plattform von Yeo basieren hauptsächlich auf Materialien oder In-vitro-Experimenten; der Achillessehnen-Gerüst von Xie und der Knorpel-Komposit-Gerüst von Weiming Chen wurden darüber hinaus in entsprechenden Tiermodellen mit Defekten untersucht.1,2,3,4,5,6
Die geordnete Kollagenstruktur der Sehne, die Glykosaminoglykane oder Kollagen Typ II des Knorpels sowie die myogenen Marker des Muskels tragen zum Verständnis des Reparaturprozesses bei, können jedoch weder einander ersetzen noch allein die langfristige Funktion repräsentieren. Bei der Interpretation der Ergebnisse sind Gewebeart, Tierart, Beobachtungszeitraum und Kontrollbedingungen zu berücksichtigen. Die in dieser Arbeit ausgewählten Publikationen enthalten keine klinischen Wirksamkeitsstudien am Menschen; daraus lässt sich nicht ableiten, ob in dem gesamten Fachgebiet weitere Studien am Menschen existieren.1,2,3,4,5,6
07Gewebliche Anforderungen in herstellbare und überprüfbare Proben überführen
Bei der Ausrichtung von Sehnen sollte zunächst angegeben werden, ob es sich um eine flache Membran, ein gerolltes Faserbündel oder ein gewebtes Komposit handelt, ebenso wie die vorherrschende Belastungsrichtung und die Fixierungsmethode. Bei Knorpel können Dicke, Zonierung, Kompressionsanforderungen sowie die Frage, ob die Fasern mit einem Hydrogel oder einer entzellularisierten Matrix kombiniert werden sollen, beschrieben werden. Bei der Kultivierung von Skelettmuskeln kann mit den Zelltypen, ihrer Ausrichtung und der Kulturstütze begonnen werden. Unterschiedliche Informationen erfordern unterschiedliche Sammel- und Kompositkonfigurationen.
Bei orientierten Proben sind die Verteilung der Faserrichtung sowie die axialen und transversalen Unterschiede zu dokumentieren. Bei geschichteten Gerüsten sind die Verbindungen zwischen den Schichten und die Verformung im befeuchteten Zustand zu prüfen. Bei kurzfaserverstärkten Systemen sind die Faserdispersion und die Längenverteilung zusammen mit dem nachfolgenden Formgebungsprozess zu bewerten. Bei kontinuierlicher Herstellung oder Vergrößerung der Fläche ist zudem zu prüfen, ob an verschiedenen Positionen eine vergleichbare Struktur erhalten bleibt, damit Durchschnittswerte lokale Unterschiede nicht verschleiern.
Restlösungsmittel, Reinigung, Sterilisation und deren Auswirkungen auf die Biokompatibilität müssen in Verbindung mit dem jeweiligen Materialsystem untersucht werden. Sind Proteine, Wirkstoffe oder lebende Zellen enthalten, sollten zudem deren Aktivität und die Toleranz gegenüber den jeweiligen Behandlungen verifiziert werden. Nur wenn Prozessdokumentation, strukturelle Untersuchungen und biologische Bewertungen aufeinander abgestimmt sind, lässt sich bestimmen, worauf Unterschiede zwischen den Proben zurückzuführen sind, und darauf basierend die Leistungsfähigkeit der Ausrüstung erörtern.1,2,3,4,5,6
08Häufige Probleme bei der Entwicklung von Gerüsten für Sehnen, Knorpel und Muskeln
Reicht orientierte Fasern aus, um eine Sehnenregeneration zu erreichen?
Die Orientierung ist ein wertvoller struktureller Hinweis, muss jedoch mit der Zellintegration, der Stabilität der Stütze und der Geweberemodellierung abgestimmt werden. In-vitro-Ergebnisse von flachen Membranen und die Reparatur eines vollständigen Achillessehnen-Defekts gehören zu unterschiedlichen Evidenzstufen.1,2
Kann Elektrospinnen nur dünne Membranen herstellen?
Nein. In der Literatur finden sich sowohl gerollte Faserbündel als auch dreidimensionale Gerüste, die mit gewebten oder gedruckten Strukturen kombiniert sind, sowie Kurzfasern als Verstärkungskomponente. Die endgültige Form muss entsprechend dem Anwendungszweck festgelegt und mit den erforderlichen Nachbehandlungen verknüpft werden.1,2,3,4
Muss ein Knorpelgerüst zwingend eine Kern-Schale-Struktur zur Wirkstofffreisetzung aufweisen?
Nicht zwangsläufig. Zonierung, geometrische Gestaltung, Faserverstärkung und lokale Freisetzung stellen unterschiedliche Forschungsansätze dar. Zunächst sollte geklärt werden, ob es um die Zellverteilung, die Stütze im befeuchteten Zustand oder die Abgabe biologischer Komponenten geht; anschließend kann die entsprechende Struktur gewählt werden.3,4,5
Literaturverzeichnis
Im Folgenden werden die in dieser Arbeit verwendeten Originalstudien aufgeführt, die von TONGLI eigenständig zusammengefasst wurden. Die Interpretation der Literatur bedeutet nicht, dass die Autoren der Studien, die Forschungseinrichtungen oder TONGLI in einer Beschaffungs- oder Kooperationsbeziehung stehen. Der konkrete Lesereichweite entnehmen Sie bitte die jeweiligen Literaturhinweise.
Bibliografische Angaben bleiben für eine eindeutige Suche in der Originalsprache erhalten.
Pauly HM, Kelly DJ, Popat KC, et al. Mechanical properties and cellular response of novel electrospun nanofibers for ligament tissue engineering: Effects of orientation and geometry. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2016;61:258–270.
DOI：10.1016/j.jmbbm.2016.03.022 ↗Lesumfang: Lokale Originalvolltexte sowie Überprüfung von PubMed und den Angaben zu den Autoreninstitutionen
Xie X, Wang X, Ding D, et al. Multilayer woven scaffolds with gradient degradation and nano guidance properties for tendon reconstruction: Continuously promoting tissue infiltration and inducing tissue alignment. Nano Today. 2024;56:102277.
DOI：10.1016/j.nantod.2024.102277 ↗Lesumfang: Lokale Originalvolltexte, Überprüfung der Web-/Elektrospinnverfahren, des Ratten-Achillessehnen-Modells sowie der mechanischen Bewertung nach 8 Wochen; Abgleich mit den Zeitschriftenseiten
Munir N, McDonald A, Callanan A. A combinatorial approach: Cryo-printing and electrospinning hybrid scaffolds for cartilage tissue engineering. Bioprinting. 2019;16:e00056.
DOI：10.1016/j.bprint.2019.e00056 ↗Lesumfang: Lokale Originalvolltexte sowie Zeitschriftenzusammenfassungen; die lokalen Unterlagen enthalten eine ergänzende Korrektur zur Interessenkonflikterklärung von 2020
Chen W, Xu Y, Li Y, et al. 3D printing electrospinning fiber-reinforced decellularized extracellular matrix for cartilage regeneration. Chemical Engineering Journal. 2020;382:122986.
DOI：10.1016/j.cej.2019.122986 ↗Lesumfang: Lokale Originalvolltexte sowie Abgleich mit den Originalzusammenfassungen, Methoden und Schlussfolgerungen der Zeitschrift
Chen W, Wang C, Gao Y, et al. Incorporating chitin derived glucosamine sulfate into nanofibers via coaxial electrospinning for cartilage regeneration. Carbohydrate Polymers. 2020;229:115544.
DOI：10.1016/j.carbpol.2019.115544 ↗Lesumfang: Lokale Originalvolltexte sowie Abgleich von PubMed mit der Zeitschriftenzusammenfassung; In-vitro-Experimente mit Chondrozyten
Yeo M, Kim G. Micro/nano-hierarchical scaffold fabricated using a cell electrospinning/3D printing process for co-culturing myoblasts and HUVECs to induce myoblast alignment and differentiation. Acta Biomaterialia. 2020;107:102–114.
DOI：10.1016/j.actbio.2020.02.042 ↗Lesumfang: Lokale Originalvolltexte sowie Zusammenfassung von PubMed; In-vitro-Zellko-Kultur
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