Autonomer Bioreaktor mit mikrosensorischer online Überwachung, digitaler Feedback-Regelung und Kompressions-Aktuierung für künstliche Knochengewebe (BioBone)

Third party funded individual grant


Acronym: BioBone

Start date : 15.02.2022

End date : 14.02.2025


Project details

Short description

Ziel von BioBone ist ein neuartiger Smart Reaktor mit Kompressions-Aktorik und Perfusions-Steuerung sowie

technischen Rezeptoren zur Regelung, Steuerung und Monitoring der Zucht von artifiziellen 3DKnochengewebe.

Scientific Abstract

Das Ziel des Projekts BioBone ist die Realisierung eines innovativen Reaktorkonzepts (Smart Reaktor) mit

Kompressions-Aktorik und Perfusions-Steuerung sowie neuartiger Sensorik zur kontrollierten Zucht von

artifiziellem, pseudo-vaskularisiertes 3D-Knochengewebe. Die neuartige Sensorik liefert als technischer

Rezeptor Informationen zu den wesentlichen physiologischen Parametern aus den inneren, ansonsten

unzugänglichen Bereichen, des Gewebes. Die Messwerte dieser neuartigen Sensoren/Rezeptoren werden

analog zu den biologischen Botenstoffen genutzt, um die Zufuhr von Nährstoffen bedarfsgerecht nach zu

regeln. Die Simulation mechanischer Belastungen durch Kompression induzieren im Knochengewebe

biochemische und -physikalische Prozesse, die für den Aufbau von künstlicher Knochensubstanz mit

ausreichender Qualität und Robustheit essenziell sind. Obwohl die physiologischen Grundlagen zu dem

Phänomen, dass mechanische Beanspruchung den Aufbau und die Stärkung von Knochensubstanz fördert,

gut verstanden sind, ist bislang ein effizienter Wissenstransfer in eine in vitro Bioprozessumgebung zur

Herstellung von künstlicher 3D Knochensubstanz nicht gelungen. Dies ist angesichts des immensen Bedarfs

an künstlichem Knochengewebe ein eklatanter Missstand in der Regenerativen Medizin und Orthopädie. Der

geplante Smart Reaktor des Projekts BioBone soll diese Technologielücke schließen. Neben Kompressions-

Aktorik und Perfusions-Steuerung wird der BioBone Smart Reaktor mit neuartigen technischen Rezeptoren

versehenen sein, wodurch kontrollierte Belastungsvarianten erzeugt werden können, um positive Effekte auf

die Proliferation der Zellen und funktionelle osteogene Differenzierung zu bewirken. Im Ergebnis sollen

Knochenkonstrukte (bone grafts) mit hoher, kontrollierter und gleichbleibender Qualität erzeugt werden

können.

PreSens wird im Projekt neue O2, pH und CO2 Sensormaterialien zur Verwendung in den neuartigen optoelektronischen

Rezeptoren zur Erfassung energiemetabolischer Parameter innerhalb von 3D

Gewebekonstrukten erforschen und anschließend auf 3D-gedruckte Lichtleiter als Informationsleitung

aufbringen. Über zu etablierende optische Schnittstellen werden die Sensorsignale an ein zu erforschendes

Detektionssystem mit opto-elektronischer Ausleseeinheit und Software zur Digitalisierung der Signale

übertragen und dort analysiert. Durch die Echtzeitüberwachung zentraler metabolischer Parameter (O2, pH,

CO2) mittels der neuartigen opto-elektronischen Rezeptoren bei der Anzucht künstlicher Knochengewebe im

Bioreaktor, wird zudem ein besseres Verständnis der Gewebereifung und dadurch schlussendlich eine

effektivere Knochenbildung erreicht werden.

Die 2mag AG wird auf Basis eines Testreaktors "cell compression device" ein im Hinblick auf die

Kraftübertragung und Fluidik optimiertes Reaktorkonzept erforschen. Wichtiges Augenmerk liegt hierbei auf der

Langzeitsterilität des Reaktors sowie der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Diese Arbeiten erfolgen in enger

Kooperation mit dem Partner MBT der FAU Erlangen, an welchem Simulationsmodelle der Kompression, der

Krafteinwirkung und des Perfusionsverhaltens etabliert werden.

Der Lehrstuhl Medizinische Biotechnologie (MBT) der FAU Erlangen stellt Zellkultur-Infrastruktur und Knowhow

im Bereich Scaffolds für in vitro Gewebezucht und biochemische und mikroskopische Nachweisverfahren

sowie einen ersten Test-Bioreaktor bereit. Die technischen Sensoren von PreSens sollen in eine „bone graft“

Umgebung eingebunden und der Test-Bioreaktor in enger Zusammenarbeit mit der 2mag weiterentwickelt

werden. Ferner soll eine Steuerungs-Optimierung mit Einrichtung einer Daten Feedback-Schleife aus

Mikrosensorik zurück zur Bioreaktor-Kompression/-Fluidik eingerichtet werden. Ziel ist ein selbstlernendes

System, das autonom die Aktorik und Fluidik reguliert, wobei Methoden künstlicher Intelligenz eingesetzt

werden.

Involved:

Contributing FAU Organisations:

Funding Source