Silk fibroin - a versatile and tunable biomaterial for tissue engineering and regenerative medicine

Abstract

Trotz der Verwendung von Seide als Nahtmaterial in der Medizin wurde es aufgrund von Unklarheiten/Bedenken über dessen Biokompatibilität und Abbau für Anwendungen im Tissueengineering als auch der regenerativen Medizin vernachlässigt. In dieser Dissertation wurde das Kernprotein des Seidenspinners Bombyx mori, das sogenannte Seidenfibroin (SF), als Rohmaterial für die Darstellung einer vorderen Kreuzband (VKB) Gerüststruktur und eines Nerventubus verwendet. Da Sericin, ein weiteres Protein in der Seidefaser, bekannt ist Immunreaktionen im menschlichen Körper auszulösen, muss es entfernt werden. In Kapitel I dieser Dissertation wird eine Methode unter Verwendung von Boratbuffer vorgestellt mit deren Hilfe man Sericin von kompakten und hochgeordneten Gerüststrukturen aus roher unbehandelter Seide entfernen kann, welches mit üblichen Methoden, die Natriumcarbonatlösungen verwenden, nicht gelingt. Die Modifizierung von SF mit dem Pflanzenlektin WGA (Weizenkeimagglutinin) zur Verbesserung/Beschleunigung der Zellanheftung, welches eine Translatierung von SF als Biomaterial in die klinische Anwendung als Teil eines einzelnen operativen Eingriffs ermöglichen könnte, ist in Kapitel II dargestellt. Kapitel III beschreibt eine neuartige Methode zur Darstellung eines Nerventubus. Dabei dient eine tubuläre gewebte Struktur aus roher Seide als Ausgangspunkt, welche durch eine aufeinanderfolgende Behandlung mit einem ternären Lösungsmittel (CaCl2/H2O/Ethanol), Ameisensäure und Methanol in ihren mechanischen und topographischen Eigenschaften so modifiziert wird, dass der resultierende anisotrope Tubus als Nerventubus verwendet werden kann. In Kapitel IV wird ein Bioreaktorsystem vorgestellt mit deren Hilfe man den Einfluss von mechanischer Stimulation auf das Proliferations- und Differentierungspotential von verschiedenen Zellen auf einer VKB Gerüststruktur untersuchen kann.<br />

Despite its frequent use as a suture material, Tissue Engineering (TE) and regenerative medicine have neglected silk as a biomaterial due to concerns about its biocompatibility and degradation.<br />In this doctoral thesis, silk fibroin (SF), the core protein of Bombyx mori silkworm thread, was used as raw material for the preparation of anterior cruciate ligament (ACL) and nerve guidance conduit (NGC) scaffolds. Silkworm silk requires the removal of sericin, since it has been known to elicit adverse immune responses in the human body. Chapter I of this thesis presents a method of removing sericin from a compact and highly-ordered raw silk-fiber matrix using borate buffer-based solutions as opposed to the classic sodium carbonate. Chapter II illustrates the modification of SF with the plant lectin wheat germ agglutinin (WGA), which could facilitate the translation of SF as a biomaterial into clinical applications by mediating cell adhesion in a time frame acceptable as part of a one-step surgical intervention. In Chapter III, a new production method is introduced that processes a braided tubular structure of raw silk with the ternary solvent CaCl2/H2O/Ethanol, formic acid and methanol to improve its mechanical and topographical characteristics, leading to an anisotropic conduit, favoring its use as an NGC. A bioreactor system is presented in Chapter IV that can be used to study the influence of mechanical stimulation on proliferation and differentiation potential of various cell types seeded on ACL scaffolds.