Cicha, K. (2009). Entwicklung eines Bioreaktors für künstliche Kreuzbänder [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/184792
Verletzungen des Kniegelenks liegen bei den Sportverletzungen (stationär behandelte Verletzungen in Krankenhäuser) unangefochten an erster Stelle. Eine der häufigsten Knieverletzungen ist die Beschädigung (Einriss, Ruptur) des vorderen Kreuzbandes. Der Bandapparat des Knies (Kreuzbänder und Seitenbänder) ist ein außerordentlich komplexes System mit vielfältigen Aufgaben. Unter anderem spielen die Bänder des Kniegelenks (besonders die Kreuzbänder) bei der Bewegung des Knies eine ganz zentrale Rolle. Die momentan verwendeten Verfahren und Transplantate (Autografts und Allografts) weisen alle gewisse Nachteile auf. Mit künstlichen Bandmaterialien konnten bis jetzt noch keine zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden. Die Probleme liegen dabei besonders im Bereich der Langzeitstabilität und der erzielbaren Festigkeiten. Aus diesem Grund ist es eine besonders schwierige Herausforderung einen guten Kreuzbandersatz zu entwickeln, welcher vergleichbare mechanischen Eigenschaften wie das natürliche vordere Kreuzband aufweist und dabei keine Abstoßungs- oder Entzündungsreaktionen hervorruft.<br />Ein möglicher Ansatz hierfür liegt in der Züchtung von Bandgewebe, welche sich aus körpereigenen Fettstammzellen züchten lässt. Stammzellen sind Körperzellen, die noch keine Differenzierung vollzogen habe, jedoch zu einer Differenzierung (hin zu verschiedenen Zelltypen - wie z.B.<br />Fribroblasten) in der Lage sind und das Vermögen der Selbstheilung besitzen. Als Trägergerüst für die Fettstammzellen dient dabei ein Bandgerüst aus degummierter Seide (d.h. mit entferntem Sericinmantel).<br />Es war das Ziel dieser Arbeit einen Bioreaktor zu entwickeln, welcher den Zellen eine geeignete Umgebung bietet und zusätzlich eine mechanische Stimulation zur Differenzierung der Zellen aufbringen kann.<br />Weiters galt es die verwendeten Seidenscaffolds hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften (Steifigkeit, Festigkeit, Dauerfestigkeit) zu charakterisieren.<br />Der Aufbau des Bioreaktors kann in fünf Hauptbereich unterteilt werden - der Trägeraufbau mit den Trägerplatten (Gerüst), Antriebe und Antriebshalterungen, andererseits die Vesselführung mit den Stirnrädern, der Spanneinheit und der Kraftmesseinrichtung, weiteres die Vesselelemente mit der Klemmung, Nährstoffzuführung und Glashülse, die Energieversorgung mit Netzteilen, Leistungsendstufen und Schnittstellen- bzw. Steuerkarten und zuletzt die Steuerung. Bei der Auslegung musste darauf geachtet werden, dass die Abmessungen des Bioreaktors nicht zu groß geraten, da der Bioreaktor in einem Inkubator Platz finden muss.<br />Eine weitere Vorgabe war eine möglichst große Flexibilität, um den Bioreaktor über dieses Projekt hinaus betreiben zu können. Weiters ist eine möglichst große Anzahl an Proben nötig, um statistisch haltbare Aussagen treffen zu können. An die Steuerung gibt es die Vorgabe der Einfachheit und Bedienerfreundlichkeit, um Verwechslungen und Probleme bei der Handhabung zu minimieren.<br />
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In the ranking of the most common sport injuries, which require inpatient hospital treatment, injuries of the knee joint hold the leading position. One of the most common knee injuries is damage (initial tearing, rupture) to the anterior cruciate ligament. The ligaments of the knee (cruciate and collateral ligaments) have manifold functions and play an important role in the movement of the knee (flexion, extension, rotation). The grafts (autografts and allografts) and methods, which are used nowadays, exhibit certain disadvantages.<br />Results taken from experiments with artificial grafts have, thus far, shown disappointing outcomes (especially regarding long term resistance). Therefore it is a particularly demanding challenge to try to develop a satisfying substitute for the human anterior cruciate ligament, having similar mechanical properties as a human ligament, without effecting antigenic or inflammatory reactions.<br />We chose to approach this problem by breeding fibroblasts, out of human adipose stem cells. Stem cells are body cells, which are able to differentiate (e.g. into fibroblasts) and self heal, but haven't differentiated yet. These human adipose stem cells are cultivated on a scaffold, built out of degummed silk (i.e. silk with removed sericin coating).<br />It was the goal of this work to develop a novel bioreactor, which could provide the necessary environments for the cells and apply mechanical biaxial stimulation (translational elongation and rotatory twist).<br />Furthermore it was essential to characterise the mechanical properties (young's modulus, stiffness, breaking load endurance strength) of the silk scaffolds.<br />The bioreactor can be divided into five main groups - the frame construction consisting of the frame plates and the step motors plus the motor attachment parts, the vessel manipulation with the gear wheel, the pre-load unit and the load cell, the vessel elements containing the clamp, the nutrition supply and the glass tube, the energy supply with the power supply unit, the amplifier and the control/wiring boards and lastly the controlling system. While developing, several requirements had to be considered: in order to be able to put the bioreactor in an incubator, the dimensions of the bioreactor had to be small enough.<br />Other requirements were a high flexibility and large amount of samples, for statistically reliable results. Simplicity and user friendliness were the requirements for the controlling system.
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Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers