Bearbeiter: Priv.-Doz. Dr.-Ing. Marcus Stoffel, M.Sc. Bei Zhou, Dipl.-Ing. Jeong Hun Yi

Bioreaktoren dienen zur Ermittlung der verstärkten Zellaktivität infolge mechanischer Belastung. Die Zellaktivität im mechanisch stimulierten Gewebe äußert sich durch zusätzliche Proteinbildung, die wiederrum ein Faserwachstum zur Folge hat. Dieser Effekt führt zu einer Anpassung an die äußere mechanische Belastung und damit zu einer Steifigkeitserhöhung des biologischen Materials. Die Art und die Größenordnung der Faserneubildung sind für den klinischen Einsatz von großer Bedeutung. Desweiteren legen die experimentellen Untersuchungen im Bioreaktor die Grundlage für theoretische und numerische Modellierungen des Knorpelersatzmaterials.
In Abb. 1 ist ein Bioreaktor dargestellt, in dem vier zylindrische Druckproben gleichzeitig mechanisch in vertikaler Richtung stimuliert werden. Die Proben befinden sich in Vertiefungen, die ein seitliches Verrutschen während der Belastung vermeiden, siehe Abb. 2.

Abb. 1: Bioreaktor



Abb. 2: Stempel mit Einsatz für Proben



Die mechanische Stimulation wird durch einen Stempel vollzogen, der durch eine exzentrisch gelagerte Scheibe zyklisch bewegt wird.
Da der Bioreaktor unter sterilen Bedingungen betrieben werden muss, werden die Proben in einer zylindrischen Kammer (siehe Abb. 1 und 2) kultiviert. Oberhalb der Kammer wird zusätzlich die Durchführung der Stange, die den Stempel bewegt, gegen Keime abgedichtet.
Während des Bioreaktorbetriebs werden die Anzahl der Zyklen mittels einer Gabellichtschranke aufgezeichnet. Außerdem befindet sich unter der Probenlagerung eine nachgiebige Membran, die ihrerseits auf einer Kraftmessdose gelagert wird, so dass die Kraft ebenfalls während der Kultivierung erfasst wird.
Zur Untersuchung unterschiedlicher Einflussgrößen, wie z.B. Zellanzahl, Kultivierungsdauer, und zur Erfassung statistischer Streuungen, werden vier dieser Bioreaktoren mit jeweils vier Proben zeitgleich in einem Brutschrank betrieben. Diese Experimente werden in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Orthopädie des Uni-Klinikums Aachen durchgeführt.
Zur Erprobung des Knorpelersatzmaterials unter physiologischen Bedingungen im menschlichen Knie, siehe Abb. 3, ist die Entwicklung eines Bioreaktors mit einem Knieprüfstand geplant.


Abb. 3: Funktionsmodell des Kniegelenks