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DE102009024133A1 - Bacterial nanocellulose for cartilage regeneration - Google Patents

Bacterial nanocellulose for cartilage regeneration Download PDF

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DE102009024133A1
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bacterial nanocellulose
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cartilage
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Raimund W. Prof. Dr. Kinne
Friederike Dr. Kramer
David Dr. Pretzel
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Jenpolymer Materials Ltd & Co KG
Universitaetsklinikum Jena
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Jenpolymer Materials Ltd & Co
Jenpolymer Materials Ltd & Co KG
Universitaetsklinikum Jena
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Abstract

Bacterial nanocellulose comprises a structure consisting of a wide-meshed phase (1) of the bacterial nanocellulose and at least one close-meshed phase (2) of the bacterial nanocellulose firmly connected with wide-meshed phase. Independent claims are included for: (1) use of bacterial nanocellulose, where the bacterial nanocellulose is used without drying after the cultivation- and purification-process as initial-wet implant for cartilage formation; and (2) producing the bacterial nanocellulose, comprising generating the structure in a cultivation step of the cultivation process as a two-phase implant.

Description

Die Erfindung betrifft eine spezielle bakterielle Nanocellulose (BNC) zur Verwendung als Gerüst für eine insbesondere in vivo-Besiedlung durch knorpeleigene Zellen zwecks Ausbildung von Knorpelgewebe. Die Erfindung dient beispielsweise zur Korrektur von traumatischen und degenerativen Schäden des Knorpelgewebes, wie Schäden an Gelenkknorpeln, durch Applikation eines initial zellfreien und nicht resorbierbaren Materials in den Knorpeldefekt. Hierzu dient ein Netzwerk, welches von den ortsständigen Zellen des Knorpels besiedelt und mit neugebildeter Knorpelmatrix aufgefüllt wird.The Invention relates to a special bacterial nanocellulose (BNC) for use as a scaffold for a particular In vivo colonization by cartilaginous cells for training of cartilage tissue. The invention is used for example for correction traumatic and degenerative damage of cartilage tissue, like damage to articular cartilage, by application of a initial cell-free and non-absorbable material in the cartilage defect. For this serves a network, which of the local cells of cartilage colonized and filled with newly formed cartilage matrix becomes.

Knorpel besitzt ein sehr geringes Potential zur natürlichen Regeneration von traumatischen oder degenerativen Defekten.cartilage has a very low potential for natural regeneration of traumatic or degenerative defects.

Es sind verschiedene Möglichkeiten bzw. Ansätze zur Regeneration von Knorpeldefekten bekannt, die sich z. B. nach der Art der verwendeten Materialien unterscheiden lassen. So ist eine Einteilung in zellhaltige und zellfreie sowie in resorbierbare und nicht resorbierbare Materialien möglich.It are different possibilities or approaches to Regeneration of cartilage defects known, for. B. after Differentiate the type of materials used. That's one Classification in cell-containing and cell-free as well as in absorbable and non-absorbable materials possible.

Eine in der Praxis angewendete Behandlungsmethode mit zellhaltigem Material ist die autogene Chondrozyten-Transplantation, kurz als ACT bezeichnet (z. B. M. Brittberg et al.: Treatment of deep cartilage defects in the knee with autologeous chondrocyte transplantation, Engl J Med, 1994, 331, 889 oder T. Minas: Autologous chondrocyte implantation in the arthritic knee, Orthopedics, 2003, 26, 945 ). Dabei wird dem Patienten ein gesundes Knorpelgewebestück aus dem unbelasteten Bereich des Gelenkes entnommen und die Knorpelzellen werden unter autologen Bedingungen vermehrt und anschließend als Zellsuspension in den Defekt gegeben. Die ACT hat mehrere Nachteile, wie insbesondere Einsetzbarkeit nur in bestimmten Regionen des Knies, „Auslaufen” der Zellsuspension und Hypertrophie der Chondrozyten bzw. des Periostes.A cell-containing material treatment method used in practice is autogenous chondrocyte transplantation, briefly referred to as ACT (e.g. Brittberg et al .: Treatment of deep cartilage defects in the knee with autologous chondrocyte transplantation, Engl J Med, 1994, 331, 889 or T. Minas: Autologous chondrocyte implantation in the arthritic knee, Orthopedics, 2003, 26, 945 ). In this case, the patient is a healthy cartilage tissue piece removed from the unloaded area of the joint and the cartilage cells are propagated under autologous conditions and then added as a cell suspension in the defect. The ACT has several disadvantages, such as in particular use only in certain regions of the knee, "leakage" of the cell suspension and hypertrophy of the chondrocytes or the periosteum.

Um diese Probleme zu umgehen, wurden „Tissue Engineering” – Knorpeltransplantate auf der Basis resorbierbarer Polymere entwickelt, die das regenerative Potential autologer Knorpelzellen mit stabilisierenden resorbierbaren Biomaterialien kombinieren sollen, um eine gleichmäßige Verteilung der Zellen, eine bessere initiale mechanische Stabilität, Förderung der Gewebereifung und eine einfachere Handhabung durch den Operateur zu erreichen. Bei dieser Matrix-/Biomaterial-unterstützten ACT werden in vitro vermehrte, autologe Knorpelzellen in Hyaluronsäuremembranen, in Kollagenmembranen oder in textile resorbierbare Polymere (Polyglykolsäure und Co-Polymere von Polyglykolsäure und Polymilchsäure) eingebracht (beispielsweise S. Nehrer et al.: Three-year clinical outcome alter chondrocyte transplantation using a hyaluronan matrix for cartilage repair, Eur J Radiol, 2006, 57, 3 ; P. Gehrens et al.: Matrix-associated autologous chondrocyte transplantation/implantation (MACT/MACI)-5-year follow-up, Knee, 2006, 13, 194 ; C. Ossendorf et al.: Treatment of posttraumatic and focal osteoarthritic cartilage defects of the knee with autologous polymer-based three-dimensional chondrocyte grafts: 2-year clinical results, Arthritis Res Ther, 2007, 9, R41 ). Die resorbierbaren Materialien, z. B. auf der Basis von Hyaluronsäure oder Kollagen, weisen allerdings entscheidende Nachteile durch schlechte Fixierbarkeit, insbesondere für die Positionierung und das Befestigen (Nähprozess) von Implantaten, bei zu geringer Formstabilität auf. Die stabileren synthetischen Polylactid-co-glycolid(PLGA)- und Polyglycolid(PGA)-Materialien können bei ihrem Abbau chronisch-entzündliche Zellreaktionen auslösen.To circumvent these problems, "tissue engineered" cartilage grafts based on resorbable polymers have been developed to combine the regenerative potential of autologous cartilage cells with stabilizing resorbable biomaterials to provide even distribution of cells, better initial mechanical stability, promote tissue maturation, and to achieve easier handling by the surgeon. In this matrix / biomaterial-assisted ACT, in vitro propagated autologous cartilage cells are introduced into hyaluronic acid membranes, into collagen membranes or into resorbable polymers (polyglycolic acid and co-polymers of polyglycolic acid and polylactic acid) (for example S. Nehrer et al .: Three-year clinical outcome of age chondrocyte transplantation using a hyaluronan matrix for cartilage repair, Eur J Radiol, 2006, 57, 3 ; P. Gehrens et al .: Matrix-associated autologous chondrocyte transplantation / implantation (MACT / MACI) -5-year follow-up, Knee, 2006, 13, 194 ; C. Ossendorf et al .: Treatment of posttraumatic and focal osteoarthritic cartilage defects of the knee with autologous polymer-based three-dimensional chondrocyte grafts: 2-year clinical results, Arthritis Res Ther, 2007, 9, R41 ). The resorbable materials, eg. B. on the basis of hyaluronic acid or collagen, however, have significant disadvantages due to poor fixability, especially for the positioning and fastening (sewing process) of implants, with too low dimensional stability. The more stable synthetic polylactide-co-glycolide (PLGA) and polyglycolide (PGA) materials can elicit chronic inflammatory cell reactions when degraded.

Ein besonderes Problem aller resorbierbaren Materialien besteht darin, dass die Geschwindigkeit und Art des Gerüstabbaus des Implantats mit der Aufbaugeschwindigkeit des Knorpels synchronisiert werden müssen, um die Funktion des zu regenerierenden Knorpels zu gewährleisten. Diese Prozesse sind bei den einzelnen Patienten hoch variabel und zudem stark altersabhängig. Prinzipiell kann man jedoch davon ausgehen, dass resorbierbare Materialien bereits nach ca. 4 bis 6 Wochen abgebaut sind. Die Bildung von neuem intaktem und funktionsfähigem Knorpelgewebe vollzieht sich aber über eine Zeitspanne von mehreren Monaten.One particular problem of all resorbable materials is that the speed and type of scaffolding degradation of the implant be synchronized with the building speed of the cartilage need to perform the function of the cartilage to be regenerated to ensure. These processes are at the individual Patients highly variable and also age-dependent. In principle, however, one can assume that resorbable materials already degraded after about 4 to 6 weeks. The formation of new intact and functional cartilage tissue is complete but over a period of several months.

Zellfreie Hydrogele waren die ersten Biomaterialien, die in rationalem Design für die Anwendung am Menschen entwickelt wurden (Review: J. Kopecek, J. Yang: Hydrogels as smart biomaterials, Polymer International 2007, 56/9, 1078 ). Sie zeichnen sich in der Regel durch sehr gute Biokompatibilität aus, die u. a. durch ihren hohen Wassergehalt bedingt ist. Hydrogele weisen aber häufig eine unzureichende mechanische Stabilität auf, wodurch ihre Einsatzgebiete bisher limitiert sind. Die bereits bekannten nicht resorbierbaren Biomaterialien auf der Basis von Hydrogelen aus synthetischen Polymeren wie Polyvinylalkohol werden vom Organismus nicht als in vivo-Scaffold akzeptiert, d. h. in solche Implantate wandern keine körpereigenen Zellen ein. Dagegen konnte gezeigt werden, dass nicht resorbierbare bakterielle Nanocellulose (BNC) ein Material ist, das im Ergebnis zahlreicher Untersuchungen eine sehr gute Gewebe- und Blutverträglichkeit zeigt und schnell und dauerhaft von Zellen (z. B. Endothelzellen, Fibroblasten) besiedelt wird. Zugleich weisen die Nanofasern der BNC Festigkeiten im Bereich von Stahl bzw. Kevlar auf (Review: D. Klemm et al.: Nanocelluloses as innovative polymers in research and application, Adv. Polym. Sci. 2006, 205, 49 ).Cell-free hydrogels were the first biomaterials to be designed rationally for human use (Review: J. Kopecek, J. Yang: Hydrogels as Smart Biomaterials, Polymer International 2007, 56/9, 1078 ). They are usually characterized by very good biocompatibility, which is partly due to their high water content. However, hydrogels often have inadequate mechanical stability, which has limited their applications. The already known nonabsorbable biomaterials based on hydrogels of synthetic polymers such as polyvinyl alcohol are not accepted by the organism as an in vivo scaffold, ie no endogenous cells migrate into such implants. In contrast, it has been shown that non-absorbable bacterial nanocellulose (BNC) is a material that, as a result of numerous studies, shows very good tissue and blood compatibility and is rapidly and permanently colonized by cells (eg endothelial cells, fibroblasts). At the same time, the nanofibers of the BNC have strengths in the range of steel and Kevlar (Review: D. Klemm et al.: Nanocelluloses as Innovative Polymers in Research and Application, Adv. Polym. Sci. 2006, 205, 49 ).

In der EP 1953174 A1 wird die Anwendung von oxidierter bakterieller Nanocellulose als Gewebesubstitut beschrieben. Oxidierte BNC ist jedoch resorbierbar und bietet durch ihren Abbau keine dauerhafte, sondern lediglich eine zeitlich begrenzte Stützstruktur, so dass dieses Material für die vorliegende spezielle Verwendung zum Aufbau von dauerhaft formstabilem Knorpelgewebe nicht geeignet ist.In the EP 1953174 A1 becomes the application of oxidized bacterial nanocellulose as a tissue substitute. Oxidized BNC is, however, resorbable and offers by their degradation no permanent, but only a temporary support structure, so that this material for the present specific use for the construction of permanently dimensionally stable cartilage tissue is not suitable.

WO 2007/064881 A2 und WO 2007/146946 A2 beschreiben den Einsatz von BNC für die Reparatur und den Ersatz von Weich- und Hartgewebe. In beiden Fällen wird die BNC nach der Biosynthese zur Entfernung der aus dem Kulturmedium stammenden Bestandteile einer intensiven mechanischen Behandlung unterzogen. Zusätzlich wird die BNC im Fall von WO 2007/064881 A2 durch Trocknen und Komprimieren in die endgültige Implantatform gebracht. Bei dem beschriebenen Prozedere ist davon auszugehen, dass die Netzwerkstruktur der BNC stark geschädigt und nicht mehr für das Einwandern von Zellen, insbesondere zur Ausbildung eines zu generierenden Knorpelgewebes, geeignet ist. WO 2007/064881 A2 and WO 2007/146946 A2 describe the use of BNC for the repair and replacement of soft and hard tissues. In both cases, after biosynthesis, the BNC is subjected to intensive mechanical treatment to remove the components derived from the culture medium. In addition, the BNC in the case of WO 2007/064881 A2 brought into the final implant form by drying and compressing. In the described procedure, it can be assumed that the network structure of the BNC is severely damaged and is no longer suitable for cell infiltration, in particular for the formation of a cartilage tissue to be generated.

Es ist auch bekannt ( WO 2008/079034 A2 ), bakterielle Nanocellulose bevorzugt als Wundauflage bzw. zur Behandlung von Hernien zu verwenden. Es werden durchgehende Flächen von BNC, aber auch Flächen mit künstlich generierten Löchern beschrieben. Die Durchmesser dieser Löcher liegen dabei im Bereich von 0,08–0,5 cm jeweils in einem Abstand von 0,7–2,5 cm. Eigene Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Netzwerkstruktur der BNC nicht hinreichend mit Knorpelzellen besiedelt wird. Die künstlich generierten Löcher stellen aufgrund der mittleren Durchmesser für die im Verhältnis zur Lochgröße sehr kleinen Zellen keine dreidimensionale Struktur dar, sondern eine zweidimensionale Oberfläche, welche Dedifferenzierungsprozesse in Chondrozyten fördert. Dieses Netzwerk mit den darin generierten Löchern der besagten Größe und Abstände erscheint deshalb für die Ausbildung eines entsprechenden Knorpelersatzes als nicht geeignet.It is also known ( WO 2008/079034 A2 ), bacterial nanocellulose preferably used as a wound dressing or for the treatment of hernias. Continuous surfaces of BNC, but also surfaces with artificially generated holes are described. The diameters of these holes are in the range of 0.08-0.5 cm in each case at a distance of 0.7-2.5 cm. Our own investigations have shown that this network structure of the BNC is not sufficiently populated with cartilage cells. The artificially generated holes do not represent a three-dimensional structure because of the average diameter for the cells which are very small in relation to the hole size, but a two-dimensional surface which promotes dedifferentiation processes in chondrocytes. This network with the holes of the said size and distances generated therein therefore does not seem suitable for the formation of a corresponding cartilage replacement.

In WO 2005/018435 wird thermisch modifizierte BNC beschrieben. Die Temperatur in der BNC wird auf unter 0°C gesenkt und das Wasser durch Abgießen, Abtupfen, Pressen oder das Anlegen von Vakuum partiell oder auch vollständig entfernt. Mögliche Anwendungsfelder für dieses Material sollen der Gewebeersatz und der Einsatz als Füllstoff oder „chirurgisches” Netz in der Chirurgie, der plastischen Chirurgie und der Neurochirurgie sein. Bei der Trocknungsmethode, die nicht explizit offenbart ist, ist allerdings die Gefahr einer Beschädigung der BNC-Netzwerkstruktur, beispielsweise durch thermische und/oder mechanische Beanspruchung, nicht auszuschließen, so dass für eine Verwendung zur Generierung von Knorpelgewebe die Besiedlung des BNC-Netzwerkes mit Zellen gehemmt oder zumindest nicht unwesentlich beeinträchtigt wird. Auch nichtthermische Trocknungsmethoden zur Entfernung des Wassers, beispielsweise, Auspressen, können Schädigungen der BNC-Netzwerkstruktur zur Folge haben.In WO 2005/018435 thermally modified BNC is described. The temperature in the BNC is lowered to below 0 ° C and the water by pouring, blotting, pressing or the application of vacuum partially or completely removed. Possible fields of application for this material are the tissue replacement and the use as a filler or "surgical" network in surgery, plastic surgery and neurosurgery. In the drying method, which is not explicitly disclosed, however, the risk of damage to the BNC network structure, for example due to thermal and / or mechanical stress, can not be ruled out, so that for use in the generation of cartilage tissue, the colonization of the BNC network with cells inhibited or at least not negligibly affected. Nonthermal drying methods for removing water, such as squeezing, can also cause damage to the BNC network structure.

Die Verwendung von BNC als in vitro-/ex vivo-Zellcarrier wird in DE 2003-10361898 und in A. Svensson et al.: Bacterial cellulose as a potential scaffold for tissue engineering of cartilage, Biomaterials, 2005, 26(4), 419–431 beschrieben. Diese Art der Anwendung ist jedoch lediglich in vitro möglich. Zudem hat sich gezeigt, dass mit dieser Methode nur eine oberflächliche (zweidimensionale), aber keine in die Tiefe gehende (dreidimensionale) Besiedlung des Netzwerkes erreicht wird. Daher ist die Ausbildung einer funktionsfähigen Knorpelmatrix nicht zu erwarten. Über eine diesbezügliche Verwendung eines solchen Carriers zur in vivo-Knorpelneubildung ist in der Fachwelt auch nichts bekannt geworden.The use of BNC as an in vitro / ex vivo cell carrier is described in DE 2003-10361898 and in A. Svensson et al .: Bacterial cellulose as a potential scaffold for tissue engineering of cartilage, Biomaterials, 2005, 26 (4), 419-431 described. However, this type of application is possible only in vitro. In addition, it has been shown that with this method, only a superficial (two-dimensional), but not in-depth (three-dimensional) colonization of the network is achieved. Therefore, the formation of a functional cartilage matrix is not expected. About a related use of such a carrier for in vivo cartilage formation is also known in the art nothing.

Bekannt ist auch (beispielsweise C. R. Rambo et al.: Template assisted synthesis of porous nanofibrous cellulose membranes for tissue engineering, Materials Science & Engineering, C: Biomimetic and Supramolecular Systems, 2008, 28(4), 549–554 ), optische Fasern bzw. Fasern aus Polystyren senkrecht in die BNC einzubringen. So konnte BNC mit Poren zwischen 60–300 μm hergestellt werden. Nachteilig ist auch hier wiederum der Trocknungsprozess und die mit diesem einhergehende Gefahr der Beschädigung der BNC-Netzwerkstruktur. Ein weiteres Problem ist nach wie vor die tiefenwirksame Besiedelung des Netzwerkes, da eine Ansiedlung von Zellen ausschließlich im Oberflächenbereich der Poren der BNC-Netzwerkstruktur nicht zu einer Generierung vollständiger und qualitativ hochwertiger Knorpelgewebe führt. Die Gefahr von Beschädigungen der BNC-Netzwerkstruktur durch den besagten Trocknungsprozess schränkt dieses Anwendungsfeld weiter ein.It is also known (for example CR Rambo et al .: Template assisted synthesis of porous nanofibrous cellulose membranes for tissue engineering, Materials Science & Engineering, C: Biomimetic and Supramolecular Systems, 2008, 28 (4), 549-554 ) to introduce optical fibers or fibers of polystyrene vertically into the BNC. So BNC could be produced with pores between 60-300 μm. Another disadvantage is the drying process and the associated danger of damage to the BNC network structure. Another problem is the deep-seated colonization of the network, since a colonization of cells exclusively in the surface area of the pores of the BNC network structure does not lead to the generation of complete and high-quality cartilage tissue. The danger of damage to the BNC network structure by the said drying process further restricts this field of application.

Ferner ist die Imitation knorpelähnlicher Eigenschaften durch den Aufbau von Doppelhydrogelnetzwerken, z. B. durch die Kombination von BNC mit Gelatine, beschrieben worden (beispielsweise A. Nakayama et al.: High Mechanical Strength Double-Network-Hydrogel with Bacterial Cellulose, Adv. Funct. Mater. 2004, 14, 1124–1128 ). Allerdings schränken Komposite, welche beispielsweise die Stabilität des BNC-Netzwerkes temporär erhöhen können, den Raum für die Besiedelung der Netzwerkstruktur nachteilig ein, so dass die Generierung von Knorpelstrukturen zumindest zeitweise eingeschränkt ist. Selbst resorbierbare Komposite, wie Gelatine, benötigen für ihren Abbau nicht unwesentlich Zeit, während der die Besiedelung der Netzwerkstruktur gehemmt ist.Furthermore, the imitation of cartilage-like properties by the construction of Doppelhydrogelnetzwerken, z. B. by the combination of BNC with gelatin, has been described (for example A. Nakayama et al .: High Mechanical Strength Double-Network Hydrogel with Bacterial Cellulose, Adv. Funct. Mater. 2004, 14, 1124-1128 ). However, composites, which can temporarily increase, for example, the stability of the BNC network, adversely affect the space for the colonization of the network structure, so that the generation of cartilaginous structures is at least temporarily limited. Even resorbable composites, such as gelatin, require a considerable amount of time to break down, during which time the colonization of the network structure is inhibited.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein universell verwendbares dreidimensionales Netzwerk zu schaffen, das sowohl eine dauerhafte, gerüstbildende Stabilität aufweist als auch eine schnellstmögliche und homogene Besiedlung mit knorpelbildenden Zellen zur Ausbildung von funktionsfühigem Knorpelgewebe in vivo gewährleistet.The invention is therefore based on the object, a universally usable dreidimensiona To create a network that has both a durable, scaffold-forming stability and ensures the fastest possible and homogeneous colonization with cartilage-forming cells for the formation of functional cartilage tissue in vivo.

Die Aufgabe wird durch den Aufbau einer bakteriellen Nanocellulose, bestehend aus einer weitmaschigen Phase der BNC sowie aus zumindest einer mit dieser fest verbundenen engmaschigen Phase der BNC, gelöst, die als Implantat zur Knorpelneubildung eingesetzt werden kann. Ein solcher Aufbau wird in einem Kultivierungsschritt generiert, und das Material wird vorzugsweise als sogenanntes initial-feuchtes (d. h. ohne eine vollständige Trocknung) Gerüst zur insbesondere in vivo-Besiedlung durch knorpeleigene Zellen zwecks Ausbildung von Knorpelgewebe eingesetzt.The The task is solved by building up a bacterial nanocellulose, consisting of a wide-meshed phase of the BNC and at least one solved with this firmly connected close-meshed phase of the BNC, which can be used as an implant for cartilage regeneration. Such a construction is generated in a cultivation step, and the material is preferably as so-called initial-moist (i.e., without complete drying) scaffold for in particular in vivo colonization by cartilaginous cells in order Training of cartilage tissue used.

Es hat sich gezeigt, dass der Aufbau mit dem vorgeschlagenen Schichten-Netzwerksystem ein besagtes Gerüst zur Generierung von Knorpelneugewebe darstellt, welches einerseits aufgrund der zumindest einen engmaschigen Phase (niedriger Wassergehalt) eine vorteilhafte Formstabilität und damit eine sofortige und beständige ”gerüststützende” Wirkung für die weitmaschige Phase (hoher Wassergehalt) und damit für den Implantateinsatz gewährleistet. Zudem sichert diese engmaschige Phase eine gute chirurgische Handhabbarkeit, d. h. sie verleiht der BNC die nötige Festigkeit, damit diese schneid- und auch gut fixierbar, insbesondere nähbar, ist. Andererseits bietet die weitmaschige Phase des Implantataufbaus hervorragende Voraussetzungen für eine sofortige, ungehemmte und homogene in vivo-Besiedlung durch knorpeleigene Zellen des Patienten, ohne dass erst stützende Elemente des Implantats abgebaut werden müssen, bevor diese Räume als Besiedlungsorte verwendbar sind. Die Erfindung kombiniert auf vorteilhafte Weise die bekannten positiven Eigenschaften der bakteriellen Nanocellulose (insbesondere sehr gute Gewebe- und Blutverträglichkeit, schnelle und dauerhafte Besiedlung durch Zellen) mit den Merkmalen einer stabilen Formgebung und der Stützfunktion eines Gerüstes zur Besiedlung mit Zellen. Diese neuen Eigenschaften der bakteriellen Nanocellulose sind zudem in einem Kultivierungsprozess erreichbar. Der vorgeschlagene Aufbau der bakteriellen Nanocellulose ermöglicht die Verwendung als Implantat zur Knorpelneubildung und vermeidet durch seine speziellen Eigenschaften die eingangs beschriebenen Nachteile bekannter Methoden.It has been shown to build with the proposed layered network system a said framework for the generation of cartilaginous tissue represents, on the one hand due to the at least one closely meshed Phase (low water content) a favorable dimensional stability and thus an immediate and consistent "scaffold-supporting" effect for the wide-meshed phase (high water content) and thus guaranteed for implant use. moreover This close-meshed phase ensures good surgical handling, d. H. it gives the BNC the necessary strength to do so these can be cut and also easily fixed, in particular sewable, is. On the other hand, offers the wide-meshed phase of the implant structure Excellent conditions for an immediate, uninhibited and homogeneous in vivo colonization by cartilage-own cells of the patient, without first degrading supporting elements of the implant must be before these spaces as settlement locations are usable. The invention advantageously combines the known positive properties of bacterial nanocellulose (especially very good tissue and blood compatibility, fast and permanent colonization by cells) with the characteristics a stable shape and the support function of a scaffold for Colonization with cells. These new characteristics of the bacterial Nanocellulose can also be reached in a cultivation process. The proposed construction of bacterial nanocellulose allows the use as an implant for cartilage regeneration and avoids due to its special properties the ones described above Disadvantages of known methods.

Aufgrund des Nichtvorhandenseins von Cellulasen im menschlichen Organismus, ist die BNC nicht resorbierbar, so dass keine Stoffe freigesetzt werden, die chronischentzündliche Zellreaktionen auslösen könnten. Weiterhin wird die Problematik der Synchronisation von der Art und von der Geschwindigkeit des Gerüstabbaus mit der Aufbaugeschwindigkeit des Knorpels zur Gewährleistung der Funktion des zu regenerierenden Knorpels umgangen. Die erfindungsgemäße BNC verleiht dem Implantat von Beginn an langfristige Stabilität und fungiert zugleich als stabiles dreidimensionales Gerüst, welches durch das gebildete Regenerationsgewebe aufgefüllt wird.by virtue of the absence of cellulases in the human organism, is the BNC not absorbable, so that no substances are released cause the chronic inflammatory cell reactions could. Furthermore, the problem of synchronization on the type and speed of scaffolding removal with the building speed of the cartilage to warrant circumvented the function of the cartilage to be regenerated. The inventive BNC gives the implant long-term stability right from the start and at the same time acts as a stable three-dimensional framework, which is filled up by the formed regeneration tissue becomes.

Durch die schonende Behandlung der BNC bei der Entfernung der aus dem Kulturmedium stammenden Bestandteile nach der Biosynthese ohne strukturzerstörende Trocknung und/oder mechanische Behandlungsschritte bleibt die BNC-Nanonetzwerkstruktur, die es der BNC ermöglicht, große Mengen an Flüssigkeit zu binden, vollständig erhalten. Anders als Hydrogele aus synthetischen Polymeren ermöglicht diese BNC nach der Implantation, besonders durch das Vorhandensein der weitmaschigen Phase, das Einwandern der sich hauptsächlich am Rand des Implantats befindenden ortständigen Knorpelvorläufer- bzw. Knorpelzellen in vivo. Diesen körpereigenen Zellen bietet die BNC eine dreidimensionale Gerüststruktur, die durch die Ausbildung homogenen und voll funktionsfähigen Knorpelgewebes „vitalisiert” werden kann.By the gentle treatment of BNC in the removal of the Culture medium-derived components after biosynthesis without structurally destructive Drying and / or mechanical treatment steps remains the BNC nanowire structure, which allows the BNC to handle large volumes of fluid to bind, completely preserved. Unlike hydrogels synthetic polymers allows this BNC after implantation, especially by the presence of the wide-meshed phase, the immigration mainly located on the edge of the implant local cartilage precursor or cartilage cells in vivo. These BNC cells offers the BNC one three-dimensional framework structure, by training homogeneous and fully functioning cartilaginous tissue can.

BNC ist sterilisierbar und biokompatibel einsatzfähig. In einer sterilen Verpackung ist das initial-feuchte Material, vorzugsweise in Wasser, mindestens ein Jahr haltbar, vorzugsweise bei Temperaturen um 4°C sowie unter Lichtausschluss. Die Lagerung kann ebenso nach schonender Trocknung bei Raumtemperatur erfolgen. Durch geeignete Trocknungsmethoden (beispielsweise Gefriertrocknung, Kritischpunkttrocknung) bleibt die erfindungsgemäße Struktur der BNC erhalten, so dass eine vollständige Requellbarkeit gewährleistet bleibt.BNC is sterilizable and biocompatible. In a Sterile packaging is the initial moist material, preferably in water, stable for at least one year, preferably at temperatures at 4 ° C and in the dark. The storage can as well after gentle drying at room temperature. By suitable Drying methods (eg freeze drying, critical point drying) the structure of the BNC according to the invention is preserved, thus ensuring complete re-usability remains.

Eine solche BNC wird als ein zellfreies, bioaktives, dauerhaft stabiles Implantat zur Regeneration von Knorpeldefekten, beispielsweise in größeren Gelenken, vorgeschlagen. Da sie keine autologen Zellen enthält, ist eine vorhergehende Biopsieentnahme beim Patienten nicht erforderlich. Das Implantat kann entweder arthroskopisch (kleinere Defekte) oder bei einer Operation direkt an Ort und Stelle (großer Defekt) einfach und unkompliziert eingesetzt werden. Es bildet aufgrund seines erfindungsgemäßen zweiphasigen BNC-Netzwerkes eine formstabile Hydrogel-Struktur und gestattet das Passieren bzw. das Einwandern und Ansiedeln von Ionen, organischen Molekülen und Zellen. Seine hohe Festigkeit ermöglicht die zuverlässige chirurgische Handhabung und die Verwendung unterschiedlicher Fixierungstechniken (z. B. Knorpel-Naht, Verklebung, Fixierung mit Pins/Nägeln).A Such BNC is considered a cell-free, bioactive, permanently stable Implant for the regeneration of cartilage defects, for example in larger joints, proposed. Since they are not autologous cells is a previous biopsy not necessary for the patient. The implant can be either arthroscopic (minor defects) or surgery directly in place (big defect) easy and uncomplicated to be used. It forms due to its biphasic invention BNC network a dimensionally stable hydrogel structure and allowed the passing or immigration and settlement of ions, organic Molecules and cells. Its high strength allows reliable surgical handling and use different fixation techniques (eg cartilage suture, adhesive bonding, Fixation with pins / nails).

Das Implantat kann zusätzlich Zytokine oder Wachstumsfaktoren enthalten, welche die Einwanderung und Proliferation von ortständigen Zellen in das defektfüllende Implantat fördern sowie die Ausbildung von vollwertiger Knorpelmatrix anregen. Dabei stellt das BNC-Implantat eine langfristig stabile Gerüststruktur dar, die durch ein voll funktionsfähiges sich neu bildendes Knorpelgewebe aufgefüllt wird. Dieses zellfreie Implantat ist langfristig lagerfähig und leicht zu versenden. Es kann in großen Mengen hergestellt und bei Bedarf für einen operativen Eingriff direkt und schnell eingesetzt werden.The implant may additionally contain cytokines or growth factors which enhance the immigration and proliferation of local cells into the body Promote defect-filling implant and stimulate the development of full-quality cartilage matrix. The BNC implant represents a long-term stable framework structure, which is filled up by a fully functional, newly forming cartilage tissue. This cell-free implant is long-term storable and easy to ship. It can be produced in large quantities and, if needed, used directly and quickly for surgical intervention.

Zur Verwendung des Implantates zur Knorpelneubildung bei Knorpelschäden wird nach Diagnose (z. B. mittels MRT, Arthroskopie) der Knorpelschaden des Patienten entweder klassisch durch Eröffnung des Gelenkes oder aber arthroskopisch freigelegt. Gegebenenfalls erfolgt eine Glättung der Knorpelläsion bzw. des arthrotischen Defektes. In Abhängigkeit von der Größe des Knorpeldefektareals kann der Operateur aus einer Palette vorgefertigter BNC-Implantate auswählen und ein BNC-Implantat entsprechender Form und Größe in den Defekt einbringen. Die Fixierung des BNC-Implantates erfolgt durch Vernähen mit der randständigen Knorpelschulter mittels resorbierbaren Nahtmaterials. Ebenso ist das Einkleben des Implantates mit chirurgischen Klebern, z. B. Fibrinklebern, sowie eine Verankerung des Implantates im darunter liegenden Knochen mittels resorbierbarer Pins/Nägel möglich. Nach Vernähen der Operationsöffnung sollte der Patient aufgrund des relativ schonenden Vorgehens (keine Verletzung intakter Knorpelareale zur Gewinnung von Chondrozyten wie bei der ACT) und der mechanischen Stabilität des Implantates nach kurzer Ruhephase das Gelenk wieder belasten können.to Use of the implant for cartilage regeneration in cartilage damage after diagnosis (eg by MRI, arthroscopy) the cartilage damage the patient either classic by opening the joint or arthroscopically exposed. If necessary, a Smoothing of the cartilage lesion or the arthritic Defective. Depending on the size of the cartilage defect area, the surgeon can choose from a range of prefabricated BNC implants and select a BNC implant of appropriate shape and Insert size into the defect. The fixation The BNC implant is made by sewing with the marginal Cartilage shoulder using resorbable suture material. It is the same Gluing the implant with surgical adhesives, z. Fibrin livers, and anchoring the implant in the underlying bone by means of resorbable pins / nails possible. To Suturing the surgical opening should be the patient due to the relatively gentle procedure (no injury intact Cartilage areas for the production of chondrocytes as in the ACT) and the mechanical stability of the implant after a short time Rest phase can burden the joint again.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The Invention will be described below with reference to the drawing Embodiments explained in more detail become.

In der Zeichnung zeigen:In show the drawing:

1: schematische Darstellung der zur Implantatverwendung vorgesehenen zweiphasigen BNC 1 : Schematic representation of the intended for implant use biphasic BNC

2: Migration von Chondrozyten in das BNC-Netzwerk

  • A) Besiedlung der engmaschigen Netzwerkstruktur des BNC-Netzwerkes
  • B) Besiedlung der weitmaschigen Phase des BNC-Netzwerkes
2 : Migration of chondrocytes into the BNC network
  • A) Colonization of the dense network structure of the BNC network
  • B) Colonization of the wide-meshed phase of the BNC network

3: In vitro-Modell für die endogene Regeneration eines Knorpeldefekts mit einem in diesen eingepassten BNC-Netzwerk 3 : In vitro model for the endogenous regeneration of a cartilage defect with a BNC network fitted in it

4: Frühe Stadien der Knorpelmatrixregeneration im BNC-Netzwerk nach 8-wöchiger in vitro-Kultivierung mit bovinem Knorpel 4 : Early stages of cartilage matrix regeneration in the BNC network after 8 weeks of in vitro culture with bovine cartilage

Ausführungsbeispiel 1:Embodiment 1

Herstellung des zweiphasigen BNC-NetzwerkesProduction of the two-phase BNC network

Eine Nährlösung, die pro Liter aqua dest. 20,00 g Glucose wasserfrei, 5,00 g Bactopepton, 5,00 g Hefeextrakt, 3,40 g Dinatriumhydrogenphosphat-Dihydrat und 1,15 g Citronensäure-Monohydrat enthält sowie einen pH-Wert zwischen 6,0 und 6,3 (Schramm-Hestrin-Medium) aufweist, wird bei 120°C für 20 Minuten dampfsterilisiert. Nach dem Beimpfen von 20 ml Nährmedium mit dem Bakterium Gluconacetobacter xylinus aus einer 7 Tage alten flüssigen Stammkultur in Schramm-Hestrin-Medium (1 ml) werden 0,3 ml dieser beimpften Nährlösung in ein Gefäß aus Polystyren, mit einer Kapazität von 1,8 ml gefüllt. Zur Gewährleistung der Sterilität und eines feuchten, aeroben Milieus im Gefäß wird dieses während des Kultivierungsprozesses mit einem Deckel verschlossen. Die Kultivierungszeit beträgt 14 Tage bei einer Temperatur zwischen 28°C und 30°C. Überraschend hat sich gezeigt, dass sich unter diesen Kultivierungsbedingungen eine bakterielle Nanocellulose bildet, die in einem zweiphasigen Aufbau zu 67% aus einer weitmaschigen Phase 1 und zu 33% aus einer engmaschigen Phase 2 von bakterieller Nanocellulose besteht. Der zweiphasige Aufbau der generierten bakteriellen Nanocellulose wurde dem Gefäß (aus Übersichtsgründen nicht in der Zeichnung dargestellt) entnommen, mit siedender, wässriger 0,1 N Natronlauge 10 min lang behandelt und gründlich mit Wasser neutral gewaschen. Auf diese Weise erhält man bakterienfreie und als Implantat zur Knorpelneubildung verwendbare bakterielle Nanocellulose mit einem Durchmesser von 11,5 mm und einer Höhe von 1,0 mm. Es zeigte sich überraschend, dass das beschriebene Zweiphasensystem auch nach der Behandlung mit der besagten Natronlauge strukturstabil blieb.A nutrient solution, the distilled water per liter. 20.00 g of glucose anhydrous, 5.00 g of bactopeptone, 5.00 g of yeast extract, 3.40 g of disodium hydrogen phosphate dihydrate and 1.15 g of citric acid monohydrate, and a pH of between 6.0 and 6.3 (Schramm -Hestrin medium) is steam sterilized at 120 ° C for 20 minutes. After inoculation of 20 ml of nutrient medium with the bacterium Gluconacetobacter xylinus from a 7-day-old liquid stock in Schramm-Hestrin medium (1 ml), 0.3 ml of this inoculated nutrient solution in a vessel of polystyrene, with a capacity of 1.8 ml filled. To ensure sterility and a moist, aerobic environment in the vessel, this is closed during the cultivation process with a lid. The cultivation time is 14 days at a temperature between 28 ° C and 30 ° C. Surprisingly, it has been found that a bacterial nanocellulose is formed under these cultivation conditions, which in a two-phase structure to 67% of a weitmaschigen phase 1 and 33% from a close-knit phase 2 of bacterial nanocellulose. The biphasic structure of the generated bacterial nanocellulose was taken from the vessel (for reasons of clarity not shown in the drawing), treated with boiling, aqueous 0.1 N sodium hydroxide solution for 10 min and washed thoroughly with water until neutral. In this way, bacteria-free and usable as an implant for cartilage formation bacterial nanocellulose having a diameter of 11.5 mm and a height of 1.0 mm. It was found, surprisingly, that the two-phase system described remained structurally stable even after treatment with the said sodium hydroxide solution.

1 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau dieser im Kultivierungsprozess generierten zweiphasigen bakteriellen Nanocellulose als dreidimensionalen zylindrischen Formköper in perspektivischer Betrachtung (linke Abbildung) sowie im Querschnitt (rechte Abbildung). Aus diesen Abbildungen ist der Aufbau des BNC-Netzwerkes aus der unteren besagten weitmaschigen Phase 1 sowie der mit dieser fest verbundenen oberen engmaschigen Phase 2 ersichtlich. 1 shows a schematic representation of the structure of this generated in the cultivation process two-phase bacterial nanocellulose as a three-dimensional cylindrical shaped body in perspective view (left figure) and in cross section (right figure). From these figures, the structure of the BNC network is from the lower said wide-meshed phase 1 as well as with this tightly connected upper close-meshed phase 2 seen.

Ausführungsbeispiel 2:Embodiment 2:

Besiedlung des BNC-Netzwerkes mit isolierten ChondrozytenColonization of the BNC network with isolated chondrocytes

Die dreidimensionale Besiedlung der BNC wurde mit isolierten Knorpelzellen untersucht. Das Isolieren der humanen bzw. bovinen Knorpelzellen aus der sie umgebenden Knorpelmatrix erfolgte durch enzymatischen Verdau sowie anschließende Aufreinigung mittels zweifacher Passagierung der Zellen in Monolayerkulturen. Eine Migration von Chondrozyten 3 in das BNC-Netzwerk wurde in sogenannten Transwellsystemen untersucht. Die Verwendung des Transwellsystems ermöglicht die Einstellung eines Serumgradienten, durch den eine zielgerichtete Anlockung der Chondrozyten in tiefere Schichten des BNC-Netzwerkes induziert werden sollte. Die zuvor isolierten bovinen bzw. humanen Chondrozyten wurden als Zellsuspension auf die in den Transwelleinsätzen befindliche BNC aufgebracht und kultiviert. In der oberen Transwellkammer befand sich Serum-armes Medium (1% Serum), in der unteren Transwellkammer Serum-reiches Medium (10% Serum). Durch die Anwesenheit der feinporigen Membran zwischen den beiden Kammern entstand ein Serumgradient zur Anlockung der oberflächlich applizierten Chondrozyten in tiefere Regionen des BNC-Netzwerkes. Da die engmaschige BNC ein sehr dichtes Netzwerk aus Nanocellulosefasern bildet, dessen Poren eine kritische Größe im Verhältnis zu den vergleichsweise großen Chondrozyten aufweisen, adhärierten isolierte Chondrozyten bei Besiedlung von engmaschiger BNC auf der Oberfläche des BNC-Netzwerkes.The three-dimensional colonization of BNC was studied with isolated cartilage cells. The isolation of the human or bovine cartilage cells from the surrounding cartilage matrix was carried out by enzymatic digestion and subsequent purification by means of double passaging of the cells in monolayer cultures. A migration of chondrocytes 3 into the BNC network was studied in so-called transwell systems. The use of the transwell system allows the adjustment of a serum gradient, which should induce a targeted attraction of the chondrocytes into deeper layers of the BNC network. The previously isolated bovine or human chondrocytes were applied as a cell suspension on the located in the Transwelleinsätzen BNC and cultured. In the upper transwell chamber was serum-poor medium (1% serum), in the lower transwell chamber serum-rich medium (10% serum). The presence of the fine-pore membrane between the two chambers produced a serum gradient for attracting the superficially applied chondrocytes to deeper regions of the BNC network. Because the tight-meshed BNC forms a very dense network of nanocellulose fibers whose pores are of critical size relative to the comparatively large chondrocytes, isolated chondrocytes adhered upon colonization of tight-meshed BNC on the surface of the BNC network.

Bei Besiedlung der weitmaschigen BNC mit isolierten Chondrozyten wurde bereits nach 24-ständigem Kultivierungsprozess histologisch eine Chondrozytenmigration in tiefere Schichten des BNC-Netzwerkes beobachtet. Diese weitmaschige BNC besitzt ein aufgelockertes Netzwerk, dessen Porengrößen in einem günstigen Verhältnis zur Größe der applizierten Chondrozyten stehen.at Colonization of the wide-meshed BNC with isolated chondrocytes was histologically after 24 hours of cultivation a chondrocyte migration into deeper layers of the BNC network observed. This wide-meshed BNC has a looser network, its pore sizes in a favorable Ratio to the size of the applied Chondrocytes are standing.

2 zeigt schematisch die Besiedlung des BNC-Netzwerkes mit den Chondrozyten 3. Während diese bei der engmaschigen Phase 2 des BNC-Netzwerkes (2a) auf der Oberfläche adhärierten, besiedelten die Chondrozyten 3 die weitmaschige Phase 1 des BNC-Netzwerkes innerhalb kurzer Zeit auch in der Tiefe (2b). 2 shows schematically the colonization of the BNC network with the chondrocytes 3 , While these at the close-knit phase 2 of the BNC network ( 2a ) adhered to the surface, colonized the chondrocytes 3 the wide-meshed phase 1 of the BNC network within a short time even in depth ( 2 B ).

Ausführungsbeispiel 3:Embodiment 3

In vitro-Kultivierung eines als Implantat vorgesehenen BNC-Netzwerkes mit bovinem KnorpelIn vitro cultivation of an implant BNC network with bovine cartilage

Es wurde ein in vitro-Modell für die endogene Knorpelregeneration etabliert (3), indem ein künstlicher Defekt 4 eines Knorpels 5 (bovine Knorpelscheiben) mit einem vorgeformten, bakteriell synthetisierten BNC-Netzwerk 6 aufgefüllt und ein daraus gebildetes Modellimplantatsystem 7 (künstlicher Defekt 4 des Knorpels 5 mit eingefügtem BNC-Netzwerk 6) in ein mit Agarose 8 befülltes Kulturgefäß 9 gegeben wurde. Anschließend wurde das Modellimplantatsystem 7 unter Zugabe eines Kulturmediums 10 in vitro unter TGF-b1 Stimulation kultiviert (siehe 3). Die Formgebung des BNC-Netzwerkes 6 orientierte sich an den Maßen des im Knorpel 5 generierten Defektes 4. Nach 4- bzw. 8-wöchiger Kultur, jedoch noch nicht nach 2-wöchiger Kultur, waren frühe Stadien einer Knorpelmatrix-Regeneration im defektfüllenden BNC-Netzwerk erkennbar. Dabei blieb die Integrität des Knorpels trotz der für in vitro-Untersuchungen relativ langen Kulturdauer erhalten. Die frühen Stadien einer Knorpelmatrix-Regeneration waren sowohl in unstimulierten als auch in TGF-b1 stimulierten Proben in Form des immunhistologischen Nachweises intakten Aggrekans und Kollagens Typ II im BNC-Netzwerk 6 detektierbar (4). Weiterhin verließen Chondrozyten 3 den Knorpel 5 und adhärierten auf der Oberfläche des BNC-Netzwerkes 6 (siehe ebenfalls 4).An in vitro model for endogenous cartilage regeneration has been established ( 3 ) by an artificial defect 4 of a cartilage 5 (bovine cartilage slices) with a preformed, bacterially synthesized BNC network 6 filled in and a model implant system formed therefrom 7 (artificial defect 4 of cartilage 5 with inserted BNC network 6 ) in one with agarose 8th filled culture vessel 9 was given. Subsequently, the model implant system 7 with the addition of a culture medium 10 cultured in vitro under TGF-b1 stimulation (see 3 ). The shape of the BNC network 6 oriented to the dimensions of the cartilage 5 generated defect 4 , After 4- or 8-week culture, but not after 2 weeks of culture, early stages of cartilage matrix regeneration were evident in the defect-filling BNC network. The integrity of the cartilage was maintained despite the relatively long culture time for in vitro studies. The early stages of cartilage matrix regeneration in both unstimulated and TGF-b1 stimulated samples were in the form of immunohistological detection of intact aggrekans and collagen type II in the BNC network 6 detectable ( 4 ). Furthermore, chondrocytes left 3 the cartilage 5 and adhered to the surface of the BNC network 6 (see also 4 ).

4 zeigt schematisch diese frühen Stadien der Knorpelmatrixregeneration im in den künstlichen Defekt 4 des Knorpels 5 eingepassten BNC-Netzwerk 6 nach 8-wöchiger Kultur mit bovinem Knorpel. Die Einlagerung von Proteoglykanen in das BNC-Netzwerk 6 war durch eine positive Safranin-O Färbung des BNC-Netzwerks 6 ersichtlich. 4 schematically shows these early stages of cartilage matrix regeneration in the artificial defect 4 of cartilage 5 fitted BNC network 6 after 8 weeks of culture with bovine cartilage. The incorporation of proteoglycans into the BNC network 6 was by a positive safranin-O staining of the BNC network 6 seen.

Dieser Befund wurde durch den immunhistologischen Nachweis von neugebildetem Aggrekan bestätigt. Als weitere wichtige Knorpelkomponente wurde Kollagen Typ II im Gerüst des BNC-Netzwerks 6 nachgewiesen. Neben einer Einlagerung von Knorpelmatrix im Gerüst des BNC-Netzwerks 6 wurde eine Besiedlung der Oberfläche des BNC-Netzwerks 6 durch die aus dem Knorpel migrierten Chondrozyten 3 beobachtet.This finding was confirmed by immunohistological detection of newly formed aggrecan. Another important cartilage component was collagen type II in the framework of the BNC network 6 demonstrated. In addition to a storage of cartilage matrix in the framework of the BNC network 6 became a colonization of the surface of the BNC network 6 through the chondrocytes migrated out of the cartilage 3 observed.

Zur Verwendung von erfindungsgemäßen Implantaten zur Knorpelneubildung bei Knorpelschäden wird nach Diagnose (z. B. mittels MRT, Arthroskopie) der Knorpelschaden des Patienten entweder klassisch durch Eröffnung des Gelenkes oder aber arthroskopisch freigelegt. Gegebenenfalls erfolgt eine Glättung der Knorpelläsion des arthrotischen Defektes. In Abhängigkeit von der Größe des Knorpeldefektareals kann der Operateur aus einer Palette vorgefertigter BNC-Implantate auswählen und ein BNC-Implantat entsprechender Form und Größe in den Defekt einbringen. Die Besonderheit dieses BNC-Implantates besteht darin, dass das relativ lockere weitmaschige BNC-Netzwerk der Besiedlung mit aus dem Knorpel migrierenden Zellen dient. Diese Zellen können aufgrund der besonderen Beschaffenheit der weitmaschigen BNC gut einwandern und neue Knorpelmatrix bilden. Die für eine Befestigung des BNC-Vlieses während der OP benötigte Stabilität wird durch den verdichteten/engmaschigen Teil der BNC gewährleistet, welcher mit der weitmaschigen Phase der BNC fest verbunden ist. Die Fixierung des BNC-Implantates erfolgt demnach durch Vernähen des verdichteten/engmaschigen Anteils des BNC-Implantates mit der randständigen Knorpelschulter mittels resorbierbaren Nahtmaterials. Ebenso ist das Einkleben des Implantates mit chirurgischen Klebern (z. B. Fibrinkleber) sowie eine Verankerung des Implantates im darunter liegenden Knochen mittels resorbierbarer Pins/Nägel möglich. Nach Vernähen der Operationsöffnung sollte der Patient aufgrund des relativ schonenden Vorgehens (keine Verletzung intakter Knorpelareale zur Gewinnung von Chondrozyten wie bei der ACT) und der mechanischen Stabilität des Implantates nach kurzer Ruhephase das Gelenk wieder belasten können.For the use of implants according to the invention for cartilage regeneration in the case of cartilage damage, after diagnosis (eg by means of MRT, arthroscopy) the cartilage damage of the patient is either revealed by opening the joint or arthroscopically. If necessary, a smoothing of the cartilage lesion of the arthritic defect takes place. Depending on the size of the cartilage defect area, the surgeon can select from a range of prefabricated BNC implants and insert a BNC implant of appropriate shape and size into the defect. The peculiarity of this BNC implant is that the relatively loose, wide-meshed BNC network serves to colonize cells migrating from the cartilage. These cells are able to migrate well and form new cartilage matrix due to the particular nature of the wide-meshed BNC. The stability required for attachment of the BNC web during the operation is ensured by the compacted / close-meshed part of the BNC, which is firmly connected to the wide-meshed phase of the BNC. The fixation of the BNC implant is thus carried out by suturing the compacted / closely meshed portion of the BNC implant with the marginal cartilage shoulder resorbable suture material. Gluing the implant with surgical adhesives (eg fibrin glue) as well as anchoring the implant in the underlying bone by means of resorbable pins / nails is also possible. After suturing the surgical opening, the patient should be able to reload the joint after a short period of rest due to the relatively gentle procedure (no injury to intact cartilage areas to obtain chondrocytes as in ACT) and the mechanical stability of the implant.

11
weitmaschige Phase des BNC-Netzwerkeswide-mesh Phase of the BNC network
22
engmaschige Phase des BNC-Netzwerkesclose-knit Phase of the BNC network
33
Chondrozytenchondrocytes
44
künstlicher Defektartificial malfunction
55
Knorpelcartilage
66
BNC-NetzwerkBNC Network
77
ModellimplantatsystemModel Implant System
88th
Agaroseagarose
99
Kulturgefäßculture vessel
1010
Kulturmediumculture medium

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Claims (18)

Bakterielle Nanocellulose zur Knorpelneubildung, gekennzeichnet durch einen Aufbau, bestehend aus einer weitmaschigen Phase (1) der bakteriellen Nanocellulose sowie aus zumindest einer mit dieser fest verbundenen engmaschigen Phase (2) der bakteriellen Nanocellulose.Bacterial nanocellulose for cartilage regeneration, characterized by a structure consisting of a wide-meshed phase ( 1 ) of the bacterial nanocellulose and of at least one tightly connected phase ( 2 ) of bacterial nanocellulose. Bakterielle Nanocellulose gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau, bestehend aus der weitmaschigen Phase (1) und aus der zumindest einen engmaschigen Phase (2) der bakteriellen Nanocellulose, eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist mit einem Durchmesser von 3 mm bis 40 mm, vorzugsweise 3 mm bis 10 mm, und einer Höhe von 1 mm bis 10 mm, vorzugsweise 2 mm bis 4 mm.Bacterial nanocellulose according to claim 1, characterized in that the structure consisting of the wide-meshed phase ( 1 ) and at least one close-knit phase ( 2 ) of the bacterial nanocellulose, has a substantially cylindrical shape with a diameter of 3 mm to 40 mm, preferably 3 mm to 10 mm, and a height of 1 mm to 10 mm, preferably 2 mm to 4 mm. Bakterielle Nanocellulose gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der weitmaschigen Phase (1) in dem Aufbau 10% bis 90%, vorzugsweise 30% bis 80%, beträgt.Bacterial nanocellulose according to claim 1, characterized in that the proportion of the wide-meshed phase ( 1 ) in the structure is 10% to 90%, preferably 30% to 80%. Bakterielle Nanocellulose gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nanocellulose in der weitmaschigen Phase (1) und/oder in der zumindest einen engmaschigen Phase (2) Wachstums- und/oder Rekrutierungsfaktoren und/oder andere Proteine und sonstige Wirkstoffe, beispielsweise Medikamente, zugesetzt sind.Bacterial nanocellulose according to claim 1, characterized in that the nanocellulose in the wide-meshed phase ( 1 ) and / or in the at least one close-knit phase ( 2 ) Growth and / or recruitment factors and / or other proteins and other drugs, such as drugs are added. Bakterielle Nanocellulose gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weitmaschige Phase (1) einen mittleren Porendurchmesser von 10 μm bis 500 μm, vorzugsweise 100 μm bis 200 μm, und einen Cellulosegehalt von 0,1‰ bis 5,0‰ (Wassergehalt 99,50% bis 99,99%), vorzugsweise 0,5‰ bis 1,5‰ (Wassergehalt 99,85% bis 99,95%), aufweist.Bacterial nanocellulose according to claim 1, characterized in that the wide-meshed phase ( 1 ) has a mean pore diameter of 10 .mu.m to 500 .mu.m, preferably 100 .mu.m to 200 .mu.m, and a cellulose content of 0.1 ‰ to 5.0 ‰ (water content 99.50% to 99.99%), preferably 0.5 ‰ to 1.5 ‰ (water content 99.85% to 99.95%). Bakterielle Nanocellulose gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die engmaschige Phase (2) einen mittleren Porendurchmesser von 1 μm bis 20 μm, vorzugsweise 2 μm bis 6 μm, und einen Cellulosegehalt von 5,1‰ bis 10,0‰ (Wassergehalt 99,00% bis 99,49%), vorzugsweise 7,0‰ bis 9,0‰ (Wassergehalt 99,10% bis 99,30%), aufweist.Bacterial nanocellulose according to claim 1, characterized in that the close-meshed phase ( 2 ) has an average pore diameter of 1 .mu.m to 20 .mu.m, preferably 2 .mu.m to 6 .mu.m, and a cellulose content of 5.1 to 10.0 ‰ (water content 99.00% to 99.49%), preferably 7.0 to ‰ 9.0 ‰ (water content 99.10% to 99.30%). Bakterielle Nanocellulose gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nanocellulose Wachstumsfaktoren eingebracht sind, beispielsweise Wachstumsfaktoren der TGF Superfamilie, insbesondere TGF-b1 und TGF-b3, und/oder Mitglieder der BMP (Bone morphogenetic protein) Familie, und/oder Vertreter der EGF (Epidermal growth factor) und/oder FGF (Fibroblast groth factor) und/oder IGF (Insulin like growth factor) und/oder PDGF (Platelet derived growth factor) und/oder VEGF (Vascular endothelial growth factor) und/oder GDF (Growth and differentiation factor) Familien.Bacterial nanocellulose according to claim 4, characterized in that in the nanocellulose growth factors introduced, for example growth factors of the TGF superfamily, in particular TGF-b1 and TGF-b3, and / or members of the BMP (Bone morphogenetic protein) family, and / or representatives of EGF (epidermal growth factor) and / or FGF (fibroblast groth factor) and / or IGF (insulin like growth factor) and / or PDGF (Platelet derived growth factor) and / or VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) and / or GDF (Growth and differentiation factor) families. Bakterielle Nanocellulose gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nanocellulose Rekrutierungsfaktoren eingebracht sind, hauptsächlich Chemokine, beispielsweise Mitglieder der CXC Chemokinfamilie, insbesondere CXCL-7, und/oder Mitglieder anderer Chemokinfamilien (CC, CX3C und XC).Bacterial nanocellulose according to claim 4, characterized in that in the nanocellulose recruiting factors introduced, mainly chemokines, for example Members of the CXC chemokine family, in particular CXCL-7, and / or members other chemokine families (CC, CX3C and XC). Bakterielle Nanocellulose gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nanocellulose Knorpelmatrixkomponenten, wie beispielsweise Proteoglykane und Kollagene, eingebracht sind.Bacterial nanocellulose according to claim 1, characterized in that in the nanocellulose cartilage matrix components, such as proteoglycans and collagens are introduced. Bakterielle Nanocellulose gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nanocellulose, beispielsweise zum Zweck der Erhöhung ihrer initialen mechanischen Eigenschaften biokompatible Materialien, wie z. B. Calciumalginat und vernetzte Gelatine, eingebracht sind.Bacterial nanocellulose according to claim 1, characterized in that in the nanocellulose, for example for the purpose of increasing their initial mechanical properties biocompatible materials, such as Calcium alginate and crosslinked gelatin, are introduced. Verwendung der bakteriellen Nanocellulose gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die bakterielle Nanocellulose ohne Trocknung nach dem Kultivierungs- und Reinigungsprozess als initial-feuchtes Implantat zur Knorpelneubildung eingesetzt wird.Use of the bacterial nanocellulose according to a or more of claims 1 to 10, characterized that the bacterial nanocellulose without drying after the cultivation and Cleaning process as an initially moist implant for cartilage regeneration is used. Verwendung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das initial-feuchte Implantat aus der bakteriellen Nanocellulose ohne erforderliche weitere Modifikation zur in vivo-Knorpelneubildung vorgesehen ist.Use according to claim 11, characterized in that the initially moist implant from the bacterial nanocellulose without further modification required intended for in vivo cartilage regeneration. Verwendung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die bakterielle Nanocellulose zunächst vollständig oder teilweise in vitro mit Knorpelzellen besiedelt wird und anschließend als Implantat eingesetzt wird.Use according to claim 11, characterized in that the bacterial nanocellulose first completely or partially colonized in vitro with cartilage cells and then used as an implant. Verwendung der bakteriellen Nanocellulose gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanocellulose zur Lagerung, beispielsweise durch Gefriertrocknung oder Kritischpunkttrocknung, schonend getrocknet wird, wobei die Struktur und die Requellbarkeit der Nanocellulose erhalten bleiben, und dass das Implantat vor der chirurgischen Verwendung bzw. vor der in vitro-Anwendung, beispielsweise in physiologischer Kochsalzlösung oder auch in patienteneigenem oder allogenem (pharma-grade) Serum regequollen wird.Use of the bacterial nanocellulose according to a or more of claims 1 to 10, characterized that the nanocellulose for storage, for example by freeze-drying or Critical point drying, gently dried, the structure and maintainability of nanocellulose, and that the implant before surgical use or before in vitro use, for example in saline or physiological saline in patient's own or allogeneic (pharma-grade) serum becomes. Verfahren zur Herstellung der bakteriellen Nanocellulose gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau, bestehend aus der weitmaschigen Phase und aus der zumindest einen mit der weitmaschigen Phase fest verbundenen engmaschigen Phase der bakteriellen Nanocellulose in einem Kultivierungsschritt des Kultivierungsprozesses als Zwei-Phasen-Implantat generiert wird.Process for the preparation of the bacterial nanocellulose according to one or more of Claims 1 to 10, characterized in that the structure consisting of the wide-meshed phase and of the at least one close-meshed phase firmly connected to the wide-meshed phase bacterial nanocellulose is generated in a culture step of the cultivation process as a two-phase implant. Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an den Kultivierungsprozess und nach einer Reinigung der kultivierten bakteriellen Nanocellulose die Unterseite der weitmaschigen Phase zum Zweck einer Verfestigung vorzugsweise durch partiellen Wasserentzug verdichtet wird.A method according to claim 15, characterized characterized in that following the cultivation process and after purification of the cultured bacterial nanocellulose the bottom of the wide-meshed phase for the purpose of solidification preferably is compressed by partial dehydration. Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an den Kultivierungsprozess und nach einer Reinigung der kultivierten bakteriellen Nanocellulose an der Unterseite der weitmaschigen Phase zum Zweck einer Verfestigung ein dort ausgebildetes weiteres Polymernetzwerk, beispielsweise aus Calciumalginat, Calciumcarboxymethylcellulose oder vernetzten Acrylaten, aufgebaut wird.A method according to claim 15, characterized characterized in that following the cultivation process and after purification of the cultured bacterial nanocellulose at the bottom of the wide-meshed phase for the purpose of solidification trained there further polymer network, for example Calcium alginate, calcium carboxymethyl cellulose or cross-linked acrylates, is built. Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an den Kultivierungsprozess und nach einer Reinigung der kultivierten bakteriellen Nanocellulose die Oberflächen durch mechanische oder lasertechnische Behandlung geöffnet werden.A method according to claim 15, characterized characterized in that following the cultivation process and after purification of the cultured bacterial nanocellulose the surfaces by mechanical or laser technology Treatment to be opened.
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