Ziel der Entwicklung

Ziel des Projekts war es, ein artifizielles Mikrobiom zu entwickeln, das eine kontrollierte Interaktion zwischen Bakterien und Zellen in dreidimensionalen Zellkulturmodellen erlaubt. Dazu wurden Bakterienstämme der menschlichen Hautflora wie die Gram-positiven Keime Staphylococcus epidermidis und Corynebacterium striatum, aber auch Gram-negative Keime wie Escherichia coli in elektrogesponnene Polymerfasern eingebettet. Diese Fasern dienen nicht nur als Trägersystem für Lagerung und Transport, sondern ermöglichen eine steuerbare Freisetzung der Bakterien. Durch die gezielte Wahl bioverträglicher Polymere kann der Freisetzungsprozess an die gewünschten physiologischen Bedingungen angepasst werden. So wird eine reproduzierbare, mikrobiomähnliche Besiedlung des Zellmodells erreicht, ohne eine akute Immunreaktion zu provozieren.
Die zentrale Herausforderung bestand darin, den Prozess des Elektrospinnens hinsichtlich auftretender Belastungen (z. B. elektrisches Feld, Scherung, Lösungsmittelwahl) so zu gestalten, dass die eingebetteten Bakterien in ihrer Vitalität und Funktionalität erhalten bleiben. Gleichzeitig musste sichergestellt werden, dass das Polymer die Mikroorganismen vollständig umhüllt und die gewünschten Diffusionsprozesse zulässt. Das Zusammenspiel aus Materialwahl, Prozessführung und biologischer Kompatibilität ist dabei entscheidend, um eine langfristige Stabilität des Systems und eine gezielte Interaktion mit dem zellulären Gewebe zu ermöglichen.
Mit diesem Ansatz wurde ein innovativer Weg zur Erweiterung zellbasierter 3D-Modelle um eine mikrobielle Komponente beschritten. Das Verfahren stellt eine vielversprechende Alternative zu bestehenden Methoden dar und trägt zur Weiterentwicklung realistischer, tierversuchsfreier Modelle in der medizinischen Forschung bei.

Vorteile und Lösungen

Mikroorganismen werden mittels Electrospinning in Polymerfasern eingebettet und dabei vollständig von der Polymermatrix umschlossen. Durch den Einsatz wasserlöslicher Polymere wie Polyvinylalkohol (PVA) oder Polyethylenoxid (PEO) kann die Vitalität der Mikroorganismen bewahrt werden. Auf diese Weise bleiben sowohl ihre metabolische Aktivität als auch ihre immunmodulatorischen Eigenschaften auch nach dem Electrospinning-Prozess erhalten.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Integration von Mikroorganismen in funktionelle Polymerträger ermöglichen vielfältige Anwendungen, da die Fasern als Trägermaterial die gezielte Bereitstellung und Steuerung mikrobieller Aktivität erlauben. Die Entwicklung schafft so für Anwenderunternehmen einen technologischen Mehrwert. Kurz- bis mittelfristig liegt der Schwerpunkt auf Organ-on-Chip- und biomedizinischen Anwendungen. So können beispielsweise in der Medizin probiotische Keime kontrolliert freigesetzt werden, etwa zur Regeneration des Mikrobioms, Wundheilung oder als Implantatbeschichtung.
Langfristig sind weitere Einsatzfelder etwa in der Agrar- und Umwelttechnik vorgesehen.
Hier dienen Polymerfasern als Träger stickstoff-fixierender Bakterien und fördern nachhaltiges Pflanzenwachstum, während sie in der Umwelttechnik zur Wasser- oder Luftreinigung beitragen, indem sie Mikroorganismen stabil anlagern und Schadstoffe abbauen. Materialmodifikationen können Freisetzung und Aktivität weiter verbessern.
Der Transfer erfolgt über Industriekooperationen, gemeinsame FuE- und Produktentwicklungen, Demonstratoren/Proof-of-Concepts und Folgeforschungsprojekte. Wirtschaftlich werden sowohl zusätzliche FuE- und Dienstleistungserlöse bei INNOVENT als auch vor allem Umsatzsteigerungen und Wettbewerbsvorteile bei den Anwenderunternehmen erwartet.