3D-gedruckte Biomaterialien zur Herstellung von Gesichtsknochentransplantaten

Forscher der Texas A&M University haben 3D-Druck, Biomaterial-Engineering und Stammzellbiologie kombiniert, um neue, effizientere, anpassbare Knochentransplantationsmaterialien zu entwickeln.

Mithilfe dieser drei Technologien haben die Wissenschaftler 3D-gedruckte knochenbildende Gerüste hergestellt, die nicht nur das Wachstum von Knochenzellen erleichtern, sondern auch als stabile Plattform für die Knochenregeneration in angepassten Formen dienen. Das neuartige Biomaterial könnte eine Alternative zur Verwendung von Metallen und Polymeren in der rekonstruktiven Chirurgie darstellen, wobei sich das Hauttransplantat nach der Heilung nahtlos in den Schädel des Patienten integrieren könnte.

“Die für kraniofaziale Knochenimplantate verwendeten Materialien sind entweder biologisch inaktiv und extrem hart, wie Titan, oder biologisch aktiv und zu weich, wie Biopolymere”, erklärte Roland Kaunas, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Biomedizinische Technik. “In unserer Studie haben wir ein synthetisches Polymer entwickelt, das sowohl bioaktiv als auch mechanisch fest ist. Diese Materialien sind auch 3D-druckbar, so dass individuell geformte kraniofaziale Implantate hergestellt werden können, die sowohl ästhetisch ansprechend als auch funktionell sind”.

Jedes Jahr gibt es etwa 200.000 Verletzungen an Kiefer-, Gesichts- und Kopfknochen. Zur Reparatur fixieren die Ärzte diese gebrochenen Knochen oft mit Titanplatten und -schrauben, so dass die umgebenden Knochenzellen wachsen und eine Hülle um das Metallimplantat bilden können. Trotz seines Gesamterfolgs bei der Unterstützung der Knochenreparatur besteht einer der Hauptnachteile von Titan darin, dass es sich nicht immer in das Knochengewebe integriert, was dann zum Versagen des Implantats führen kann und in späteren Fällen eine weitere Operation erforderlich macht.

Daher bieten biokompatible Polymere, insbesondere ein Typ namens Hydrogele, eine vorzuziehende Alternative zu Metallimplantaten. Diese weichen Materialien können mit Knochenstammzellen beladen und dann in jeder gewünschten Form 3D-gedruckt werden. Außerdem kann der Körper im Gegensatz zu Titanplatten Hydrogele mit der Zeit abbauen. Hydrogele haben jedoch auch eine bekannte Schwäche.

“Obwohl die Biegsamkeit von Materialien auf Hydrogelbasis sie zu guten Tinten für den 3D-Bioprint macht, beeinträchtigt ihre Weichheit die mechanische Stabilität des Implantats und die Genauigkeit der gedruckten Teile”, so Akhilesh Gaharwar, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Biomedizintechnik.

Um die Steifigkeit des Hydrogels zu erhöhen, entwickelten die Forscher eine nanotechnologisch hergestellte, ionisch-kovalente Verschränkung oder “NICE”-Rezeptur, die nur drei Hauptzutaten enthält: einen Extrakt aus Meeresalgen namens Kappa-Carrageenan, Gelatine und Nanosilikat-Partikel, die sowohl das Knochenwachstum stimulieren als auch das NICE-Hydrogel mechanisch verstärken.

Zuerst haben sie die Gelatine und das Kappa-Carrageenan in mikroskopischen Maßstäben gleichmäßig vermischt und dann die Nanosilikate hinzugefügt. Gaharwar zufolge erzeugten die chemischen Bindungen zwischen diesen drei Bestandteilen ein viel steiferes Hydrogel für den 3D-Bioprinting – mit einer fast achtfachen Festigkeitssteigerung im Vergleich zu einzelnen Komponenten der NICE-Bioink.

Als nächstes fügten sie adulte Stammzellen zu den mit NICE-Tinte in 3D gedruckten Teilen hinzu und brachten die Stammzellen dann chemisch dazu, sich in Knochenzellen umzuwandeln. Innerhalb weniger Wochen stellten die Forscher fest, dass die Zellen zahlenmäßig gewachsen waren und einen hohen Anteil an knochenassoziierten Proteinen, Mineralien und anderen Molekülen produzierten. Insgesamt bildeten diese Zellsekrete ein Gerüst, die so genannte extrazelluläre Matrix, mit einer einzigartigen Zusammensetzung biologischer Materialien, die für das Wachstum und Überleben der sich entwickelnden Knochenzellen erforderlich sind.

Wenn das Gerüst vollständig entwickelt ist, konnten die Forscher feststellen, dass die Knochenzellen aus dem Gerüst entfernt werden können und das Hydrogel-basierte Implantat dann an der Stelle der Schädelverletzung eingesetzt werden kann, wo die umgebenden, gesunden Knochen die Heilung einleiten. Mit der Zeit bauen sich die 3D-gedruckten Gerüste biologisch ab und hinterlassen einen verheilten Knochen in der richtigen Form.

Ein ausführlicher Bericht über die Ergebnisse wurde im März in der Zeitschrift Advanced Healthcare Materials unter dem Titel “Conditioning of 3D Printed Nanoengineered Ionic–Covalent Entanglement Scaffolds with iP‐hMSCs Derived Matrix” veröffentlicht.