3D-gedruckte Implantate aus “hyperelastischem Knochen” könnten zukunftsweisend sein

Ein Forscherteam der Northwestern University in den USA hat ein 3D-druckbares Biomaterial entwickelt um maßgeschneiderte Implantate herzustellen, welche die Regeneration von körpereigenen Knochenzellen fördern.

In den vergangenen Jahren haben Forscher immer wieder versucht ein geeignetes Material zum Bioprinting von synthetischem Knochen zu entwickeln. Die Herausforderung liegt dabei Trägerstrukturen zu schaffen die zugleich stabil sind und das Wachstum von Knochenzellen sowie Blutgefäßen fördern. Die sogenannten “Bio-Inks” mit denen sich am 3D-Drucker Zellträger herstellen lassen, verfügen meist nicht über die Stabilität und Belastbarkeit, wie sie für Knochenimplante nötig sind.

Derzeit werden für Knochenrekonstruktionen oft Implantate aus Metall verwendet oder aus körpereigenem Knochen, vielfach dem Oberschenkelknochen, ausgeschnitten. Bei Kindern stellen diese Lösungen oft ein Problem dar. Metallimplantate wachen nicht mit dem Körper und Knochentransplantate führen oft zu anderen Komplikationen und Schmerzen.

Einem Team von Wissenschaftlern ist es nun gelungen ein 3D-druckbares Biomaterial herzustellen, das sie “hyperelastischen Knochen” nennen. Das Material besteht aus einem im menschlichen Knochen natürlich vorkommenden Kalzium, genannt Hydroxylapatit, sowie einem für medizinische Anwendungen verwendeten, biologisch abbaubaren Kunststoff. Bedeutend ist aber vor allem die 3D-gedruckte poröse Struktur, die es Knochenzellen und Blutgefäßen ermöglich sich im Inneren neu zu bilden. Die vom Team unter der Leitung von Professor Ramille N. Shah gedruckten 3D-Strukturen weisen unterschiedliche Stufen an Porosität auf, die sowohl für physische als auch biologische Eigenschaften von Vorteil sind. Bisherige Testversuche mit in-vivo Tiermodellen haben positive Ergebnis gezeigt.

Währen Hydroxyapatite ein hervorragend Material zur Förderung von Knochenwachstum ist, ist es sehr hart und brüchig, was das Arbeiten damit zu einer Herausforderung macht. Deshalb haben Forscher es bislang immer zu einem hohen Prozentanteil mit Kunststoff vermischt um diese Eigenschaften zu kompensieren. Dies zieht allerdings die Tatsache nach sich, dass die Bioaktivität gehemmt ist, da zu wenig Kalzium-Material für die Neubildung von Knochen vorhanden ist. Shah und ihr Team hat durch die spezielle 3D-gedruckte Struktur des Materials eine Relation von 90% Hydroxyapatite zu 10% Kunststoff erreicht, die trotzdem flexibel bleibt.

“Cells can sense the hydroxyapatite and respond to its bioactivity,” erklärt Shah.

Zusätzlich ist es den Forschern gelungen weitere Substanzen in der Material mit einzubinden, darunter Antibiotika welche das Risiko einer Infektion nach der Operation senken. Professor Shah glaubt, dass es zukünftig möglich sein wird innerhalb kürzester Zeit maßgeschneiderte Knochenimplantate für Patienten direkt im Krankenhaus am 3D-Drucker herzustellen:

“The turnaround time for an implant that’s specialized for a customer could be within 24 hours.That could change the world of craniofacial and orthopaedic surgery, and, I hope, will improve patient outcomes.”

Link zur Studie: Hyprelastic “bone”: A highly versatile, growth factor–free, osteoregenerative, scalable, and surgically friendly biomaterial

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