Forcher entwickeln Biohybrid-Material mit Knorpel-ähnlichen Eigenschaften

Die Herstellung von Biomaterialien, die der Leistungsfähigkeit von Knorpel und Sehnen entsprechen, war bisher ein schwer zu erreichendes Ziel für Wissenschaftler, aber ein neues Material, das in Cornell entwickelt wurde, zeigt einen vielversprechenden neuen Ansatz zur Nachahmung von natürlichem Gewebe.

Die Ergebnisse wurden am 8. Juli in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht und bieten eine neue Strategie für die Synthese von klinischen Lösungen für beschädigtes Gewebe.

Gewebe muss weich genug sein, um sich zu beugen und zu biegen, aber auch haltbar genug, um einer längeren Belastung standzuhalten – zum Beispiel dem Gewicht, das eine Kniesehne tragen muss. Wenn sich Gewebe abnutzt oder beschädigt wird, können Kollagenhydrogele und synthetische Materialien als Ersatz dienen, aber keines von beiden verfügt über die richtige Kombination aus biologischen und mechanischen Eigenschaften von natürlichem Gewebe.

Jetzt haben Forscher aus Cornell ein Biohybrid-Verbundmaterial entwickelt, das die wesentlichen Eigenschaften eines natürlichen Gewebes aufweist. Das Material besteht aus zwei Hauptbestandteilen: Kollagen – das dem Material seine Weichheit und Biokompatibilität verleiht – und einem synthetischen zwitterionischen Hydrogel, das positiv und negativ geladene Molekülgruppen enthält.

“Diese Ladungsgruppen interagieren mit den negativ und positiv geladenen Gruppen im Kollagen, und diese Interaktion ermöglicht es den Materialien, Energie abzubauen und ein hohes Maß an Zähigkeit zu erreichen”, sagte Lawrence Bonassar, der Daljit S. und Elaine Sarkaria Professor für Biomedizintechnik am College of Engineering und Mitautor der Studie.

Der Biohybrid-Verbundstoff nähert sich der Leistungsfähigkeit von Gelenkknorpel und anderen biologischen Geweben an und besitzt eine 40 % höhere Elastizität und eine 11-mal höhere Bruchenergie – ein Maß für die Haltbarkeit – als das zwitterionische Material selbst.

Nikolaos Bouklas, Assistenzprofessor an der Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering und Mitautor der Studie, sagte, dass die Biokompatibilität des Materials bedeutet, dass es Zellen rekrutieren und am Leben erhalten kann.

“Letztendlich wollen wir etwas für die regenerative Medizin schaffen, z. B. ein Gerüst, das anfänglichen Belastungen standhält, bis sich das Gewebe vollständig regeneriert”, so Bouklas. “Mit diesem Material könnte man ein poröses Gerüst mit Zellen 3D-drucken, die schließlich das eigentliche Gewebe um das Gerüst herum bilden könnten.”

Darüber hinaus baut sich das Biohybrid-Material selbst auf, sobald die beiden Bestandteile gemischt sind, so Bouklas, und schafft “das gleiche vernetzte Kollagennetzwerk wie im natürlichen Knorpel, das ansonsten nur sehr schwer herzustellen wäre.”

An der Forschung waren vier Forschungslabors aus drei verschiedenen Abteilungen beteiligt, die vom Cornell Center for Materials Research einen Zuschuss erhielten. Das in dem Biohybrid-Verbundstoff verwendete Kollagen wurde bereits in Bonassars Labor entwickelt, während das zwitterionische Hydrogel von den Koautoren der Studie, Robert Shepherd, außerordentlicher Professor an der Sibley School, und Emmanuel Giannelis, Walter R. Read Professor of Engineering in der Abteilung für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, entwickelt wurde.

Die Autoren der Studie forschen weiter an dem Material und den molekularen Prozessen hinter seiner Synthese. Laut Bonassar eignet sich das Material gut für die Art von Bioprinting, bei der sein Labor Pionierarbeit geleistet hat, und die Autoren haben bereits mit der Verwendung als 3D-Druckmaterial experimentiert.

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