Forschende züchten mit Hilfe von Eierschalen und 3D-Druck Knochengewebe im Labor

Eierschalen die hauptsächlich aus Kalziumkarbonat bestehen finden in zahlreichen Bereichen Anwendung – von der Futtermittelergänzung bis hin zur Schädlingsbekämpfung im Garten. Doch nun nutzen Forschende Eierschalen auch um Gewebe für Implantate zu züchten die beschädigte oder erkrankte Knochen und Knorpel ersetzen können. Diese bahnbrechende Forschung könnte die Medizin revolutionieren.

Unter der Leitung von Prof. Dr. Gulden Camci-Unal von der Abteilung für Chemieingenieurwesen an der University of Massachusetts Lowell, hat das Forschungsteam diesen Ansatz zur Wiederverwendung von Eierschalen entwickelt. Eierschalen, die hauptsächlich aus Calciumcarbonat bestehen, werden in verschiedenen Anwendungen genutzt, aber ihr Potenzial in der Medizin wurde bislang weitgehend übersehen. Camci-Unal und ihr Team haben seit 2016 intensiv daran gearbeitet, fein zerkleinerte Eierschalen zu verwenden, um winzige 3D-Strukturen, sogenannte Gerüste, zu schaffen, auf denen Knochenzellen wachsen und sich vermehren können.

„Jedes Jahr werden weltweit Millionen von Tonnen von Eierschalen weggeworfen. Da sie als Abfall betrachtet werden, wird ihr Potenzial als unkonventionelles Biomaterial im medizinischen Bereich weitgehend übersehen“, sagt Camci-Unal, die Robert and Gail Ward Endowed Professor in Biomedical Materials Development ist. „Unser Ziel ist es, diese Eierschalenabfälle für die personalisierte Medizin wiederzuverwenden. Eierschalen enthalten Mineralien, die auch in menschlichen Knochen vorkommen, was sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für biomedizinische Anwendungen macht.”

In einem weiteren Schritt haben die Forschenden nun einen biokompatiblen und biologisch abbaubaren synthetischen Polymer verwendet, um diese Eierschalen-basierten Gerüste zu verstärken. Mithilfe der 3D-Drucktechnologie können sie präzise geformte Strukturen für Implantate herstellen, die sich ideal für die Reparatur und Regeneration von geschädigtem Gewebe eignen. Diese Technologie ermöglicht es, patientenspezifische Implantate zu entwerfen, die genau auf die individuellen Bedürfnisse abgestimmt sind.

„Im Labor gezüchtete Knochentransplantate, die mit Mikropartikeln aus Eierschalen verstärkt sind, unterstützen nicht nur das Knochenwachstum und die Heilung, sondern können auch das Risiko von Komplikationen verringern und so den Krankenhausaufenthalt verkürzen und die Genesung beschleunigen“, sagt sie.

Ein bedeutender Vorteil dieser Methode liegt in der nachhaltigen Nutzung von Eierschalen, die weltweit in Millionen Tonnen als Abfallprodukt entsorgt werden. Da Eierschalen Mineralien enthalten, die auch in menschlichen Knochen vorkommen, sind sie vielversprechende Kandidaten für biomedizinische Anwendungen.

„Der 3D-Druck kann die architektonischen und biologischen Merkmale von natürlichem Gewebe besser nachahmen als herkömmliche Methoden“, sagt sie. „Er ermöglicht es uns, patientenspezifische Implantate zu entwerfen und Gerüste in den klinisch benötigten Formen und Größen präzise herzustellen.“

Die Forschenden verwenden ein thermoplastisches Polymer namens Polycaprolacton, das mit Eierschalen-Mikropartikeln gemischt wird, um Kompositpellets zu erzeugen. Diese Pellets werden dann geschmolzen und als „Tinte“ in einem 3D-Drucker verwendet, um die Gerüststrukturen Schicht für Schicht aufzubauen. Die resultierenden Strukturen weisen eine höhere mechanische Festigkeit und Tragfähigkeit auf, was sie besonders geeignet für orthopädische Anwendungen macht.

„Die Präzision der 3D-Drucktechnologie wird uns in die Lage versetzen, maßgeschneiderte und komplizierte Strukturen zu entwerfen, die auf die Bedürfnisse des einzelnen Patienten zugeschnitten sind“, erklärt sie. „So kann beispielsweise der Knochendefekt eines Patienten mit einem Laser gescannt und dann ein Implantat auf Eierschalenbasis in 3D gedruckt werden, das genau in diesen Defekt passt.“

Das Forschungsteam plant nun, die Arbeit weiter auszubauen und neue Partner sowie externe Finanzierungen zu gewinnen, um diese vielversprechende Technologie in die klinische Praxis zu überführen. Die bisherigen Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces veröffentlicht und könnten zukünftig wichtige Beiträge zur Knochenregeneration und anderen medizinischen Anwendungen leisten.