Forscher entwickeln 3D gedrucktes Kalziumsilikat-Knochen-Gerüst

Ein Forschungsteam der Krankenhäuser der nationalen Taiwan Universität, chinesischen medizinischen Universität und der Asia Universität hat mehrere Verfahren untersucht um Knochengerüste für die Reparatur von Gesichtsknochen zu drucken. Vor allem Knochendefekte im Gesicht sind schwer zu behandeln und benötigen aufwendige Operationen in denen additiv gefertigte Implantate verwendet werden.

Gedruckte Gerüste werden im medizinischen Bereich verwendet um Zellen mehr Halt und Struktur beim Wachstum zu geben. Ebenfalls helfen sie bei der Regeneration von umliegenden Gewebe. Für Knochenimplantate wird häufig Calciumphosphat und Calciumsulfat verwendet, diese unterstützen aber nicht die Regeneration von Knochen (Osteokonduktivität) und lassen sich schlecht verändern.

Das Forschungsteam veröffentlichte einen Artikel mit dem Namen „Effects of bone morphogenic protein-2 loaded on the 3D-printed MesoCS scaffolds”, dabei haben sie mesoporöse Calciumsilikat (MesoCS) als Grundgerüst verwendet und mit BMP-2 beschichtet. Zum Beschichten haben sie zwei unterschiedliche Verfahren verwendet. Das Implantat konnte durch ein FDM Verfahren, auf dem Biodrucker von GeSim erzeugt werden. Das Team hat neue Knochenersatzmaterialien entwickelt, die sowohl osteokonduktiv als auch osteoinduktiv (Anregung von Knochenneubildung) sind.

“In this study, there are two methods of loading BMP-2: (1) the pre-loading (PL) method by mixing MesoCS and BMP-2 as a raw material for a 3D-printer, and (2) the direct-loading (DL) method by soaking the 3D-printed MesoCS scaffold in a BMP-2 solution. The characteristics of MesoCS scaffold were examined by transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). Their physical properties, biocompatibility, and osteogenic-related ability were also evaluated.”

Durch die 3D gedruckten Gerüste entstehen Bedingungen für die Zellen, die vergleichbar sind mit Bedingungen im Körper, wodurch Strukturen aufgebaut werden können, die die Reparatur des Knochens unterstützen. Materialien, die auf Calciumsilikat Basis bestehen, verstärken ebenfalls den Effekt der Regeneration, aber nur wenn sie bioaktiv und biologisch abbaubar sind. Normales CS Pulver hat zu große Partikel, wodurch die Freisetzung von Wirkstoffen zu unregelmäßig ist, weshalb das Forschungsteam mesoporöses (Partikelgröße zwischen 2 und 50 nm) Pulver verwendet hat.

Vor-Lade-Verfahren oder Direktes-Lade-Verfahren?

“The 3D MesoCS/PCL scaffolds showed excellent biocompatibility and physical properties. After soaking in simulated body fluid, the bone-like apatite layer of the PL and DL groups could be formed. In addition, the DL group released fifty percent more than the PL group at the end of the first day and PL showed a sustained release profile after 2 weeks”.

Durch die Studie wird gezeigt, dass obwohl die Methode des Vorladens normalerweise schlechte Ergebnisse vorzeigt, es in Kombination mit MesoCS ein längeres Wirkstofffreisetzungsmuster entsteht, welches nicht mit dem traditionellen direkten Laden mit BMP-2 erreicht werden konnte.

Mehr zum Paper “Effects of bone morphogenic protein-2 loaded on the 3D-printed MesoCS scaffolds” finden Sie hier.