US-Forscher machen Fortschritte beim 3D-Druck von Knochen

Biowissenschaftler rücken näher an 3D-gedruckte künstliche Gewebe heran, um Knochen und Knorpel zu heilen, die typischerweise bei Sportverletzungen an Knien, Knöcheln und Ellbogen auftreten.

Wissenschaftler der Rice University und der University of Maryland berichteten von ihren ersten Erfolgen beim Konstruieren von Gerüsten, die die physikalischen Eigenschaften von osteochondralem Gewebe nachahmen – im Grunde harter Knochen unter einer komprimierbaren Knorpelschicht, die als glatte Oberfläche an den Enden langer Knochen erscheint.

Verletzungen an diesen Knochen, von kleinen Rissen bis hin zu Bruchstücken, können schmerzhaft sein und oft die Karriere der Sportler in ihren Bahnen aufhalten. Osteochondrale Verletzungen können auch zu behindernder Arthritis führen.

Der Gradientencharakter von Knorpel und Knochen und seine Porosität haben es schwierig gemacht, sie im Labor zu reproduzieren, aber Reiswissenschaftler, angeführt von Bioingenieur Antonios Mikos und Doktorand Sean Bittner, haben mithilfe des 3D-Drucks ein Material hergestellt, von dem sie glauben, dass es ein geeignetes Material ist zur Implantation.

Ihre Ergebnisse werden in Acta Biomaterialia berichtet.

“Athleten sind von diesen Verletzungen überproportional betroffen, aber sie können alle betreffen”, sagte Bittner, ein drittes Jahr im Bereich Bioingenieurwesen bei Rice, ein Stipendiat der National Science Foundation und Leitautor der Zeitung. “Ich denke, dies wird ein starkes Werkzeug sein, um Menschen mit normalen Sportverletzungen zu helfen.”

Der Schlüssel ist das Nachahmen von Gewebe, das sich allmählich vom Knorpel (Chondralgewebe) an der Oberfläche zum Knochen (Osteo) darunter dreht. Das Biomaterials Lab von Rice druckte ein Gerüst mit maßgeschneiderten Mischungen aus einem Polymer für erstere und einer Keramik für letztere mit eingebetteten Poren, durch die die eigenen Zellen und Blutgefäße des Patienten das Implantat infiltrieren und schließlich Teil von Knochen und Knorpel  werden können .

“Die Zusammensetzung wird größtenteils von Patient zu Patient gleich sein”, sagte Bittner. „Durch die Porosität kann das Gefäßsystem aus dem natürlichen Knochen wachsen. Wir müssen die Blutgefäße nicht selbst herstellen.”

Die Zukunft des Projekts wird darin bestehen, herauszufinden, wie ein osteochondrales Implantat gedruckt werden kann, das perfekt auf den Patienten abgestimmt ist und das poröse Implantat in den Knochen und den Knorpel wachsen und mit diesem verweben kann.

Mikos sagte, die Zusammenarbeit sei ein sehr früher Erfolg für das Center for Engineering Complex Tissues (CECT), ein nationales Gesundheitsinstitut in Maryland, Rice und die Wake Forest School of Medicine, das Bioprinting-Werkzeuge entwickelt, um grundlegende wissenschaftliche Fragen zu beantworten und neues Wissen in die Praxis umzusetzen klinische Praxis.

“In diesem Zusammenhang ist das, was wir hier getan haben, wirkungsvoll und kann zu neuen Lösungen für die regenerative Medizin führen”, sagte Mikos.

Mitautoren der Zeitung sind der Diplom-Student von Rice, Brandon Smith, Postdoktorand Luis Diaz-Gomez, Carrigan Hudgins, Anthony Melchiorri, stellvertretender Direktor des Biomaterials Lab, und David Scott, der Noah Harding-Professor für Statistik; und John Fisher, CECT-Direktor und Fischell Family Distinguished Professor und Vorsitzender der Fischell-Abteilung der University of Maryland für Bioengineering. Mikos ist der Louis Calder-Professor für Bioengineering und Professor für chemische und biomolekulare Technik, für Chemie sowie für Materialwissenschaft und Nanoengineering.