UA-Forscher untersuchen, wie lange Knochensegmente mit 3D-Druck nachwachsen können

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Nicht alle gebrochenen Knochen heilen. Ein Wissenschaftler der Universität von Arizona hofft jedoch, dieses Problem mit einer Kombination aus 3D-Druck und adulten Stammzellen lösen zu können.

 

„Stellen Sie sich einen Aufprall vor, der dazu führt, dass die Hälfte eines langen Knochens zerbricht, sodass er nicht wieder zusammengefügt werden kann. Keine derzeitige chirurgische Behandlung kann sicherstellen, dass diese Art von Verletzung heilt“, erklärte John A. Szivek, Wissenschaftler am UA College of Medicine – Tucson. „Dies ist ein wirklich großes Problem für das Militär, wo Explosionen oder Kampfverletzungen große Knochendefekte verursachen können.“

Um dem Militärpersonal bei diesen verheerenden Verletzungen zu helfen, hat Dr. Szivek, ein biomedizinischer Ingenieur und Professor für orthopädische Chirurgie, vom US-Verteidigungsministerium fünf Jahre lang einen Zuschuss von zwei Millionen US-Dollar erhalten, um eine Studie zu starten, um herauszufinden, wie Knochenbrüche mit geheilt werden können eine Kombination aus 3D-Druck und adulten Stammzellen.

Mit Hilfe klinischer Partner in der Abteilung für orthopädische Chirurgie der UA plant das Labor von Dr. Szivek, 3D-Gerüste – knochenförmige Kunststoffrahmen – zu drucken, die große, fehlende oder gebrochene Knochensegmente ersetzen können. Diese Gerüste werden mit Kalziumpartikeln und adulten Stammzellen gefüllt, zwei Schlüsselelementen, die zu einer viel schnelleren Heilung und zum Knochenwachstum führen.

Nach der Implantation dient das Gerüst als Vorlage für den Knochen, auf dem es wachsen kann.

Pilotstudien in Dr. Sziveks Labor haben gezeigt, dass diese Technik gut funktioniert. „Wir haben eine vollständige Knochenbildung erreicht und in etwa drei Monaten einen großen Knochendefekt bedeckt. Jetzt wollen wir diesen Heilungsprozess noch schneller machen“, sagte er.

Das Team wird testen, ob die Übung zu einem frühen Zeitpunkt des Heilungsprozesses die Heilung und Genesung beschleunigen kann.

„Studien haben gezeigt, dass Bewegung die Knochen zum Wachsen bringt. Vielleicht können wir Knochen mit unseren Übungen noch schneller wachsen lassen“, sagte Dr. Szivek.

Um diese Theorie zu testen, werden die 3D-Implantate mit winzigen Sensoren ausgestattet, die Übungsaktivitäten drahtlos übertragen können.

Diese Sensoren analysieren die Beladung bzw. wie viel Gewicht auf dem Gerüst lastet und für wie lange.

Die Knochengröße in einer aktiven Gruppe, die regelmäßig trainiert, wird mit einer inaktiven Gruppe verglichen. Das Team von Dr. Szivek erwartet, dass die aktive Gruppe, die ihre heilenden Gliedmaßen regelmäßig belastet, ein viel schnelleres Knochenwachstum zeigt. Sein Team hofft, Richtlinien für die postoperative physikalische Therapie zu entwickeln, indem er demonstriert, dass Bewegung zu einer besseren Knochenbildung führt.

Wenn die Studie erfolgreich ist, geht Dr. Szivek davon aus, dass die klinischen Versuche bei Militärpersonal stattfinden werden.

Die derzeitige Behandlung dieser traumatischen Verletzungen versagt normalerweise und erfordert wiederholte Operationen.

„Patienten brechen den beschädigten Knochenbereich häufig erneut auf, nachdem Chirurgen versucht haben, ihn zu reparieren, und die Gliedmaßen werden schließlich amputiert“, erklärte Dr. Szivek. „Es gibt einfach keine gute Möglichkeit, gerade lange Knochensegmente zu regenerieren oder wieder zusamenwachsen zu lassen.“

Der menschliche Körper wird versuchen, nach einer Verletzung für einige Monate einen fehlenden oder beschädigten Knochen zusammenwachsen zu lassen, gibt jedoch den Vorgang schließlich auf. An diesem Punkt füllt Narbengewebe den Defekt anstelle von Knochen.

„Deshalb müssen wir einen Weg finden, wie man Knochen so schnell wie möglich wachsen lässt – um dem Körper zu helfen, solange er noch wachsen kann und den Knochen ersetzen kann“, sagte Dr. Szivek.

Dr. Szivek hofft, dass die potenzielle Therapie auch Patienten mit operativ entferntem Knochenkrebs helfen wird.

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