20. 02. 2025
Verfasst von: Cornelia Lee-Thedieck, Christina Amrhein-Bläser
Knochenersatz aus dem 3D-Drucker
Wenn Knochen nach einem Unfall oder einer Tumorbehandlung nicht heilen, können Knochentransplantate oder Ersatzmaterialien helfen. Die medizinischen, biologischen und technischen Herausforderungen dabei sind sehr groß. Eine Forschungsgruppe der Leibniz Universität Hannover hat ein neuartiges Nanokomposit-Hydrogel entwickelt und zum Patent angemeldet. Es wird individualisiert im 3D-Druck hergestellt, ahmt die chemische Komposition von Knochengewebe nach und weist eine hervorragende Formtreue, hohe Porenvernetzung sowie gute mechanische und physiologische Eigenschaften auf.
Nanokomposit-Hydrogel bildet Knochenstruktur nach
Erreichen Knochendefekte, die durch eine Verletzung, eine degenerative Erkrankung oder eine chirurgische Tumorentfernung entstehen, eine kritische Größe, heilen sie im Laufe des Lebens eines Patienten nicht spontan. Sie stellen nicht nur eine erhebliche individuelle Belastung dar, sondern wirken sich auch gesellschaftlich und wirtschaftlich aus. Die derzeitigen Behandlungsmöglichkeiten werden häufig durch mögliche Komplikationen, schlechte funktionelle oder ästhetische Ergebnisse, eine begrenzte Verfügbarkeit von Gewebe für Knochentransplantate und hohe finanzielle Kosten behindert. Weltweit werden bei mehr als vier Millionen Operationen pro Jahr Knochentransplantate oder Ersatzmaterialien benötigt. Folglich besteht ein erheblicher klinischer und wirtschaftlicher Bedarf an neuartigen Behandlungsmethoden für Knochendefekte von kritischer Größe.
Biomimetisches Knochenmaterial per 3D-Druck
Mithilfe von Tissue Engineering kann Knochengewebe, das dem natürlichen Vorbild im Körper nachempfunden ist, als Ersatz gezüchtet werden (Biomimetik). Die Entwicklung zuverlässiger dreidimensionaler Gerüste, die neben ihren chemischen, mechanischen und biologischen Eigenschaften auch die genaue Architektur des Knochengewebes nachahmen können, gilt als große Herausforderung. Neben anderen Herstellungsmethoden hat sich der 3D-Druck in den vergangenen zehn Jahren als vielversprechende Technik herauskristallisiert. Hiermit lassen sich verschiedene Arten von Materialien und Zellen verwenden sowie die räumliche Verteilung innerhalb eines gedruckten Gerüsts steuern. Jedoch konnten bisherige Materialien – natürliche oder synthetische Polymere, Nanokeramiken, Verbundwerkstoffe, biokompatible oder Nanokomposit-Hydrogele – nicht die genaue chemische Zusammensetzung eines Knochengewebes nachahmen, oder sie waren aufgrund technischer Einschränkungen für den 3D-Druck von knochenähnlichen Gerüsten ungeeignet.
Gut verträglich, formbar und wachstumsfördernd
Als Lösung hat eine Forschungsgruppe der Leibniz Universität Hannover ein neuartiges 3D-druckbares Nanokomposit-Hydrogel auf der Basis von Gelatine-Methacrylat (GelMA) und Nanohydroxyapatit (nHA) entwickelt. „Unser Material hat eine dem natürlichen Knochen nachempfundene Zusammensetzung. Es ist gut verträglich für Knochenzellen, erlaubt ihre Ausreifung, besitzt ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und kann im 3D-Druck in jede gewünschte Form gebracht werden“, sagt Projektleiterin Prof. Dr. Cornelia Lee-Thedieck. Dies ermöglicht die Herstellung von Implantaten, die für die klinischen und individuellen Bedürfnisse der Patienten optimiert sind. „Im Material PRIOBONE sehen wir das Potenzial, aktuelle Behandlungen und alternative Lösungen auf dem Markt zu übertreffen“, zeigt sich die Biochemikerin und Zellbiologin optimistisch. PRIOBONE steht dabei als Abkürzung für „A 3D-printable biomimetic bone regeneration material”.
Dazu gehört beispielsweise die Möglichkeit, das Material in entfaltbare 3D-Designs zu drucken, um es in gefalteter Form minimalinvasiv in defekte Knochenstellen einzusetzen, wo es sich wieder ausdehnen kann. Die Verwendung etablierter Komponenten und ein „Nur-Material“-Ansatz ebnen einen schnelleren Weg zur klinischen Anwendung und behördlichen Zulassung im Vergleich zu anderen Ansätzen, die biologische Stoffe wie Zellen oder bisher unbekannte Komponenten enthalten. Die Erfindung wurde zum Patent angemeldet. Mit der renommierten ERC Proof of Concept Forschungsförderung des Europäischen Forschungsrats arbeitet das Team von Cornelia Lee-Thedieck derzeit daran, das Material PRIOBONE aus dem Labor auf den Markt zu bringen.
Die zum Patent angemeldeten Erfindung in der Übersicht:
Vorteile:
• Das erfindungsgemäße Hydrogel hat eine ähnliche chemische Zusammensetzung wie die natürliche Knochenmatrix.
• Die duale Vernetzungsstrategie, die das Hydrogel bietet, kann die Formtreue und Stabilität eines gedruckten 3D-Konstrukts erheblich verbessern.
• Es besitzt überlegene rheologische Eigenschaften, die wiederum die Herstellung von 3D-Gerüsten mit hoher Formtreue und hoher Poreninterkonnektivität durch extrusionsbasierten 3D-Druck erleichtern.
• Der 3D-Druckprozess kann bei 37 °C durchgeführt werden, was als zellfreundliche Temperatur gilt. Die Quellungsexperimente zeigen, dass sich die geometrische Form der 3D-gedruckten Gerüste nach mehrtägiger Kultivierung in wässrigen Lösungen bei 37 °C nur geringfügig verändert.
• Es kann bei 4 °C mehrere Monate lang gelagert werden, ohne dass sich seine Eigenschaften nennenswert verändern.
• Die rheologischen und mechanischen Eigenschaften der vernetzten Gerüste lassen sich leicht anpassen.
• In Tests zur Zelllebensfähigkeit ist keine oder nur eine geringe Zelltoxizität sichtbar.
• Das Material erlaubt die Ausreifung von Knochenvorläuferzellen.
Service:
• Lizenz zur gewerblichen Nutzung
• Kooperation möglich
Technologiereifegrad:
• Versuchsaufbau im Labor
Hier finden Sie weitere Informationen:
Institut für Zellbiologie und Biophysik
Institut für Zellbiologie und Biophysik
30169 Hannover
30169 Hannover
