3D-gedrucktes Zinkgerüst für die Behandlung von Knochendefekten

Knochendefekte können angeboren oder unfallbedingt sein und erfordern je nach Ursache unterschiedliche Behandlungsansätze. Eine mögliche Methode zur Heilung ist ein 3D-gedrucktes Zinkgerüst. In einer Studie, die im Magazin Nature Communications veröffentlicht wurde, untersuchen chinesische Experten der Beihang Universität, des Renji Hospitals, der Shanghai Jiao Tong Universität sowie der Tsinghua- und Peking-Universität die Verwendung eines 3D-gedruckten Zinkgerüsts zur Behandlung großer Knochendefekte. Das Projekt wurde von dem chinesischen Unternehmen Bright Laser Technologies (BLT) mit 3D-Druckmaschinen und -systemen unterstützt. BLT hatte bereits mehrere Partnerschaften mit verschiedenen akademischen Institutionen und förderte über einen langen Zeitraum die Universität für Materialformgebung der Tsinghua-Universität sowie das Zentrum für KI und Robotik am Hong-Kong-Institut für Innovation und das Institut für Metallforschung.

Die 3D-gedruckten, porösen Zinkstrukturen bieten einen innovativen Ansatz zur Reparatur von Knochendefekten und sollen zur Knochenregeneration eingesetzt werden. Eine große Herausforderung war aber bisher die schnelle Degradation der Zinkstrukturen, die zu Toxizität führte. Aus diesem Grund wurden die Zusammensetzung der Legierung, die Oberflächenstruktur und die Porengeometrie der Gerüste nun optimiert.

Das Degradationsverhalten von den 3D-gedruckten Zinkgerüsten im Oberschenkelknochen von Ratten nach drei Tagen und drei Monaten. (Bild: Li, S., Yang, H., Qu, X. et al. Multiscale architecture design of 3D printed biodegradable Zn-based porous scaffolds for immunomodulatory osteogenesis. Nat Commun 15, 3131, 2024.)

In den letzten drei Jahren hat sich die 3D-Drucktechnologie auf Basis neuartiger, biologisch abbaubarer Zinklegierungen erheblich weiterentwickelt und auch die Gerüste bestehen aus dieser Zinkbasis (Zn-Basis). Die Zn-Li-Legierungen (0,8 Gew.-% Li) bieten mechanische Eigenschaften und ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit, Plastizität und Korrosionsverhalten. Hergestellt wurden die Gerüste mit dem L-PBF-System von BLT, das präzise Designs und komplexe Strukturen ermöglicht.

Nach dem 3D-Druck wurden verschiedene Oberflächenbehandlungen wie Ultraschallbehandlung, Säureätzen und elektrochemisches Polieren durchgeführt, um die Oberflächenrauheit zu optimieren und die Zellinteraktion zu fördern. Diese Behandlungen führten zu einer gezielten Mikromusterung der Oberfläche, die sowohl die Zelladhäsion als auch die Zellausbreitung verbessert, was wichtig für die Knochenregeneration ist.

Das Design von 3D-gedruckten, biologisch abbaubaren und porösen Gerüsten auf Zn-Basis. (Bild: Li, S., Yang, H., Qu, X. et al. Multiscale architecture design of 3D printed biodegradable Zn-based porous scaffolds for immunomodulatory osteogenesis. Nat Commun 15, 3131, 2024.)

Zudem fördern die speziellen Oberflächenstrukturen die Interaktion mit Makrophagen, also weißen Blutkörperchen und können die Immunantwort, die Reaktion des Immunsystems auf potentiell schädliche Organismen, verbessern, was schließlich die Knochenregeneration unterstützt. Darüber hinaus zeigt das 3D-gedruckte Zinkgerüst eine kontrollierte Degradation im Körper, die mit der Knochenregeneration einhergeht. Diese Eigenschaft ist entscheidend, um ein optimales Milieu für die Regeneration und die Integration des Implantats zu schaffen.

Insgesamt führt der Einsatz von 3D-gedruckten Gerüsten zu einer effizienten Verbesserung der Knochenregeneration im Vergleich zu herkömmlichen Implantaten, da die strukturellen und chemischen Eigenschaften der Gerüste die Knochenneubildung fördern. Der Einsatz von 3D-Druck zur Herstellung von Zn-Li-Gerüsten bietet großes Potential, so ermöglicht er eine präzise Kontrolle über die Struktur und Porosität der Implantate, was entscheidend für die Knochenregeneration ist. 

Oberflächenmorphologie und Eigenschaften des Zn-0,8Li-Gerüsts nach Ultraschallbehandlung, Säureätzen und elektrochemischem (EC) Polieren. (Bild: Li, S., Yang, H., Qu, X. et al. Multiscale architecture design of 3D printed biodegradable Zn-based porous scaffolds for immunomodulatory osteogenesis. Nat Commun 15, 3131, 2024.)

Mehr über die Forschung erfahren Sie HIER und weitere Informationen über das Unternehmen Bright Laser Technologies und dessen Partnerschaften können Sie HIER einsehen.

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