Forscher entwickeln 3D-gedrucktes, von Korallen inspiriertes Knochentransplantat
Ein Forscherteam der Universität Swansea hat ein von Korallen inspiriertes Knochentransplantat in 3D gedruckt. Was daran bemerkenswert ist? Die Studie ergab, dass sich das neue Material nach Abschluss der Knochenreparatur nicht nur auf natürliche Weise im Körper auflöst, sondern auch die Heilung beschleunigt.
Knochendefekte, die durch Knochenbrüche, Tumore und nicht heilende Verletzungen verursacht werden, gehören weltweit zu den häufigsten Ursachen für körperliche Einschränkungen. Zwar kann sich das Knochengewebe durch Regeneration selbst reparieren, doch können Faktoren wie Alterung, Krankheit oder die Schwere des Defekts die Regeneration verlangsamen. Bei großen Defekten ist ein Gerüst oder ein Knochentransplantat erforderlich, um die Geweberegeneration zu unterstützen.
Konzeption von In-vitro- und In-vivo-Tests (Bild: Swansea University)
Traditionell verwenden Ärzte den eigenen Knochen eines Patienten (Autotransplantat) oder den Knochen eines Spenders (Allotransplantat), um diese Lücken zu schließen. Doch das begrenzte Angebot, das Infektionsrisiko und ethische Bedenken machen diese Optionen weniger attraktiv. Es gibt zwar synthetische Knochentransplantate, aber sie können derzeit nicht mit der Leistung von natürlichem Knochen mithalten. Sie brauchen entweder sehr lange, um sich aufzulösen, integrieren sich nicht gut oder können Nebenwirkungen wie Entzündungen hervorrufen. Das vom Swansea-Team entwickelte Material kommt dem natürlichen Knochen sowohl in seiner Struktur als auch in seinem biologischen Verhalten sehr nahe und überwindet damit diese Probleme.
Warum Korallen für Knochentransplantate?
In den 1970er Jahren begannen Forscher mit der Erforschung von Korallen als potentiellem Knochenersatzmaterial und stellten fest, dass bestimmte Korallen dem Knochen ähneln. Sie besitzen die gleichen mechanischen Eigenschaften wie Knochen und sind außerdem biokompatibel, osteokonduktiv und biologisch abbaubar. Seitdem wurde natürliches poröses Kalziumkarbonat aus Korallen vom Journal of International Oral Health als „klinisch nützliches Knochenersatzmaterial“ bezeichnet. Vor diesem Hintergrund entwickelte das Team aus Swansea ein neues Material, das die poröse Struktur und chemische Zusammensetzung eines aus Korallen gewonnenen Knochenersatzmaterials nachahmt. Sie druckten dieses Material mit einem 3D-Bioplotter von Envisiontec in 3D oder formten das Material und ließen es bei Raumtemperatur trocknen.
Das Forscherteam führte präklinische In-vivo-Versuche durch, in diesem Fall mit Ratten und Minischweinen. Die Versuche zeigten, dass das Material Knochendefekte innerhalb von drei bis sechs Monaten vollständig reparierte. Darüber hinaus löste das Material innerhalb von vier Wochen die Bildung einer neuen Schicht aus starkem, gesundem Kortikalknochen aus.
Zurück bleibt ein gesunder Knochen
Die Struktur hat zahlreiche unglaubliche Vorteile. Zum einen ermöglichte sie eine schnelle Heilung, wobei neues Knochenwachstum in nur zwei bis vier Wochen auftrat. Außerdem baut sich das Material innerhalb von sechs bis zwölf Monaten nach der Knochenregeneration auf natürliche Weise ab, sodass nur gesunder Knochen zurückbleibt. Darüber hinaus ist das Material leichter zugänglich als seine traditionellen Alternativen, natürliche Korallen oder Spenderknochen. Es lässt sich leicht in großen Mengen herstellen.
Dr. Zhidao Xia von der medizinischen Fakultät der Swansea University leitete die Forschungsarbeiten zusammen mit Dozenten aus den Abteilungen Naturwissenschaften und Ingenieurwesen sowie anderen externen Partnern. Ende November dieses Jahres veröffentlichte das Team die patentierte Forschungsarbeit. „Unsere Erfindung überbrückt die Lücke zwischen synthetischen Ersatzmaterialien und Spenderknochen“, so Dr. Xia. „Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, ein Material herzustellen, das sicher, wirksam und skalierbar ist, um den weltweiten Bedarf zu decken. Dies könnte die Abhängigkeit von Spenderknochen beenden und die ethischen und Versorgungsprobleme bei der Knochentransplantation lösen.“
Implantate im Minischwein (Bild: Swansea University)
Jetzt versucht das Team der Universität Swansea, seine Technologie durch Partnerschaften mit Unternehmen und Gesundheitsorganisationen weltweit verfügbar zu machen. Die 3D-gedruckte Knochentransplantat-Alternative könnte die Kosten im Gesundheitswesen senken und die Lebensqualität der Patienten verbessern. Und das ist noch nicht alles: Die Forschung eröffnet neue Möglichkeiten für die biomedizinische Industrie. Weitere Informationen finden Sie in der Pressemitteilung der Swansea University HIER.
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*Titelbildnachweis: (Links) Ein Bild eines 3D-gedruckten Materials, das 4 Wochen lang in vivo implantiert wurde. Das Foto wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen. Bild: Dr. Dr. Zhidao Xia. (Rechts) Ein Foto einer Koralle. Bildnachweis: Jesus Cobaleda.
