Wie die Miesmuschel zum 3D-Druck kam: Fraunhofer-Institut entwickelt biomimetischen Klebstoff für Knochen und Gelenke
Bei Arthrose, Verletzungen, Unfällen oder Gelenkabnutzung steht früher oder später ein Implantat an. Am häufigsten werden Implantate an der Hüfte und im Knie eingesetzt, in der Regel aus Titan. Doch die Lebensdauer der Implantate ist begrenzt. Sie lockern sich nach einiger Zeit und verlieren den Halt im Knochen. Das kann zu Schmerzen führen und in der Regel steht dann eine Wechseloperation an. Forschern des Fraunhofer Instituts ist es nun gelungen, eine Lösung zu entwickeln, die den Austausch eines Implantats hinauszuzögern kann, wie in einer Presseaussendung Anfang Dezember bekannt gegeben wurde. Sie entwickelten einen druckbaren Klebstoff für Gewebe und Knochen. Beteiligt waren daran Forscher vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP), vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) und vom Übersee-Institut in Boston, dem Center for Manufacturing Innovation (CMU).
Der druckbare Klebstoff für Gewebe und Knochen verfügt über ausgezeichnete Bindungseigenschaften, sodass er auch auf gekrümmten und unebenen Flächen selbstständig haftet. Das Material wird vom Körper als eine knochenähnliche Substanz eingestuft. In der Folge stellt der Klebstoff eine Verbindung zum Knochen her, wenn er auf das Implantat aufgedruckt wird. Das begünstigt nicht nur die Integration, sondern auch die Heilung. Außerdem ist der Kleber antimikrobiell. Das biomimetische Material geht auf ein Beispiel aus der Tierwelt zurück, denn als Vorbild wurden Miesmuscheln herangezogen, die sich zum Leid der Schiffsleute an den Booten festkleben können. Grund dafür ist ein eigenes Protein, welches die Aminosäure Dihydroxyphenylalanin (DOPA) enthält. „DOPA sorgt für eine äußerst effektive Haftung. Diese Eigenschaft haben wir auf unseren Klebstoff übertragen, indem wir Polymere synthetisiert haben, die den Baustein Dopamin enthalten, ein chemisches Analogon von DOPA. Der dopaminbasierte Klebstoff lässt sich mit verschiedenen Additiven, wie Apatit-Partikeln – eine Substanz, aus der Zähne bestehen –, Proteinen und Signalmolekülen versetzen. Diese fördern das Wachstum von Knochenzellen und können als Beschichtungsmaterial etwa für Titanimplantate verwendet werden“, erklärt Dr. Wolfdietrich Meyer, Wissenschaftler am Fraunhofer IAP. Es könnte nicht nur beim Klebstoff bleiben, denn laut Fraunhofer-Institut könnten die dopaminbasierten Polymere auch für die Entwicklung von funktionalisierten Oberflächen, antibakteriellen Materialien und intelligenten Beschichtungen mit speziellen Funktionen herangezogen werden.
Der biomimetische Klebstoff kann auf Implantate aufgedruckt werden. (Bild: Fraunhofer CMI)
Durch die chemische Synthese können die Funktionen des Klebstoffes zusätzlich verbessert werden. So härtet der Kleber bei Bestrahlung durch UV-Licht aus und verändert sein Haftungs-Potential. Durch die Vernetzung mit Polymeren haben die Forscher der Fraunhofer-Institute, den Klebstoff druckbar gemacht. Das daraus resultierende Druckmaterial wurde nun auch bereits getestet. Am Fraunhofer CMI in Boston wurde das Klebe-Material im Bioprinting-Verfahren auf einen Titaniumschaft eines Hüftgelenks gedruckt. In Zukunft wollen die Forscher sich darauf konzentrieren, die Haftung individuell zu steuern bzw. umzukehren. „Hat der Chirurg den medizinischen Klebstoff beispielsweise geringfügig falsch platziert, muss er diesen Fehler schnell korrigieren und die klebende Wirkung deaktivieren können“, erklärt der Chemiker. Mehr dazu finden Sie HIER.
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*Titelbildnachweis: Pixabay
