Biomimetischer Gewebeersatz aus dem 3D-Drucker

Mechanisch belastbar und biologisch kompatibel – das sind die Anforderungen an Materialien, die für funktionale Implantate verwendet werden. Konventionelle Kunststoffe sind kaum in der Lage, die komplexen Eigenschaften von natürlichem Gewebe wie beispielsweise dem Herzbeutel (Perikard) nachzubilden. Das Problem ist hier das nichtlineare Dehnverhalten – zunächst flexibel, bei steigender Belastung sprunghaft deutlich steifer.

Ein Forscherteam am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP im Potsdam Science Park und dem NMI Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Institut (Reutlingen) hat nun einen biomimetischen Gewebeersatz entwickelt, der die Eigenschaften von natürlichem Gewebe technisch reproduziert und für verschiedene medizinische Anwendungen angepasst werden kann.

Der Gewebeersatz besteht aus einem mehrschichtigen Aufbau, der definierte mechanische und biologische Eigenschaften kombiniert. Basis ist eine dichte Polymerfolie aus Polyurethanacrylat. Darauf wird mittels 3D-Druck eine wellenförmige Metastruktur aufgebracht. Diese strukturierte Schicht bestimmt maßgeblich das mechanische Verhalten des Gewebeersatzes. Anschließend wird in einem am NMI erforschten Verfahren elektrogesponnenes Kollagen aufgebracht, das die biologische Funktionalität unterstützt. Die Qualität der Kollagenfasern wird dabei mittels spezieller enzymatischer und nicht-invasiver spektroskopischer Analysen überwacht.

„Unsere Zugversuche zeigen ein sehr ähnliches Dehn- und Festigkeitsverhalten wie bei natürlichem Perikardgewebe. Beim Dehnen ziehen sich die Wellen in die Länge, wodurch das Material flexibel bleibt. Erst bei höherer Dehnung steigt die Steifigkeit sprunghaft an“, erläutert Dr. Hadi Bakhshi vom Fraunhofer IAP, der das Material und die Drucktechnologie für den strukturellen Aufbau gemeinsam mit Dr. Wolfdietrich Meyer entwickelte. Dieser ergänzt: „Durch die gezielte Kombination von Strukturdesign und Biomaterialien können wir mechanische Eigenschaften realisieren, die denen natürlicher Gewebe sehr nahekommen.“

Spezifische Zell-Material-Interaktionsstudien am NMI zeigten eine gute Verträglichkeit des Materials. In Zytotoxizitätstests konnten keine nachteiligen Effekte auf Zellen festgestellt werden. Zudem weisen Untersuchungen mit humanen Hautfibroblasten und Epithelzellen darauf hin, dass die dreidimensionale Morphologie des Fasergeflechts ein günstiges Umfeld für Zelladhäsion und -wachstum bietet.

Angemeldet zum Patent

„Die Ergebnisse zeigen, dass sich technische Materialien und biologische Funktionalität gezielt herstellen und zu biomimetischen Materialien kombinieren lassen“, sagt Dr. Hanna Hartmann vom NMI. „Das eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung von biohybriden Implantaten. Deswegen haben wir diesen Gewebeersatz jetzt gemeinsam zum Patent angemeldet.“

Bereit für Partner aus der Industrie

Die Wissenschaftler sehen zahlreiche Möglichkeiten für den Einsatz ihrer Entwicklung, etwa für künstliche Blutgefäße, Stentgrafts, Ersatzmaterialien für die Dura mater oder Anwendungen bei künstlicher Haut. Für Medizintechnikunternehmen bietet das die Chance, leistungsfähigere Implantate mit längerer Haltbarkeit herzustellen. „Unsere Entwicklung ist so weit, dass sie in konkrete Anwendungen überführt werden kann«, erklärt Meyer. „Der nächste Schritt ist die Zusammenarbeit mit industriellen Partnern, um spezifische Produkte zu realisieren und in marktfähige Anwendungen zu überführen.“

Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt BMFTR hat das Projekt PolyKARD (FKZ 13XP5087) gefördert.