Knochenimplantate aus „Wackelpudding“

Wenn bei Knochenschäden Implantate erforderlich sind, handelt es sich zumeist um Autografts (patienteneigenes Material), Metall- oder Keramikteile. Sie haben allerdings auch Nachteile: So müssen die Autografts den Patienten in einer weiteren Operation entnommen werden und Metallimplantate können sich lockern und instabil werden.

Forscher der ETH Zürich um Xiao-Hua Quin, Professor für Biomaterials Engineering, haben nun ein neuartiges Hydrogel entwickelt, das der natürlichen Knochenheilung nachempfunden wurde, und an die Konsistenz von Wackelpudding erinnert. Es ist sehr weich und löst sich nach einiger Zeit im Körper auf. Daraus könnten in Zukunft maßgeschneiderte Implantate entstehen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in Advanced Materials.

Inspiriert wurden die Wissenschaftler von den natürlichen Prozessen bei der Knochenheilung, wie Professor Quin erläuterte: „Zu Beginn der natürlichen Knochenheilung setzt der Körper immer ein weiches Material ein.“ Das sich im Anschluss an einen Knochenbruch bildende Hämatom, ist durchlässig und fördert die Einwanderung von Reparaturzellen, Immunzellen und Nährstoffen. Zusammengehalten werden die Zellen von einem Fibrinnetz. Daraus entsteht ein neuer Knochen.

Das neuartige Hydrogel, das Quin und seine Kollegen entwickelt haben, ahmt diesen natürlichen Prozess nach. Es besteht zu 97 Prozent aus Wasser und zu 3 Prozent aus einem biologisch verträglichen Polymer. Ein Verbindungsmolekül, das die Polymerketten verknüpft, und ein weiteres Molekül, das auf Licht reagiert, lösen die Reaktion aus. Entwickelt wurde das Verbindungsmolekül von der ehemaligen Doktorandin Wanwan Qiu. Die Polymerketten verbinden sich, wenn Laserpulse einer bestimmte Wellenlänge auf das Hydrogel treffen. Dabei verfestigen sich die bestrahlten Bereiche. Nicht bestrahlte Teile werden später ausgewaschen.

Auf diese Weise ist es möglich, in sehr feiner Auflösung und hoher Präzision beliebige Formen und Strukturen ins Hydrogel zu drucken. „Da Hydrogele wie Wackelpudding sind, lassen sich sie kaum vernünftig formen“, so ETH-Professor Quin. „Dank des neu entwickelten Verbindungsmoleküls können wir nun aber das Hydrogel nicht nur stabil und äußerst fein strukturieren, sondern auch mit einer hohen Schreibgeschwindigkeit von bis zu 400 Millimetern pro Sekunde herstellen. Das ist ein neuer Weltrekord.“

Der Materialtest im Reagenzglas zeigte nicht nur, dass knochenbildende Zellen das strukturierte Hydrogel schnell besiedeln und den Knochenbestandteil Kollagen bilden. Das patentierte Material ist außerdem biokompatibel und schädigt die knochenbildenden Zellen nicht. Allerdings ist der Weg zur Anwendung in der Praxis noch weit. Zunächst sollen Tests an Tieren zeigen, ob das Material auch im Körper das Einwandern von knochenbildenden Zellen fördert und der Knochen wiederhergestellt wird.