Knochenimplantat dank keramischen Schaum

Individuell angepasste Implantate rücken in greifbare Nähe

Davon träumt die Regenerative Medizin schon lange: Implantate, die individuell angepasst werden können, sich vollständig in den Körper integrieren und langfristig durch eigene Knochensubstanz ersetzt werden. Dank Forschern des Fraunhofer IKTS könnte dieser Traum bald Realität werden. Die Kombinationen von keramischen Materialien und Verfahren macht es möglich.

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Keramik ist ein hochinteressanter Werkstoff. Otto Normal kennt Keramik meist nur in Form von Porzellan. Doch beispielsweise auch die Isolierungen von Hochspannungsleitungen können aus Keramik sein. Für den medizinischen Einsatz ist Keramik ebenfalls hochinteressant, da das Material sehr stabil und gut formbar ist. Fraunhofer Wissenschaftler haben nun keramische Knochenimplantate entwickelt, die sich passgenau auf den Patienten zuschneiden lassen.

 

Ein menschlicher Knochen spiegelt die hohe Ingenieursbaukunst der Natur wider

Ein menschlicher Knochen besteht aus der Substantia corticalis, der dichten und festen äußeren Hülle, sowie der Substantia spongiosa, einer porösen inneren Füllung. Um in ihrer Struktur unterschiedliche Strukturen in Zukunft als Implantat nachbauen zu können, entwickelten Wissenschaftler am Fraunhofer IKTS spezielle keramische Materialien und neue Technologien, die sie miteinander kombinierten. So entsteht im 3D-Drucker eine feste äußere Hülle des Knochens, die sich genau an den Patienten anpassen lässt. Ein keramischer Schaum bildet die innere, schwammartige Knochenstruktur nach.

Die IKTS-Forscher entwickelten zunächst aus keramischen Materialien wie Hydroxylapatit und Zirkonoxid mittels der sogenannten Gefrierschäumung poröse Strukturen, die der Knochensubstanz sehr ähneln. Dabei wird eine wässrige, keramische Suspension aus einer Mischung der Materialien in einen Gefriertrockner gegeben. Durch eine plötzliche Absenkung des Umgebungsdrucks schäumt die Suspension auf und gefriert anschließend schlagartig. Das enthaltene Wasser verdunstet sofort ohne den Zwischenschritt flüssig zu werden. Anschließend erfolgt noch eine Wärmebehandlung, sodass ein fester keramischer Schaum entsteht.

 

Studien bestätigen Biokompatibilität

Im zweiten Schritt testeten die Forscher die Biokompatibilität und die Verträglichkeit der entwickelten keramischen Schäume in-vitro, d. h. in der Petrischale. Für diese Tests arbeiteten die IKTS-Forscher mit den Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT zusammen. Zunächst brachten die Wissenschaftler murine Fibroblastzellen auf die keramische Oberfläche auf. Es gelang der Nachweis, dass die Zellen in der Lage sind, auf dem Keramikschaum zu überleben und sogar Stoffwechsel zu betreiben. Im Anschluss musste die Biokompatibilität auf menschliche Zellen übertragen werden. Bei diesem Test kamen humane mesenchymale Stammzellen aus dem Knochenmark zum Einsatz. Dabei handelt es sich um sogenannte Vorläuferzellen des Bindegewebes. Wenn alles gut läuft, produzieren die aus den mesenchymalen Stammzellen hervorgegangenen somatischen Zellen das Stoffwechselprodukt Kollagen. Mit Hilfe eines Markers wurde dieses auf der Keramikoberfläche sichtbar gemacht. Damit steht fest, dass bei den Stammzellen eine Stoffwechselreaktion stattfindet. Im Ergebnis zeigt sich also, dass eine Besiedelung des Keramikschaumes durch die Stammzellen erfolgt und sie dadurch in der Lage sind, sich in unterschiedliche Zell- bzw. Gewebearten auszudifferenzieren. So können Knochen-, Knorpel- und Muskelzellen entstehen.

Damit ist ein wichtiger Beweis für die Biokompatibilität und -verträglichkeit der neuen keramischen Materialien erbracht.

 

Knochenhülle zum Drucken

Im dritten Schritt begaben sich die Forscher auf die Suche nach einem Verfahren, um die porösen, knochenähnlichen Strukturen stabiler zu machen, sodass sie mechanischen Drücken besser standhalten. Außerdem sollte eine patientenspezifische Knochenform ermöglicht werden.

Dafür griffen die IKTS-Wissenschaftler auf die langjährigen Erfahrungen in ihrem Haus mit der additiven Fertigung zurück. Das 3D-Druckverfahren der Lithographie-basierten keramischen Fertigung ermöglicht es, einzelne Rohre, Halbschalen aber auch komplexe knochenähnliche Hüllen zu drucken. Die Materialien sind übrigens die gleichen wie die poröse Schaumkeramik. Ein blaues Lichtprofil wird entsprechend der 3D-Daten auf eine mit photosensitiven Monomeren gemischte keramische Suspension projiziert. Die dadurch genau belichteten Stellen werden ausgehärtet. So entsteht Schicht für Schicht eine komplexe dreidimensionale Struktur.

 

Erste Versuche in-vivo in Kürze

Der allerletzte Schritt besteht aus einer Zusammenführung der beiden Verfahren: In die per 3D-Druck gedrückten „Knochen-Hüllen“ wird die keramische Suspension gefüllt und mit der Gefrierschäumung aufgeschäumt. Die gemeinsame Wärmebehandlung der strukturell unterschiedlichen Komponenten war eine Herausforderung für die Forscher, die sie noch lösen mussten. Es gelang ihnen jedoch, das unterschiedliche Schwingungsverhalten der Materialien so aufeinander abzustimmen, dass keine Risse oder Verformungen der Komponenten entstehen.

Im Endergebnis ist eine komplexe Struktur entstanden, die eine dichte äußere Hülle und eine poröse innere Füllung hat – ganz ähnlich wie ein „echter“ Knochen. Sie ebnet den Weg zu knochenähnlichen Implantaten, die einerseits passgenau auf den Patienten zugeschnitten werden können und andererseits bioaktiv und robust sind. Bereits in naher Zukunft werden erste Versuche in lebenden Systemen erfolgen. Sie sollen zeigen, ob es eventuell zu Entzündungsreaktionen bei den keramischen Knochen kommt. Auch das Einwachsverhalten soll untersucht werden. Hierfür arbeitet das Fraunhofer IKTS mit dem Fraunhofer IZI zusammen.

Für die wiederherstellende Chirurgie erscheint das jetzt entwickelte Verfahren vielversprechende Lösungen zu bieten. Die keramischen Implantate können Knochenkrebspatienten genauso helfen wie Unfallopfern, bei denen Knochen im Bereich von Mund, Kiefer und Gesicht wiederhergestellt werden müssen.

 

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