Patientenspezifische Regeneration von Knochengewebe
Ein wesentlicher Engpass bei der Entwicklung patientenspezifischer bioaktiver Gerüste, die die Regeneration stimulieren, ist allerdings noch immer die Schnittstelle zwischen medizinischer Bildgebung und CAD/CAM-Techniken (Computer-Aided Design/Manufacturing). Schwierig verläuft auch die Suche nach geeigneten patientenspezifischen Gerüstmaterialien und kostengünstigen Herstellungsverfahren. Das EU-finanzierte Projekt BIO-SCAFFOLDS (Natural inorganic polymers and smart functionalized micro-units applied in customized rapid prototyping of bioactive scaffolds) entwickelte nun Methoden und mehrere innovative Materialien, aus denen sich Scaffolds für die Knochenregeneration herstellen lassen. BIO-SCAFFOLDS gelang mittels 3D-Bioprinting die Verkapselung knochenbildender Zellen in Alginathydrogelen aus Biosilicat und Polyphosphat. Für die Scaffolds wurden intelligente Mikroeinheiten aus Nanopulvern konzipiert, die über Mikrokanäle die Nährstoffzufuhr gewährleisten. Die patientenspezifischen bioaktiven Gerüste wurden dann mittels CAD/CAM-Verfahren und Rapid-Prototyping (additive und subtraktive Fertigung) produziert. Erstmals fördern damit morphogenetisch aktive Scaffolds Knochenwachstum und -umbau und sind gleichzeitig biokompatibel und biologisch abbaubar, was in vitro und in vivo getestet wurde. Mit Hilfe eines neuen Materials aus Calciumpolyphosphat ließ sich auch die Festigkeit der per Biodruck erzeugten Scaffolds einstellen, und mit den Mikrounits aus Hydroxylapatit und Nanopulver muss der Knochenumbau nicht mehr mit exogenen Wachstumsfaktoren und Zytokinen gefördert werden. Als weiteres wichtiges Ergebnis entwickelten die Forscher ein Bildgebungssystem zur Planung, Durchführung und Überwachung der gesamten chirurgischen Implantation. Es umfasst eine Kommunikationsschnittstelle zu kommerziellen Krankenhaus-PACS-Servern, eine 3D-Voxel-Simulationssoftware, CAD-Funktionen und CAM-Dateiformate. Neue Patentanmeldungen ergänzen inzwischen die bestehenden Patentportfolios der Projektpartner. Die Ergebnisse wurden in mehr als 30 Beiträgen in Fachzeitschriften, Sommerakademien, Workshops, einem Buch zu biomedizinischen anorganischen Polymeren und auf internationalen und nationalen Konferenzen und Wirtschaftsmessen vorgestellt (siehe hierzu auch Artikel Horizon-Magazin der Europäischen Kommission vom 2. April 2014). Maßgeschneiderte Implantate werden besonders für die alternde Gesellschaft in den Industrieländern immer wichtiger. BIO-SCAFFOLDS demonstrierte die Machbarkeit und verbesserte die biologische Leistung von Biosilicat- und Biopolyphosphat-beschichteten 3D-Gerüsten. Solche kundenspezifischen Implantate können die Behandlung unfall- oder osteoporotisch bedingter Knochenbrüche verbessern und auch für die Dentalchirurgie angepasst werden.
Schlüsselbegriffe
Knochen, Geweberegeneration, Bioscaffolds, Bioprinting, Biosilicate, Polyphosphat
