Intelligente Knochenimplantate
Mit der zunehmenden Alterung der Bevölkerung und weltweit steigenden Unfallzahlen werden orthopädische Implantate immer wichtiger. Um Knochenbrüche behandeln, geschädigtes Gewebe effizient regenerieren und den Nachsorgeaufwand bei Implantationen kostengünstig zu verringern, sind neue Ansätze bei der Herstellung von Implantaten gefragt. Das EU-finanzierte Projekt PLASMANANOSMART (Plasma- and electron beam-assisted nanofabrication of two-dimensional (2D) substrates and three-dimensional (3D) scaffolds with artificial cell-instructive niches for vascular and bone implants) sollte neue Möglichkeiten erschließen, um funktionelle 2D-Substrate oder 3D-Gerüste herzustellen. Mit diesen Gerüsten sollten künstliche Nischen für das Zellwachstum in Herz-Kreislauf- und Knochenimplantaten geschaffen werden. Poly-3-Hydroxylbutirat, Polycaprolacton und Poly-3-Hydroxylbutirat-Co-hydroxyvalerat waren Ausgangsmaterial und wurden mit metallischen Legierungen und einer Hydroxylapatit (HA)-Beschichtung kombiniert. Die Forscher entwickelten mehrere Gerüste mit unterschiedlicher Struktur, Morphologie, Stöchiometrie und Dicke und rüsteten sie mit Nanobeschichtungen aus. Die interne Struktur der Gerüste wurde mittels Röntgenanalysen sichtbar gemacht, sodass die geeignete Zusammensetzung für den biologischen Abbau und die Korrosionsbeständigkeit bestimmt werden konnte. Röntgenbilder sind ein leistungsfähiges analytisches Werkzeug, um Größe und räumliche Verteilung von Nanopartikeln in hoher Auflösung zu bestimmen. Da Calciumphosphatbeschichtung die Zelladhäsion fördert, wurden sehr gute Ergebnisse bei der Proliferation und Differenzierung erreicht. Kompositmaterialien mit HA-Nanopartikeln, die mit anorganischen Partikeln angereichert wurden, zeichneten sich durch hervorragende mechanische und biologische Eigenschaften aus. Mittels Licht- und Elektronenmikroskopie untersuchten die Forscher Morphologie und Wachstum von Zellen auf Substraten von 2D-Gewebekulturen und in physiologisch realistischeren 3D-Kulturen. Modelle solcher 3D-Kulturen, an denen sich zelluläre Interaktionen mit dem Gerüstmaterial untersuchen lassen, wurden in geschlossenen Systembioreaktoren mit kontinuierlicher Nährstoffzufuhr und Ableitung von Stoffwechselprodukten gezüchtet. Über die Ergebnisse der Studie wurde öffentlich informiert und besonderes Augenmerk darauf gelegt, dass biologisches Materials die Lebensqualität deutlich verbessern kann. Die neuen Gerüste für Knochenimplantate könnten künftig biologisch inerte und bioaktive Materialien ersetzen und damit den Weg für künstliche Nischen frei machen, die Zellwachstum und Differenzierung fördern.
Schlüsselbegriffe
Knochenimplantat, Gerüst, PLASMANANOSMART, Hydroxylapatitbeschichtung, Nanopartikel
