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Molecular design of biologically inspired soft materials for hard tissue regeneration

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Knochenregeneration nach dem Vorbild der Natur

Derzeitige Defizite bei Transplantationsverfahren zeigen, wie dringend neue Biomaterialien zur Heilung von Knochendefekten benötigt werden. Eine Studie forschte an biologisch abbaubaren Hydrogelen, die an der Bruchstelle injiziert werden und die Knochenregeneration beschleunigen.

Gesundheit

Unter Erkrankungen des Bewegungsapparats leidet ein Großteil der Weltbevölkerung. Sie gehören zu den Hauptursachen für chronische Schmerzen und gehen oft mit Invalidität einher. Die fast 1 Mio. Patienten, die ein Knochentransplantat benötigen, verdeutlichen den Bedarf nach neuen Biomaterialien zur Knochenregeneration. Hydrogele eignen sich hervorragend für das Tissue Engineering (Gewebezüchtung), da sie die Knochenmikroumgebung recht genau nachbilden. 3D-Gerüste unterstützen dabei die extrazelluläre Matrix und setzen Wachstumsfaktoren für die Knochenregeneration frei, die entweder die endogene Knochenregeneration oder die Differenzierung von Knochenvorläuferzellen fördern, was entscheidend für Knochenwachstum und Reparaturprozess ist. Zugleich kann in Hydrogelen eine große Zahl von Zellen verkapselt werden und die Verteilung von Nährstoffen und Metaboliten gewährleistet werden. Das EU-finanzierte Projekt "Molecular design of biologically inspired soft materials for hard tissue regeneration" (PEPTIDOPAMIN) entwickelte eine Reihe multifunktionaler Hydrogele für den Regenerationsprozess. Die Hydrogele werden an der Bruchstelle minimal invasiv injiziert und geben dann dem Knochen die notwendige Unterstützung. Integriert wurden Bisphosphonate wegen ihrer hohen Affinität für Kalziumionen in Hydroxylapatit – dem Hauptbestandteil der extrazellulären Knochenmatrix. Nachdem Bisphosphonate auf Polyethylenglykol immobilisiert wurden, zeigten die resultierenden chemischen Hydrogele Kalzium-responsive Eigenschaften, die die Knochenbildung fördern. Die Gelbildung setzte bereits eine Minute nach der Injektion ein, auch wurde die Selbstheilung des Knochens in hohem Maße gefördert. Mit zunehmender Polymer- und Kalziumkonzentration verbesserte sich die Elastizität des Gels, und die Kalzium-vermittelte Kreuzvernetzung war der durch andere zweiwertige Kationen induzierten Vernetzung überlegen. Ein weiterer Vorteil des Bisphosphonatmaterials war, dass nach kovalenter Immobilisierung die Osteoklastenaktivität beim Knochenumbau nicht beeinträchtigt wurde. Zudem wurde kein signifikanter zytotoxischer Effekt auf Osteoklasten beobachtet, sodass keine Leckage und damit lokale Überdosierung zu befürchten ist oder der Knochenumsatz gestört wird. Derzeit wird die Hydrogelformel optimiert, um eine Überhärtung des Materials zu verhindern und damit zeitliche und mechanische Komponenten der Knochenheilung besser zu korrelieren. Die von PEPTIDOPAMIN entwickelten biologisch abbaubaren Hydrogele und die Stimulation der Knochenregeneration haben großes Potenzial. So könnten die neuartigen Biomaterialien die Heilung von Knochendefekten in einer zunehmend überalterten Gesellschaft fördern und Behandlungskosten senken.

Schlüsselbegriffe

Knochenregeneration, Hydrogele, Weichgewebe, Geweberegeneration, Bisphosphonate

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