Wissenschaftler der University of New South Wales haben erhebliche Fortschritte bei der Entwicklung von 3D-gedruckten Gerüsten erzielt, die die mechanischen Eigenschaften von natürlichem Knochen genau nachahmen. Dieser Durchbruch adressiert eine seit langem bestehende Herausforderung in der Medizin: die Schaffung künstlicher Knochenersatzstoffe, die genauso gut oder sogar besser funktionieren als bestehende Metallimplantate oder Knochentransplantate. Die neuen Gerüste weisen eine überlegene Festigkeit, Porosität und Fluiddynamik auf und bringen die funktionelle Knochenregeneration näher an die Realität heran.
Das Problem mit aktuellen Knochenersatzprodukten
Herkömmliche Methoden zur Reparatur beschädigter Knochen basieren häufig auf Metallimplantaten oder Knochentransplantaten. Metallimplantate sind zwar stabil, können aber zu steif sein und das umliegende Gewebe belasten. Knochentransplantate, die aus anderen Körperteilen des Patienten oder von Spendern entnommen werden, sind nur begrenzt verfügbar und bergen das Risiko einer Abstoßung oder Infektion. Der 3D-Druck bietet eine Möglichkeit, diese Einschränkungen zu umgehen, aber die Nachbildung der komplexen Knochenstruktur hat sich als schwierig erwiesen.
Natürlicher Knochen ist sowohl leicht als auch stark, mit einer porösen Struktur, die das Zellwachstum und den Flüssigkeitsfluss unterstützt. Frühe Versuche mit 3D-gedruckten Gerüsten konnten diese Eigenschaften oft nicht ausgleichen, da sie entweder unter Druck kollabierten oder ihnen die nötige Porosität für die Gewebeintegration fehlte.
Nachahmung des Designs der Natur
Forscher haben diese Hürde überwunden, indem sie die natürliche Knochenarchitektur untersucht haben. Echter Knochen ist nicht einheitlich; es geht allmählich von dichten, tragenden Bereichen in leichtere, schwammartige Bereiche über. Das Team replizierte diese abgestufte Struktur mit Polymilchsäure (PLA), einem biokompatiblen und biologisch abbaubaren Kunststoff.
„Wir haben einen Designansatz verwendet, der von natürlichem Knochen inspiriert ist. Bei Knochen verändert sich die Struktur allmählich von dichten Bereichen zu offeneren Bereichen. Wir haben diese Idee nachgebildet, indem wir Gerüste mit abgestuften Strukturen in verschiedene Richtungen gedruckt haben.“ – Dr. Juan Pablo Escobedo-Diaz
Die resultierenden Gerüste mit einer Porosität von etwa 55 % zeigten in mechanischen Tests eine bemerkenswerte Leistung. Sie waren 60 % stärker und 16 % steifer bei plötzlichen Stößen im Vergleich zu langsamem, gleichmäßigem Druck, was sie möglicherweise ideal für lasttragende Implantate macht. Die Richtung der abgestuften Struktur beeinflusste auch die Bruchmuster und bot Designern eine weitere Möglichkeit zur Feinabstimmung der Materialeigenschaften.
Flüssigkeitsfluss und zukünftige Auswirkungen
Wichtig ist, dass die Flüssigkeiten durch die Gerüste auf eine Art und Weise flossen, die dem natürlichen Knochen sehr ähnelte, was für die Nährstoffversorgung und Abfallentsorgung während der Heilung von entscheidender Bedeutung ist. Obwohl diese Gerüste noch nicht über die Selbstheilungs- oder Anpassungsfähigkeit lebender Knochen verfügen, stellen sie einen großen Fortschritt dar.
Forscher gehen davon aus, dass der klinische Einsatz innerhalb von 5 bis 10 Jahren erfolgen wird, bis weitere Tests und behördliche Genehmigungen vorliegen. Zunächst könnten sie in der Forschung und in der patientenspezifischen Modellierung eingesetzt werden und schließlich zum Ersatz großer Knochendefekte in Bereichen wie dem Femur führen. Das Team konzentriert sich nun auf biomimetische Designs, die natürliche Knochenstrukturen, einschließlich komplexer Muster und Abstufungen, genauer nachbilden.
Diese Forschung unterstreicht das Potenzial des 3D-Drucks zur Revolutionierung der Knochenregeneration und bietet eine Zukunft, in der künstliche Implantate die natürlichen Heilungsprozesse des Körpers nicht nur unterstützen, sondern sich auch in diese integrieren können.
