ELAINE: Uni Rostock fertigt bioaktive Knochenimplantate mit 3D-Druck

Knochen verfügen über ein hohes Maß an Selbstheilungskräften. Bei Knochenbrüchen nach einem Skiunfall, Fahrradsturz oder einem Missgeschick wachsen die Knochen in der Regel selbst wieder zusammen, wenngleich die Dauer nach Alter, Fraktur und dem jeweiligen Fall variiert. Kommt es im Zuge von Tumoren allerdings zu größeren Knochendefekten, kann sich der Knochen nicht mehr selbst regenerieren. In diesem Fall kommt es zu Implantaten, meistens aus Titan oder eigenem Knochenmaterial aus anderen Körperstellen. Ein Forschungsprojekt der Universität Rostock befasst sich mit der Herstellung von bioaktiven Knochenersatzstrukturen. Konkret handelt es sich um das Projekt ELAINE – Elektrisch Aktive ImplaNtatE – des Sonderforschungsbereichs 1270 unter der Leitung von Prof. Dr. Hermann Seitz. Im Rahmen dieses Projekts experimentieren die Wissenschaftler mit der Herstellung von bioaktiven Knochenimplantaten durch 3D-Druck.

Bisher kommt als Ersatzmaterial für Knochen häufig Titan zum Einsatz. Dieses kann sich allerdings schwer an die individuellen anatomischen Gegebenheiten anpassen. Außerdem kann sich das Titanimplantat leicht lockern und somit langfristige Probleme bereiten. Ein alternativer Therapieweg, ist es, Knochenmaterial aus dem Becken zu entnehmen und an die schadhafte Stelle zu transplantieren. „Das ist dann aber zusätzlich mit einem weiteren Defekt verbunden“, gibt Seitz zu Bedenken. Um in Zukunft bessere Implantate mit weniger Nebeneffekten und besserer Anpassung garantieren zu können, bedient sich die ELAINE-Forschungsgruppe der additiven Fertigung und ist auf dem Weg, Knochendefekte mit 3D-Drucktechnologie zu behandeln.

Knochen verfügen über ein hohes Maß an Regenerierungskräften. Bei größeren Defekten ist allerdings der Einsatz eines Implantats notwendig. ELAINE erforscht die Herstellung von Knochenimplantaten mittels 3D-Druck (Bild: Pixabay).

Die Forschungsgruppe des Sonderforschungsbereichs ELAINE an der Universität Rostock beschäftigt sich mit der Herstellung von elektrisch aktiven Implantaten, die sich ähnlich verhalten, wie es Knochenstrukturen selbst tun. Die Wissenschaftler orientieren sich daher an der Physiologie der Knochen und nutzen das bekannte Wissen um die Piezoelektrizität der Knochen. Piezoelektrizität tritt auf, wenn Festkörper mit mechanischer Verformung belastet werden und dort Spannungen auftreten. Wenn ein Knochen mechanisch belastet wird, werden elektrische Signale ans Gewebe abgegeben, die Wachstum stimulieren. „Die Piezoelektrizität ist ein wichtiger Schlüsselfaktor beim ständigen Knochenumbau im Organismus,“ sagt Christian Polley, Doktorand im Sonderforschungsbereich 1270 am Lehrstuhl für Mirkofluidik. „Dieser sogenannte piezoelektrische Effekt sorgt dafür, dass Zellen zum Wachstum angeregt werden.“

Ausgehend von diesem Wissen erstellte die Forschungsgruppe per 3D-Druck Implantate aus piezoelektrischer Keramik, konkret Bariumtitanat und arbeitete dafür auch eng mit dem Lehrstuhl für Biomaterialien an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zusammen. Bariumtitanat, ist eine piezoelektrische Keramik, die unter Druck ebenfalls Spannungspotentiale erzeugt. Im Forschungsansatz von ELAINE wird das Bariumtitanat mit bioaktiven Gläsern kombiniert. Im Kontakt mit Körperflüssigkeiten gibt das Material Ionen frei und entfaltet so seine Bioaktivität. Das bioaktive Material wird dann per 3D-Druck zu einem Implantat gefertigt.

Knochenimplantate durch 3D-Druck ahmen echte Knochen nach

Der Vorteil des 3D-Drucks ist, dass das Implantat nach der digitalen Rekonstruktion passgenau im  3D-Drucker angefertigt werden kann und für jeden Patienten die gewünschten Implantate individuell hergestellt werden können. „Wir wissen vorher ganz genau, wie das Puzzlestück aussehen muss“, sagt Polley.  Das eingesetzte 3D-Verfahren beruht auf der LCM-Technologie (Lithography-based Ceramics Manufacturing) aus der Familie der Photopolymerisation. Das photosensitive Polymer wird im Falle von ELAINE mit den piezokeramischen Partikeln beladen und dann in den Drucker gegeben, wo über Lichtaushärtung eine filigrane Struktur entsteht. Im Zuge der thermischen Nachbearbeitung wird das gedruckte Teil gesintert. Obwohl der 3D-Druck selbst nur wenige Stunden in Anspruch nimmt, erfolgt die Nachbearbeitung über Nacht. Die Implantate sind aufgrund der Fertigungsweise steril und biokompatibel und könnten dann in den Patienten eingesetzt werden.

„Wir testen bereits erfolgreich mit Simulationskammern, in denen der Druck in einem Organismus naturgetreu nachgeahmt werden kann“, so Seitz von der Uni Rostock. „Wir wollen ein Implantat haben, das auf mechanische Reize piezoelektrisch reagiert und gleichzeitig bioaktiv ist.“ Ziel ist es, dass Knochenzellen aus dem angrenzenden Gewebe in das poröse Implantat einwandern und es besiedeln. Sind die Besiedelung und die Bildung von Gefäßen erfolgreich, bleibt das Implantat im Körper.

Größere Implantate wie zum Beispiel zur Rekonstruktion des Schädels könnten in Zukunft mit einem Knochenimplantat aus dem 3D-Drucker erfolgen (Bild: Uniklinikum Salzburg).

Obwohl ELAINE mit den bisherigen Ergebnissen des Sonderforschungsbereich auf einem guten Weg ist, muss noch viel Grundlagenforschung erfolgen, bis diese Implantate tatsächlich zur Anwendung kommen. „Denn die zugrundeliegenden Mechanismen müssen bis ins kleine Detail verstanden sein“, erklärt Seitz. Es sei ihm zufolge durchaus möglich, dass noch zehn Jahre vergehen, bis diese Implantate tatsächlich im klinischen Alltag ankommen. Fest steht allerdings schon jetzt, dass der 3D-Druck die Medizin der Zukunft in bedeutender Weise mitgestalten wird.  Mehr zu ELAINE finden Sie HIER.

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*Titelbildnachweis: Joachim Mangler/Universität Rostock, am Bild zu sehen: Christian Polley (li.) und Hermann Seitz (re.)