Sonntag, 1. Oktober 2017

Knochen aus dem 3D-Drucker

Mit Calcium-Polyphosphat-Mikropartikeln, eingekapselt in einem Poly-Caprolacton, einem bioabbaubaren Kunststoff, lassen sich dreidimensionale Strukturen drucken. In die Poren dieser Gerüststruktur können anschließend Knochenzellen einwandern, die dann dieses Gerüst in "echtes" Knochenmaterial umbauen.

Forscher aus Mainz haben jetzt die Komposition einer morphogenetisch aktiven "Bio-Tinte" aus amorphen Mikropartikeln aus Calciumionen und dem physiologischen anorganischen Polymer Polyphosphat vorgestellt. Diese MIkropartikel haben die Mainzer durch Mischen mit Poly-ε-caprolacton, einem bioabbaubaren Kunststoff, verstärkt, um damit einen Bio-3D-Durck zu ermöglichen.

Die resultierenden körnigen Mikropartikel aus dem Kunststoff und Calciumpolyphosphat können durch kurzzeitiges Erwärmen auf 100 ° C verflüssigt werden und so als "Drucktinte" des 3D-Druckers dienen. Es entstehen gewebeähnliche Gerüststrukturen aus Strängen mit einer Dicke von 400 μm, die übereinandergedruckt eine gestapelte porige Architektur ausbilden, mit etwa 0,5 Kubikmillimeter großen offenen Lochstrukturen, in die Knochenzellen migrieren können.

Das gedruckte Verbundgerüst zeigte geeignete biomechanische Eigenschaften mit einem Elastizitätsmodul von etwa 1,60 GPa, und einer Martenshärte von 153 ± 28 MPa, die mit denen von kortikalen (Knochenrinde) und trabekulären (Knochenkernstruktur) Knochen mit morphogenetischer Aktivität übereinstimmen.

Dieses Gerüst war in der Lage, menschliche Knochenzellen anzuziehen und zum wachsen zu bringen, was eine entsprechende Färbung des Präparates beweisen konnte. Weiterhin wurde gezeigt, dass das Hybridmaterial aktiv die Konzentration des die Zellmigration induzierende Chemokins SDF-1α hochreguliert, was zu einem beschleunigten Eindringen von Knochenzellen ins Material bewirkte. Entsprechende Analysen zeigten schließlich auch die Anwesenheit von Hydroxyapatit, der Stoff, aus dem natürliche Knochen bestehen, in den auf der Gerüstoberfläche gebildeten Mineralablagerungen.

Basierend auf diesen Ergebnissen der Studie ergibt sich, dass das körnige Poly-Caprolakton/Ca-Polyphosphat für die Herstellung von im 3D-Druck hergestellten Gerüsten geeignet ist, das nicht nur biomechanische Stabilität, sondern auch morphogenetisches Potential aufweist.

Im den heutigen regenerativen Bioengineering kommen immer öfter Biomaterialien und zellbasierte Strategien zum Einsatz, die die geforderten funktionalen und räumlichen Eigenschaften und Variationen, insbesondere in den Übergangsregionen zwischen weichem (Knorpel, Sehne oder Band) und hartem (Knochen) Gewebe erfüllen.

Da Poly-Caprolakton bereits ein FDA-zugelassenes organisches und inertes Polymer und Polyphosphat eine physiologische biologisch aktive Komponente ist, hat dieses neue Bio-Hybrid-Material das Potential, physiologische Funktionen wiederherzustellen, einschließlich Knochenumbau und Regeneration, wenn es als Implantat verwendet wird.

Hier geht es zur Originalveröffentlichung

Hier interessante weiterführende Informationen und Abbildung aus dem Mainzer Arbeitskreis

Grafik: Druckbares Mehrkomponentensystem zu Herstellung härtbarer Implantate. Das Material in Abwesenheit von Calciumionen eignet sich zum Bioprinting. Nach Zugabe von Calciumionen bindet das divalente Kation an die Polyanionen (bioaktives polyP und bioinerte Biopolymere) unter Bildung von Fasern und deren Organisation zu einem harten Implantat. Quelle: unimedizin-mainz.de

 

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