Ist das Knochenimplantat der Zukunft ein Hydrogel?

Brechen Knochen bei einem (Ski-)Unfall, wachsen sie meist von selbst zusammen ¨C es sei denn, der Schaden am Knochen ist zu gross. Dann oder auch nach der Entfernung eines Knochentumors bauen Chirurg:innen ein Implantat ein, das das Zusammenwachsen des Knochens erm?glicht.

Als Implantate dienen oft k?rpereigene Knochenst¨¹cke, sogenannte Autografts, Metall- oder Keramikteile. Die meisten heutigen Implantate haben jedoch einen Nachteil: Autografts m¨¹ssen dem Patienten an einer zweiten Operationsstelle entnommen werden. Metallimplantate sind oft zu starr; sie k?nnen sich deswegen mit der Zeit lockern und ihre Stabilit?t verlieren.

Biologie ber¨¹cksichtigen

Und fast noch wichtiger: Knochen ist ein sehr komplexes Organ mit unz?hligen Tunnels und Hohlr?umen. ?Damit ein Knochen gut heilt, m¨¹ssen wir unbedingt die Biologie in die Reparatur einbeziehen?, sagt Xiao-Hua Qin, Professor f¨¹r Biomaterials Engineering der ETH Z¨¹rich. Und f¨¹r diese Reparatur braucht es verschiedene Zelltypen, die zuerst das Implantat besiedeln m¨¹ssen und dann neue Knochensubstanz bilden.

Der ETH-Forscher hat deshalb einen neuen Ansatz gew?hlt: Als Material f¨¹r ein k¨¹nftiges Implantat entwickelte Qin zusammen mit seiner Gruppe und ETH-Professor Ralph M¨¹ller ein neuartiges Hydrogel, das weich wie Pudding ist und sich mit der Zeit im K?rper aufl?st. Dieses Material k?nnte dereinst f¨¹r massgeschneiderte Knochenimplantate verwendet werden. Die entsprechende Studie ist soeben in der Fachzeitschrift externe Seite Advanced Materials erschienen.

Heilung beginnt mit weichem Material

?Zu Beginn der nat¨¹rlichen Knochenheilung setzt der K?rper immer ein weiches Material ein?, erkl?rt der Forscher. In den ersten Tagen nach einem Bruch bildet sich ein H?matom, eine Schwellung. Es ist durchl?ssig und f?rdert die Einwanderung von Zellen, die f¨¹r die Reparatur des Bruchs zust?ndig sind, von Immunzellen und N?hrstoffen. Ein Netz aus Fibrin h?lt die Zellen zusammen. Im Laufe der Zeit entsteht daraus ein harter und steifer Knochen.

Das Hydrogel ist dieser nat¨¹rlichen Knochenheilung nachempfunden. Es besteht zu 97 Prozent aus Wasser und zu 3 Prozent aus einem biologisch vertr?glichen Polymer. Damit es sich verfestigen kann, f¨¹gten die Forschenden zwei spezielle Molek¨¹le zu: ein Verbindungsmolek¨¹l, das die Polymerketten miteinander verkn¨¹pft, und ein auf Licht reagierendes Molek¨¹l, das die Reaktion in Gang setzt.

Qins und M¨¹llers ehemalige Doktorandin Wanwan Qiu hat das Verbindungsmolk¨¹l eigens f¨¹r diese Anwendung entwickelt. ?Es erm?glicht eine schnelle Strukturierung im Submikrometerbereich von Hydrogelen?, sagt sie. Zur Verkn¨¹pfung der Polymerketten kommt es, sobald Laserpulse von bestimmter Wellenl?nge auf das Hydrogel auftreffen. Die bestrahlten Bereiche werden dabei sofort fest, w?hrend die nicht bestrahlten Teile sp?ter ausgewaschen werden k?nnen.

Pudding in Weltrekordzeit strukturierbar

Auf diese Weise k?nnen die Forschenden mit dem Laserstrahl beliebige Formen und Strukturen ins Hydrogel drucken, und zwar in sehr feiner Aufl?sung und ?usserst pr?zise. Die Strukturen k?nnen nur gerade 500 Nanometer gross sein.

?Da Hydrogele wie Wackelpuddings sind, lassen sie sich kaum vern¨¹nftig formen?, sagt ETH-Professor Qin. ?Dank des neu entwickelten Verbindungsmolek¨¹ls k?nnen wir nun aber das Hydrogel nicht nur stabil und ?usserst fein strukturieren, sondern auch mit einer hohen Schreibgeschwindigkeit von bis zu 400 Millimeter pro Sekunde herstellen. Das ist ein neuer Weltrekord.?

Strukturen im Nanometerbereich

In ihrer Studie stellten die Forschende unter anderem komplex strukturierte Hydrogels her, die wie echter Knochen aussehen und ein feines Netz von Knochenb?lkchen aufweisen. Als Vorlage dienten den Forschenden Bilder aus der medizinischen Bildgebung.

Auch ein gesunder nat¨¹rlicher Knochen ist von einem feinen Netzwerk aus nur nanometerd¨¹nnen und mit Fl¨¹ssigkeit gef¨¹llten Kan?len durchzogen. ?In einem Knochenst¨¹ck von der Gr?sse eines Spielw¨¹rfels sind 74 Kilometer Tunnels?, sagt Qin. Zum Vergleich: Der l?ngste Bahntunnel der Welt, der Gotthard Basistunnel, misst 54 Kilometer.

Material ist biokompatibel

Bisher haben die Forschenden das Material erst im Reagenzglas getestet. Dabei zeigte sich, dass knochenbildende Zellen das strukturierte Hydrogel rasch besiedeln und beginnen, Kollagen zu bilden, ein wichtiger Bestandteil des Knochens. Die Tests zeigten weiter, dass das Material biokompatibel ist und die knochenbildenden Zellen nicht sch?digt. Die Forschenden haben das Basismaterial patentieren lassen und m?chten es der medizinischen Industrie zug?nglich machen.

Das erkl?rte Ziel des Forschers ist, dass das Implantat auf Hydrogelbasis eines Tages bei der Reparatur von gebrochenen Knochen in der Klinik eingesetzt wird. Der Weg dahin ist allerdings noch weit. Als N?chstes plant Qin in Zusammenarbeit mit dem AO Forschungsinstitut Davos Tests in Tieren. Damit wollen die Forschenden herausfinden, ob ihr neues Knochenreparaturmaterial auch im K?rper das Einwandern von knochenbildenden Zellen f?rdert und ob es mit der Zeit die St?rke des Knochens wiederherstellt.