In der 3D-Rekonstruktion von Mikro-CT-Bildern ist der regenerative Effekt zu...
In der 3D-Rekonstruktion von Mikro-CT-Bildern ist der regenerative Effekt zu erkennen. Die Gerüste wurden auf der rechten Seite implantiert

Bildquelle: Sun et al., Bioachtive Materials 2021 (CC BY-NC-ND 4.0)

Biogerüst fördert Regeneration

3D-Druck heilt Knochendefekte bei Diabetes

Forscher der Shanghai Jiao Tong University haben eine Lösung für Diabetes-Patienten mit Knochendefekt gefunden, der Frankturen besser behandelbar macht.

Bei dem Verfahren wird mittels 3D-Biodruck ein "Gerüst" für die Reparatur der Knochen hergestellt. Diabetes kann dass Risiko eines Knochenbruchs um 20, bei manchen Patienten sogar um 300 Prozent erhöhen. Die Knochenregeneration ist deutlich eingeschränkt und führt zu einer großen Anzahl von Knochendefekten. Die Forschungsergebnisse wurden in "Bioactive Materials" veröffentlicht.

Die mittels 3D-Biodruck hergestellten "Gerüste" werden mit Stammzellen aus dem Knochenmark, dem knochenmorphogenetischen Protein 4 (BMP-4) und Makrophagen durchtränkt. Laut dem korrespendierenden Autor Jinwu Wang haben die Forscher vielfältige Varianten bei der Zusammensetzung ausprobiert. Bei einer konnte im Zuge von Tests mit Labormäusen schließlich die Bildung von neuen Knochen festgestellt werden. 

Es wurde bereits in der Vergangenheit versucht, konventionellen 3D-Druck bei der Herstellung von Knochengerüsten zur Beschleunigung der Behebung der Knochendefekte einzusetzen. Diese Technologie ermöglicht das Drucken einer präzise kontrollierten Form und Struktur. Bei Diabetes-Patienten kann sich jedoch das Umfeld um den Knochendefekt entzünden. Oft führt die Krankheit zum abnormalen Verhältnis zwischen zwei Arten von Makrophagen, die eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung des Entzündung spielen. Die Folge ist eine entzündliche Schädigung, die der Körper nicht selbst reparieren kann. Die Entzündung kann Blutgefäße von der Versorgung abschneiden oder die Entwicklung neuer verhindern.

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Der 3D-Biodruck nutzt "Bio-Inks" zur Beförderung lebender Zellen, die das Knochenwachstum fördern. Damit sollte eine bessere Kontrolle der Verteilung und Anlagerung von Osteoblasten möglich werden. Das gilt vor allem dann, wenn sie von einem Teil der weißen Blutkörperchen begleitet werden, die notwendig sind, um das Verhältnis zwischen den beiden Arten von Makrophagen wieder herzustellen. Um erfolgreich zu sein, benötigen diese Bio-Inks jedoch eine gute Druckfähigkeit, nach dem Druck eine gute mechanische Stabilität und eine gute Biokompatibilität. Alle Bio-Inks, die bisher getestet wurden, können nur eine oder zwei dieser Anforderungen erfüllen.

Die Forscher des Laboratory of Orthopaedic Implants der Shanghai Jiao Tong University haben eine Rezeptur zusammengestellt, die all diesen Anforderungen entspricht. Sie statten die Bio-Inks mit mesenchymalen Knochenmarkstammzellen, (BMP-4) und den Makrophagen aus, um bei der dysregulierten Entzündung Abhilfe zu schaffen. Zusätzlich wurde der Rezeptur ein Verabreichungssystem für die Arzneimittelabgabe hinzugeführt. Ziel dabei war es, den Zeitraum, in dem die Knochenbildung stattfinden kann, zu verlängern. Bei mesoporösen Silikat-Nanopartikeln handelt es sich um anorganische Nanopartikel, die bereits zur Verabreichung von Medikamenten eingesetzt wurden.

In der Folge planen die Forscher ein biologisches Gerüst zu entwickeln und zu drucken, das durch eine verbesserte Porenstruktur im Inneren einen noch besseren Blutfluss ermöglicht. Das sollte die Regulation des Immunsystems steigern und die Entwicklung von Knochen und Blutgefäßen fördern. Mit diesen zusätzlichen Wirkungen wird das Verfahren die Knochenreparatur noch weiter beschleunigen.


Quelle: Shanghai Jiao Tong University/pressetext

31.03.2021

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