Entwicklung von personalisierbaren Knochenersatzmaterialien

Gesund, fit und rüstig bis ins hohe Alter – gerade in Hinblick auf die steigende Lebenserwartung stehen diese Wünsche bei vielen weit oben auf der Liste. Doch auf der Lebensstrecke 60+ bleiben Knochen- und Gelenksdegradation sowie Gewebs-, Muskel- und Sehnenverluste nicht aus. Aber auch jüngere Menschen können nach Krankheit oder Unfällen von Knochen- und Gelenkschäden betroffen sein. Zur Behebung solcher Defekte und Aufwertung der Lebensqualität entwickelt und erforscht die Fraunhofer IKTS-Gruppe »Biologisierte Materialien und Strukturen« Implantate und Implantat-Materialien, die die menschliche Knochenstruktur nachahmen.

Ziel der biomimetischen Materialbereitstellung ist, den körpereigenen Zellaufbau durch wahlweise bioabbaubare und/oder bioinerte Knochenersatzmaterialien sowie natürlichen strukturellen Aufbau anzuregen. Der keramische Knochenersatz dient hierbei als Gerüst und Leitstruktur, in welche die körpereigenen Zellen einwachsen sollen. Solch mechanisch stabile Knochenersatzmaterialien werden auch mit Wachstumsfaktoren kombiniert. In jüngsten Arbeiten gelang der Nachweis, dass die der Theorie nach bioabbaubaren künstlichen Knochenstrukturen der Gruppe im Tiermodell real abbaubar sind und an diesen Stellen körpereigenes Gewebe neu gebildet wurde.

Wie entsteht ein biokompatibles Knochenimplantat und was zeichnet es aus?

Der künstliche Knochen wird personalisiert nachgebildet. Ermöglicht werden die maßgeschneiderten Knochenimplantate („Scaffolds“) durch die Kombination von additiv gefertigten Strukturen (corticalis-artig umgebend und/oder als biomechanisch optimierte Stützstreben) und einer porösen biokeramischen Füllung (spongiosa-artig).

Für die Herstellung der biomechanisch ausgelegten Stützstrukturen wird am Fraunhofer IKTS das additive Verfahren der Ceramic Additive Manufacturing Vat Photopolymerization (CerAM VPP) eingesetzt.

Gefüllt sind die Scaffolds mit porösen Biokeramiken. Sie werden über Gefrierschäumung hergestellt. Bei diesem Verfahren wird der Umgebungsdruck um eine wässrige keramische Suspension in einem Gefriertrockner abgesenkt. Das führt zum Aufblähen der Suspension, bis der so entstandene Schaum durch Gefrieren stabilisiert wird. Über die Gefriertrocknung wird die Struktur vom Eis befreit und getrocknet. Nach der für keramische Werkstoffe üblichen Wärmebehandlung ist ein fester Schaum entstanden, der als Knochenersatzmaterial verwendet werden kann.

Übliche gefriergeschäumte Biomaterial-Strukturen weisen eine überwiegend offene Porosität zwischen 70 und 90 Prozent sowie Porengrößen im Mikro-/Meso-Bereich von 0,1 bis 20 μm und im Makrobereich von 100 bis 1000 μm auf. Zudem sind sie interkonnektiert und weisen porenverbindende Stege auf, die ausgefüllt und mikroporös zugleich sind. Sie tragen damit zur Stabilisierung der sonst hochporösen Struktur bei.

Vorteile des Gefrierschäumens für neue Produkte und Anwendungen

Das Gefrierschäumen bietet die Möglichkeit nicht nur unterschiedliche Materialien (Metalle, MOFs, Polymere etc.) sondern auch mehrere Materialien gleichzeitig, zeitversetzt, interpenetrierend oder aufeinandergeschichtet zu schäumen. Entstehende Strukturen können endformnah und damit anwendungsspezifisch hergestellt werden.

Um Entzündungen und Abstoßungsreaktionen zu vermeiden, ist die Materialauswahl entscheidend. Die Arbeitsgruppe erprobt verschiedene biokompatible Materialklassen und prüft ihre Bioverträglichkeit zusammen mit Partnern. Hierbei werden Biokeramik, Biopolymere und Zellmaterial kombiniert. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fertigen beispielsweise ein Knochenimplantat aus bioaktivem Hydroxylapatit (HAp), biodegradierbarem Tricalciumphosphat (TCP) und bioinertem Zirkonoxid, um materialbedingte Vorteile zu vereinen. Insbesondere HAp und TCP erweisen sich als vielseitige Knochenersatzmaterialien. Im Projekt »Hybrid-Bone – personalisierbare keramische Knochenersatzmaterialien und -strukturen zur verbesserten Regeneration im Gesichtsschädelbereich« wird zum Beispiel ein komplexes Hybrid-Scaffold aus Tricalciumphosphat als Unterkieferknochen-Teilimplantat erprobt und verifiziert (Förderkennzeichen: 03VP07633).

Nicht nur als Knochenersatz, sondern auch in der Dentalmedizin bietet HAp Vorzüge. Es kommt zu ca. 95 Prozent natürlich im Zahnschmelz vor und überzeugt durch seine Härte und Beständigkeit gegenüber Säuren, Basen, Druck oder Abnutzung.

Neue Anwendungsmöglichkeiten von HAp und anderen bioaktiven Materialkombinationen in der Dental- und Medizinindustrie sollen in den nächsten Jahren intensiv weiter erforscht werden. Dies schließt Studien zur Biologisierung (z.B. durch zusätzliche Laser-Oberflächen-Strukturierung) und Biomineralisierung ein, um den Einbau eines Implantats oder Bioersatzmaterials in die menschliche Skelettstruktur biomimetisch, patientenschonend und umfassend zu realisieren.

Die Arbeitsgruppe »Biologisierte Materialien und Strukturen« bietet ihren Forschungspartnern und Kunden in gemeinsamen Projekten ihre Expertise. Gerne entwickeln wir mit Ihnen neue Ideen und erschließen sowohl in Machbarkeitsstudien als auch spezifischen Produktentwicklungen gemeinsam neue Themenfelder und industrielle Anwendungen.