Da die Weltbevölkerung immer älter wird, steigt der Bedarf an Knochenimplantaten. Herkömmliche Implantate bergen Risiken wie Infektions- und Abstoßungsgefahr und erfordern unter Umständen Operationen zur Entfernung. Ziel des TriMaBone-Projekts war es, resorbierbare 3D-druckbare Materialien für personalisierte Knochenimplantate zu entwickeln, die die natürliche Heilung und das Nachwachsen des ursprünglichen Gewebes fördern. Hans-Peter Deigner, Professor an der Fakultät für Medizin- und Biowissenschaften der Hochschule Furtwangen, war der wissenschaftliche Leiter des Projekts, und Oliver Riester ein Forscher im Konsortium.
Steigender Bedarf an wirksamen Knochenreparaturmaterialien aufgrund der Alterung der Bevölkerung
Die Knochen in unserem Körper besitzen erstaunliche selbstreparierende Eigenschaften. Sie befinden sich in einem ständigen Regenerationsprozess: Während des gesamten Lebens eines Menschen wird altes Knochengewebe durch neues ersetzt. Dieser Prozess ist für die Aufrechterhaltung von Dichte und Struktur und damit für die biomechanische Funktion der Knochen unerlässlich. Mit zunehmendem Alter verschlechtern sich jedoch diese selbstreparierenden Eigenschaften. Da die Weltbevölkerung immer älter wird, dürfte die Verbreitung altersbedingter Knochenverletzungen und -krankheiten zunehmen, so dass ein wachsender Bedarf an Knochenimplantaten besteht, die beschädigtes Knochengewebe ersetzen oder unterstützen.
Knochenimplantate werden in verschiedenen medizinischen Bereichen eingesetzt, unter anderem in der Orthopädie und Zahnmedizin. Herkömmliche Implantate werden aus Metallen, Keramik oder Polymeren hergestellt. Metallimplantate sind wegen ihrer Festigkeit und Haltbarkeit beliebt, können aber zu Komplikationen wie allergischen Reaktionen führen. Keramik ist aufgrund ihrer chemischen Ähnlichkeit mit dem natürlichen Knochen eine interessante Option, kann jedoch spröde sein und leicht brechen. Polymere sind zwar leicht, flexibel und können in komplexen Formen hergestellt werden, sind aber nicht so stabil wie Metalle oder Keramik. Obwohl die meisten Operationen erfolgreich verlaufen, kann es zu Komplikationen wie Infektionen und Abstoßungsreaktionen kommen, die eine operative Entfernung erforderlich machen. Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben Biomaterialforscher damit begonnen, eine Alternative zum Ersatz zu erforschen: die endogene Regeneration, d. h. die Verwendung resorbierbarer Implantate, die die natürliche Heilung und das Nachwachsen des ursprünglichen Gewebes fördern. Um diese resorbierbaren Implantate effizienter zu machen, besteht eine große Herausforderung darin, 3D-druckbare Materialien zu entwickeln, mit denen personalisierte Implantate hergestellt werden können, die auf die spezifischen Bedürfnisse der einzelnen Patienten zugeschnitten sind.
Chitosan, eine vielversprechende Substanz für resorbierbare 3D-druckbare Knochenimplantate
Ziel des TriMaBone-Konsortiums war es, „neuartige 3D-druckbare Polymere zu synthetisieren, die Lücken in Knochen füllen und nach einiger Zeit durch ursprüngliches Knochenmaterial ersetzt werden können“, so Hans-Peter Deigner. Das Team untersuchte Chitosan, eine Substanz, die aus Chitin gewonnen wird, dem strukturellen Bestandteil der Schalen von Garnelen und anderen Krustentieren. Vier akademische Partner bündelten ihr Fachwissen: Die Hochschule Furtwangen analysierte die chemischen Aspekte und die Biokompatibilität von Chitosan, die Université de Haute-Alsace war für die chemische Funktionalisierung verantwortlich (d.h. die Veränderung der chemischen Struktur von Chitosan, um seine Eigenschaften zu anzupassen), die Universität Koblenz-Landau arbeitete an den physikalischen Eigenschaften, und die Fachhochschule Nordwestschweiz steuerte ihr Wissen über 3D-Druckverfahren bei. „Chitosan ist vollständig biokompatibel, antimikrobiell und wird innerhalb eines angemessenen Zeitraums (sechs Monate bis ein Jahr) durch das ursprüngliche Material ersetzt, so dass wir langfristig kein Fremdmaterial im Körper haben. Und es verbessert und beschleunigt den Heilungsprozess“, erklärt Hans-Peter Deigner. Chitosan 3D-druckbar zu machen, war jedoch eine Herausforderung, denn „Chitosan baut sich ab, bevor es schmilzt“, fügt Oliver Riester hinzu. „Wir mussten es modifizieren, um die gewünschten Eigenschaften für den 3D-Druckprozess zu erhalten“.
Zukunftsperspektiven
Das TriMaBone-Konsortium hat erfolgreich gezeigt, dass Chitosan ein vielversprechendes Material für resorbierbare Implantate ist. Zukünftige Forschung ist in Bezug auf den 3D-Druck erforderlich: „Dieser Prozess hängt von Materialeigenschaften ab, die im Rahmen des Projekts nicht optimiert werden konnten. Weitere Feinabstimmung ist notwendig, um das 3D-druckbare Material zu erhalten. Leider hat sich das Projekt durch die Covid-Pandemie verzögert, so dass ein weiteres halbes Jahr notwendig gewesen wäre“, so Hans-Peter Deigner.
Das TriMaBone-Projekt war ein bedeutender Meilenstein auf dem Gebiet der Knochenimplantatforschung und ebnete den Weg für beachtliche Entwicklungen, die zu verbesserten Patientenergebnissen führen könnten. So hat beispielsweise die Verwendung resorbierbarer 3D-gedruckter Knochenimplantate in Kombination mit einer unterstützenden Stammzelltherapie das Potenzial, die Effektivität des Knochenwachstums und der Regeneration zu verbessern. Durch die Einbettung therapeutischer Makromoleküle in das Implantat selbst kann zudem der Heilungsprozess verbessert werden. Mit diesen Fortschritten sieht die Zukunft der Knochenimplantate vielversprechend aus, denn sie bieten den Patienten wirksamere und dauerhafte personalisierte Lösungen für eine Vielzahl von knochenbezogenen Erkrankungen.
Das TriMaBone-Projekt („Trinational research initiative: 3D printing materials for resorbable bone implants“) begann im September 2019 und endete im August 2022. Es wurde von der Europäischen Union im Rahmen des Programms Interreg V Oberrhein und von den französischen und deutschen Regionalpartnern der Initiative „Wissenschaftsoffensive“ kofinanziert und brachte vier akademische Partner zusammen: Die Hochschule Furtwangen, Université de Haute-Alsace, Universität Koblenz-Landau und die Fachhochschule Nordwestschweiz. Die Wissenschaftsoffensive: Aufgrund ihres Erfolgs wird die Initiative im Zeitraum 2021-2027 fortgeführt, für den zwei Projektaufrufe vorgesehen sind. Aufbauend auf der Dynamik der grenzüberschreitenden wissenschaftlichen Zusammenarbeit möchten die mitfinanzierenden Partner der Wissenschaftsoffensive nun den Transfer und die Verwertung der Ergebnisse der öffentlichen Forschung unterstützen und den positiven Effekt der wissenschaftlichen Erkenntnisse auf die Unternehmen und die Gesellschaft verstärken, zugunsten der wirtschaftlichen, sozialen und ökologischen Entwicklung der Trinationalen Metropolregion Oberrhein. Der vierte Aufruf der Wissenschaftsoffensive ist seit dem 5. Januar 2023 veröffentlicht (bis zum 24. März) und legt den Schwerpunkt auf den Wissens- und Technologietransfer. Gleichzeitig trägt er somit zur Erreichung der Ziele der Trinationalen Metropolregion Oberrhein (TMO) bei. Alle Informationen zur Wissenschaftsoffensive sind auf der Webseite der Säule Wissenschaft zu finden.