Der 3D-Druck von synthetischen Knochen ist jetzt in einer bisher nicht gekannten Detailgenauigkeit möglich. Die von der Universität Sydney geleitete Forschung hat erfolgreich eine neue Drucktechnik entwickelt, mit der Strukturen in Nanogröße, wie sie in natürlichen Knochen vorkommen, nachgeahmt werden können. Forscher haben einen neuen Meilenstein bei der Schaffung von Knochenersatz erreicht, indem sie die erste 3D-Drucktechnik im Nanomaßstab für synthetischen Knochenersatz entwickelt haben. Die Methode ermöglicht es, die Anatomie des Knochens in noch nie dagewesener Detailtreue nachzubilden, wobei die Forscher in der Lage sind, die Korngröße und die Porosität während des Drucks genau zu steuern.
Die Entwicklung wurde von Professor Hala Zreiqat, der Payne-Scott-Professorin für Biomedizinische Technik an der Universität Sydney, und Associate Professor Iman Roohani, jetzt an der University of Technology Sydney's School of Biomedical Engineering, geleitet.
„Die Technologie bringt uns einen Schritt näher an die zukünftige Umgestaltung von Knochentransplantationschirurgien heran“, sagte Professor Zreiqat, die diese Woche für ihre Arbeit auf dem Gebiet der muskuloskelettalen Regeneration und der erfolgreichen Kommerzialisierung der Technologie zum 2025 Fellow des American Institute for American and Biological Engineering ernannt wurde.
Fortschritte für die rekonstruktive Chirurgie
Das verwendete Material ahmt die mineralische Zusammensetzung des natürlichen Knochens genau nach, so dass menschliche Zellen sie erkennen und mit ihnen interagieren können, mit dem Ziel, synthetischen Knochen mit der gleichen Festigkeit und den gleichen biologischen Eigenschaften wie natürlichen Knochen zu schaffen.
„Dies verringert das Risiko langfristiger Komplikationen und künftiger Operationen und ermöglicht eine natürlichere Wiederherstellung von Knochendefekten“, so Professor Zreiqat, dessen Team auf die Herstellung von Biokeramikmaterialien spezialisiert ist, die die Struktur und die Eigenschaften von echtem Knochen nachbilden sollen. „Die Technologie befindet sich zwar noch in der Entwicklung, stellt aber einen bedeutenden Schritt in der rekonstruktiven Chirurgie dar“, sagte sie.
Wie der 3D-Druck „ein Meisterwerk der Natur“ nachbilden soll
Die Technologie verwendet spezielle Tinten aus biokompatiblen Materialien wie Kalziumphosphat, die der mineralischen Zusammensetzung des natürlichen Knochens sehr ähnlich sind. Das Team war in der Lage, mit einer Auflösung von 300 nm zu drucken, was nach eigenen Angaben tausendmal stärker ist als bestehende Techniken.
Obwohl der menschliche Knochen auf der Oberfläche täuschend einfach aussieht, befindet sich im Inneren des Knochenminerals eine komplexe Architektur aus mikro- und nanogroßen Formen und Gestalten. Dies verleiht dem Knochen seine Festigkeit, Haltbarkeit und die Fähigkeit, das Gewicht mehrerer Schichten von dichtem menschlichen Muskel- und Gewebegewebe zu tragen. „Die komplexe Architektur des Knochens ist ein Meisterwerk der Natur“, so Professor Zreiqat, der an der School of Biomedical Engineering der Fakultät für Ingenieurwissenschaften tätig ist.
Das Ziel, die natürliche Knochenarchitektur nachzuahmen und in 3D zu drucken, war kein leichtes Unterfangen, vor allem nicht auf Nanoebene. „Unsere biokeramischen Gerüste sollen die Struktur und die Eigenschaften von echtem Knochen nachbilden. Es reicht nicht aus, nur wie ein Knochen auszusehen – es muss auch eine ähnliche Festigkeit und Integrität aufweisen. Das ist uns auf der Makro- und Mikroebene gelungen, aber das Erreichen der Nanoebene war das letzte Stück des Puzzles“, so Professor Zreiqat.
Wie könnten Forscher die gleichen nanogroßen Strukturen nachahmen?
Associate Professor Roohani und Doktorand Shuning Wang knackten den Code, indem sie Pränukleationscluster verwendeten. Diese Cluster, die natürlicherweise im Knochen vorkommen, spielen eine wichtige Rolle bei der Knochenbildung, indem sie den Mineralisierungsprozess steuern, der den Knochen so stark macht.
Durch die Einarbeitung dieser Cluster in ein hochtransparentes und druckfähiges Kalziumphosphatharz konnten die Forscher die mikro- und nanoskaligen Merkmale des natürlichen Knochens nachbilden. Der Ansatz spiegelt nicht nur ein tiefes Verständnis der biologischen Prozesse des Knochens wider, sondern zeigt auch das Potenzial der Verwendung von biologisch inspirierten Materialien zur Revolutionierung medizinischer Behandlungen.
„Diese Studie zeigt, dass es möglich ist, knochenähnliche Strukturen zu schaffen, die den Weg für fortschrittliche Knochentransplantate und -implantate ebnen“, sagte der Hauptautor, Associate Professor Roohani, der die Arbeit an der University of Sydney im Team von Professor Zreiqat durchgeführt hat und nun das Labor für fortschrittliche Biomaterialien und Fabrikation an der UTS leitet. „Dies könnte biokeramische Implantate, regenerative Medizin und Hochleistungs-Biomaterialien revolutionieren“, sagte er.
Traditionell werden Metallimplantate wie Platten und Schrauben aus Titan verwendet. Sie bieten zwar strukturelle Unterstützung, nehmen aber nicht am Heilungsprozess teil. Außerdem besteht die Gefahr, dass der Körper den Fremdkörper abstößt oder eine Infektion auftritt. Das Ziel der vom Team von Professor Zreiqat entwickelten biokeramischen Werkstoffe ist es, eine Stütze zu bieten, sich aber auch allmählich in den Körper zu integrieren und die Knochenneubildung zu fördern. Shuning Wang, eines der Teammitglieder, sagte, die Studie sei ein großer Schritt auf dem Weg zur Herstellung von Knochenimplantaten, die den natürlichen Knochen bis in den Nanobereich hinein nachahmen. „Als Nächstes werden wir diese Technologie weiterentwickeln, indem wir die Skalierbarkeit unserer gedruckten Strukturen verbessern und so ihren Weg zur klinischen Anwendung beschleunigen“, sagte sie.
