Neue Art von Knochenzement Belastbarer Knochenersatz: faserverstärkt und selbstheilend

Knochen sind die Stütze unseres Körpers. Doch nicht immer halten sie ein Leben lang. Mit so genanntem Knochenzement können Mediziner größere Frakturen und Defekte im Skelett behandeln. Ein neuartiges Knochenersatzmaterial von Jenaer Forschern verbessert den Heilungsprozess nun, weil es sich wie natürlicher Knochen selbst reparieren kann.

Jena – Viele Verletzungen und Wunden behandelt unser Körper von ganz allein. Selbstheilungskräfte schließen Hautabschürfungen und lassen Knochen wieder zusammenwachsen. Doch bei einer schweren Fraktur oder größeren Knochendefekten müssen Mediziner oft nachhelfen. Dabei kommen immer häufiger so genannte Knochenersatzmaterialien zum Einsatz, die an der geschädigten Stelle die Form und Funktion des Knochens teilweise oder vollständig wiederherstellen.

Damit solche Implantate nicht schon bei kleinsten Verschleißerscheinungen oder Beschädigungen selbst in einer aufwändigen Operation ausgetauscht oder repariert werden müssen, sollten sie ebenfalls Selbstheilungsfähigkeiten besitzen. Materialwissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität Jena haben jetzt ein Knochenersatzmaterial entwickelt, das besonders robust ist und sich sogar selbst repariert.

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Ein Baustoff für Knochenarbeit

Die Jenaer Experten arbeiteten mit Kollegen der Universität Würzburg zusammen und konzentrierten sich auf so genannten Calciumphosphat-Zement – einen Knochenersatzstoff, der in der Medizin bereits häufig zum Einsatz kommt. Das Material regt zum einen die Knochenbildung an und steigert das Einwachsen von Blutgefäßen. Zum anderen lässt es sich minimalinvasiv als Paste in den Körper einbringen, wo es sich aufgrund seiner Verformbarkeit eng an die Knochenstruktur anpasst.

„Aufgrund seiner hohen Sprödigkeit bilden sich im Material jedoch bei zu großer Belastung Risse, die sich schnell weiter öffnen, das Implantat destabilisieren und schließlich zerstören können – ähnlich wie bei Beton an Gebäuden“, erklärt Prof. Dr. Frank A. Müller von der Universität Jena die bisherige Schwachstelle des Knochenzements. „Deshalb wird Calciumphosphat-Zement bisher hauptsächlich an Knochen eingesetzt, die keine lasttragende Rolle im Skelett einnehmen, etwa im Mund- und Kieferbereich.“

Beschichtung für Endoprothesen

Wenn die neue Hüfte sich selbst heilt…

Faserverstärkter Knochenersatz

Nun haben die Jenaer Materialwissenschaftler einen Calciumphosphat-Zement entwickelt, bei dem sich mögliche Risse nicht zu katastrophalen Schäden entwickeln. Stattdessen verschließt das Material die Mikroschäden wieder selbst. Möglich wird dies durch beigemengte Kohlenstofffasern. „Diese Fasern erhöhen zum einen die Schadenstoleranz des Zements enorm, da sie entstehende Risse überbrücken und so verhindern, dass sich diese weiter öffnen“, erklärt Müller. „Zum anderen haben wir die Oberfläche der Fasern chemisch aktiviert. Das bedeutet, sobald die offenliegenden Fasern in Kontakt mit Körperflüssigkeit kommen, die sich durch die Rissbildung in den entstandenen Öffnungen sammelt, wird ein Mineralisierungsprozess initiiert. Der dabei entstehende Apatit – ein generell wichtiger Grundbaustein des Knochengewebes – verschließt den Riss dann wieder.“

Diesen Prozess haben die Jenaer Forscher in ihren Experimenten nachgestellt, indem sie den Calciumphosphat-Zement gezielt schädigten und in simulierter Körperflüssigkeit ausheilten. Dank dieser intrinsischen Selbstheilungsfähigkeit – und der mit der Faserverstärkung verbundenen größeren Belastbarkeit – könnten sich die Anwendungsgebiete für Knochenimplantate aus Calciumphosphat-Zement erheblich erweitern und möglicherweise zukünftig auch lasttragende Skelettbereiche umfassen.

Originalpublikation: Anne V. Boehm, Susanne Meininger, Uwe Gbureck, Frank A. Mueller: Self-healing capacity of fiber-reinforced calcium phosphate cements, Sci Rep 10, 9430 (2020), DOI: 10.1038/s41598-020-66207-2

* S. Hollstein, Friedrich-Schiller-Universität Jena, 07743 Jena

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