Biomimetischer Gewebekleber Miese Haftkraft sinnvoll eingesetzt: Knochen-Kleber nach Muschelvorbild

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Wo sich Miesmuscheln festgesetzt haben, sind sie kaum noch wegzubekommen. Mithilfe eines Proteins haften sie fest an Steinen und Schiffsrümpfen. Diese Klebkraft nutzen Fraunhofer Forscher nun für einen biomimetischen Gewebekleber. Das antimikrobielle Material lässt sich per 3D-Druck auf Implantate bringen und stellt eine feste Verbindung zum Knochen her. Dies soll die Stabilität und Langlebigkeit von Prothesen verbessern.

Auf See sind sie sind das Ärgernis eines jeden Reeders: Miesmuscheln haften fest an Außen- und Unterseiten von Schiffen, der Bewuchs lässt sich nur schwer entfernen. Verantwortlich für die haftende Wirkung der Muscheln an Oberflächen ist ein Protein, das die Aminosäure Dihydroxyphenylalanin (kurz: Dopa) enthält. Was an Schiffsrümpfen für Ärger sorgt, kann andernorts eine sinnvolle Anwendung finden. So haben sich Fraunhofer Forscher von den anhänglichen Muscheln inspirieren lassen und einen biomimetischen Kleber entwickelt, der diese Eigenschaft nachahmt.

Der Klebstoff zeichnet sich durch außergewöhnliche Haftungs- und Bindungseigenschaften aus und hat daher das Potenzial, in verschiedenen biomedizinischen Anwendungen eingesetzt zu werden. So lassen sich etwa offene Wunden damit verschließen. Auch können Titanoberflächen von Implantaten damit beklebt werden, damit der Körper die Oberfläche als knochenähnliche Substanz erkennt und die Verbindung zum Knochen herstellt. Die Entwicklung ist eine Zusammenarbeit der Fraunhofer-Institute für Angewandte Polymerforschung (IAP), für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) und dem Fraunhofer USA Center for Manufacturing Innovation (CMI).

Gewebekleber nach Naturvorbild

Haftkraft von Muscheln kann Herzen flicken

Beschichtungsmaterial für Titanimplantate

„Dopa sorgt für eine äußerst effektive Haftung. Diese Eigenschaft haben wir auf unseren Klebstoff übertragen, indem wir Polymere synthetisiert haben, die den Baustein Dopamin enthalten, ein chemisches Analogon von Dopa“, erläutert Dr. Wolfdietrich Meyer, Wissenschaftler am Fraunhofer IAP.

Doch nicht allein die Haftkraft des Miesmuschel-Klebers macht ihn zu einem attraktiven Hilfsmittel in der Medizintechnik, sondern vor allem die Kombinationsmöglichkeit mit anderen Bestandteilen. „Der Dopamin-basierte Klebstoff lässt sich mit verschiedenen Additiven versetzen, zum Beispiel mit Proteinen, Signalmolekülen und Apatit-Partikeln – eine Substanz, aus der Zähne bestehen. Diese fördern das Wachstum von Knochenzellen und können als Beschichtungsmaterial etwa für Titanimplantate verwendet werden.“ Die spezielle Beschichtung lässt das Implantat für den Körper natürlicher erscheinen und kann die Heilung und Integration des Implantats im Körper fördern. Der biobasierte, nachhaltig hergestellte Klebstoff besitzt zudem antimikrobielle Eigenschaften.

Die Dopamin-basierten Polymere eignen sich nicht nur für Gewebeklebstoffe, sondern auch für die Entwicklung funktionalisierter Oberflächen, antibakterieller Materialien und intelligenter Beschichtungen mit speziellen Funktionen.

Nächster Schritt: Klebstoff mit Korrektur-Funktion

Durch chemische Synthese kann man die Funktionalität des Klebers erweitern. Er lässt sich derart modifizieren, dass er auf Licht reagiert. Wird er mit UV-Licht bestrahlt, so härtet er aus. Dabei verstärkt sich seine haftende Wirkung. Photoreaktive Materialien lassen sich im 3D-Druck in Gegenwart von UV-Strahlung verarbeiten. Auf diese Weise können komplexe Strukturen für maßgeschneiderte medizinische Implantate aufgebaut werden.

Dem Forscherteam an den Fraunhofer-Instituten IAP und IGB ist es gelungen, den Kleber durch Vernetzung der Polymere druckbar zu machen. „Wir haben quasi das Druckmaterial für den 3D-Druck entwickelt“, sagt Meyer. Am CMI in Boston, USA, wurde das Material mithilfe eines Bioprinters auf einen dreidimensionalen Titaniumshaft eines Hüftgelenks aufgebracht.

Künftig arbeiten die Forscher an Lösungen, wie man den Kleber schaltbar machen kann. „Hat der Chirurg den medizinischen Klebstoff beispielsweise geringfügig falsch platziert, muss er diesen Fehler schnell korrigieren und die klebende Wirkung deaktivieren können“, erklärt der Fraunhofer Chemiker Meyer.

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