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3D-gedrucktes, smartes Pflaster Grünes Licht für schnelle Wundheilung

Autor / Redakteur: Julia Siekmann* / Christian Lüttmann

3D-gedruckt und vollgepackt mit einem „Werkzeugkoffer“ zur Wundheilung: Ein neuartiges Gelpflaster soll helfen, chronische Wunden schneller zu schließen. Das Besondere: Das Pflaster lässt sich gezielt per Licht „einschalten“ und steuern, sodass eine personalisierte Behandlung möglich wird.

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Das Kieler Pflaster wird durch grünes Licht aktiviert und kann im 3D-Drucker passgenau hergestellt werden.
Das Kieler Pflaster wird durch grünes Licht aktiviert und kann im 3D-Drucker passgenau hergestellt werden.
(Bild: Leonard Siebert)

Kiel – Durchblutungsstörungen, eine Diabetes-Erkrankung oder langes Liegen auf derselben Stelle können zu chronischen Wunden führen, die auch nach Wochen nicht abheilen. Wirkungsvolle Behandlungsmöglichkeiten gibt es kaum. Ein Forschungsteam aus den Materialwissenschaften der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat zusammen mit Kollegen des Universitätsklinikums Schleswig-Holstein (UKSH), der amerikanischen Harvard Medical School und der südkoreanischen Dankook University ein Wundpflaster mit heilungsfördernden Funktionen entwickelt, die patientenspezifisch angepasst werden können.

Das per 3D-Druck hergestellte Pflaster wirkt antibakteriell, versorgt die Wunde mit Sauerstoff sowie Feuchtigkeit und unterstützt die Bildung von neuem Gewebe. Indem man das Pflaster mit speziellem Licht bestrahlt, lässt sich dessen Wirkung aktivieren und steuern. Die Forscher aus der Materialwissenschaft und der Medizin stellten ihr Konzept nun in einer Publikation vor.

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Smartes Pflaster schaltet bei grünem Licht die Wundheilung an

Basis des neu entwickelten Pflasters ist ein medizinisches Hydrogel. Durch seinen hohen Wassergehalt von 90 Prozent und vergleichsweise großen Zwischenräumen auf der Mikroskala, kann das Pflaster chronische trockene Wunden optimal versorgen. Wichtigster Bestandteil sind jedoch antibakteriell wirkende Zinkoxid-Mikropartikel, die auf Licht reagieren und von den Kieler Materialforschenden entwickelt wurden.

Gemeinsam mit einem Team des Brigham and Women’s Hospitals der Harvard Medical School fanden sie einen Weg, um auf den Mikropartikeln spezielle Proteine aufzubringen. Mit zellschonendem grünem Licht werden die Proteine aktiviert und regen so die Bildung neuer Blutgefäße an. Durch die verbesserte Durchblutung entsteht neues Gewebe und die Wunde kann sich schließen.

Indem wir die Wirkung des Pflasters mit Licht steuern, können wir den Verlauf und die Dosierung der Therapie an die individuellen Bedürfnisse von Patientinnen und Patienten anpassen

Rainer Adelung, Professor für Funktionale Nanomaterialien am Institut für Materialwissenschaft der Uni Kiel und Sprecher des Graduiertenkollegs „Materials for Brain“

In den Materialwissenschaften wird das als „Smart Material“ bezeichnet, also ein Material, das selbstständig auf äußere Reize reagiert und darüber kontrolliert werden kann.

Ausdrucken, aufkleben, anleuchten

Ähnlich funktionierende Hydrogelpflaster, die ebenfalls gezielt aktiviert werden können, existieren zwar bereits – sie entfalten ihre therapeutische Wirkung allerdings durch Wärme oder elektrische Signale statt durch Licht. „Diese Konzepte haben den Nachteil, dass sich dabei auch die Wunde erwärmt und Hydrogele sich zu zersetzen beginnen“, erklärt Adelung.

Das Forscherteam hofft, dass Kliniken in Zukunft selbst die multifunktionalen, steuerbaren Pflaster herstellen können – einfach per 3D-Druck. Mit sehr hellen, grünen LEDs könnten die behandelnden Ärzte die Wundheilungs-Pflaster direkt an den Patienten aktivieren. „Per 3D-Druck lässt sich sowohl die Form des Pflasters als auch die Konzentration der Zinkoxidpartikel und die Proteinsorte individuell anpassen“, sagt Erstautor Dr. Leonard Siebert von der CAU. „Unsere Partikel haben eine Tetrapodenform, sie bestehen also aus mehreren ‚Armen‘. Dadurch lassen sich zwar besonders viele unserer wichtigen Proteine auf ihnen anbringen, aber sie passen nicht durch herkömmliche Druckerdüsen“, beschreibt Siebert eine der Herausforderungen des Bio-3D-Drucks. Bei einem Kooperationsaufenthalt in Boston entwickelte er schließlich eine Methode, um die Zinkoxidpartikel aus seiner Kieler Arbeitsgruppe zusammen mit den Hydrogelen zu drucken.

Potenzial für personalisierte Medizin

Außerdem arbeiteten die Kieler Materialwissenschaftler eng mit Professor Helmut Fickenscher, Infektionsmediziner an der CAU und am Universitätsklinikum Schleswig-Holstein (UKSH), zusammen. Er und sein Team testeten die antibakterielle Wirkung des Pflasters: Für 72 Stunden legten sie es auf einen Bakterienteppich und stellten fest, dass sich die Bakterien in einem Umkreis von mehreren Millimetern um das Pflaster nicht weiter ausbreiten. „Hierfür haben wir zwei typische Wundkeime verwendet, die sich in ihrem Aufbau grundlegend unterscheiden: Staphylococcus aureus und Pseudomonas aeruginosa. Das Pflaster zeigte bei beiden Grundtypen eine therapeutische Wirkung, was auf einen universalen Effekt schließen lässt“, fasst Dr. Gregor Maschkowitz zusammen, medizinischer Fachmikrobiologe am UKSH.

Weitere Tests an Lebendmodellen wurden in Südkorea am NBM Global Research Center for Regenerative Medicine der Dankook University durchgeführt. Erste Ergebnisse weisen auch hier auf eine gute Verträglichkeit des Pflasters und eine verbessere Wundheilung hin, wie die Forscher berichten.

Dieses Pflaster ist ein spannendes Konzept für die personalisierte Medizin, um Menschen mit auf sie zugeschnittenen Therapien möglichst gezielt, effektiv und schonend zu behandeln

Professor Helmut Fickenscher, Infektionsmediziner an der Uni Kiel und am Universitätsklinikum Schleswig-Holstein

Damit sei das neuartige Wundheilungspflaster ein konkretes Beispiel für das vielversprechende Potenzial der Zusammenarbeit von Medizin und Materialwissenschaft, die künftig immer wichtiger werde.

Nachdem die ersten Tests gezeigt haben, dass ihr Konzept grundsätzlich funktioniert, wollen die Forscher jetzt die Steuerung per Licht verbessern. Ziel ist es, Patienten künftig eine effektivere personalisierte Wundbehandlung anbieten zu können.

Originalpublikation: Leonard Siebert, Eder Luna-Cerón, Luis Enrique García-Rivera, Junsung Oh, JunHwee Jang, Diego A. Rosas-Gómez, Mitzi D. Pérez-Gómez, Gregor Maschkowitz, Helmut Fickenscher, Daniela Oceguera-Cuevas, Carmen G. Holguín-León, Batzaya Byambaa, Mohammad A. Hussain, Eduardo Enciso-Martínez, Minsung Cho, Yuhan Lee, Nebras Sobahi, Anwarul Hasan, Dennis P. Orgill, Yogendra Kumar Mishra, Rainer Adelung, Eunjung Lee, Su Ryon Shin: Light-Controlled Growth Factors Release on Tetrapodal ZnO-Incorporated 3D-Printed Hydrogels for Developing Smart Wound Scaffold, Adv. Funct. Mater., Volume 31, Issue 22, May 26, 2021, 2007555, https://doi.org/10.1002/adfm.202007555

* J. Siekmann, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel,24118 Kiel

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