Bioaktives Komposit aus dem 3D-Drucker Knochenbrüche heilen – mit Glas- und Kunststoffgerüst

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Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM)

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Nicht jeder Knochenbruch verheilt ohne Komplikation. Ein neues bioaktives Verbundmaterial soll künftig die Behandlung von Frakturen verbessern, indem es Bakterienwachstum hemmt und den Aufbau neuer Knochensubstanz fördert. Das Komposit aus speziellem Glas und Polymer lässt sich per 3D-Druck passgenau fertigen.

Ungefähr 800.000 Knochenbrüche werden in Deutschland pro Jahr im Krankenhaus behandelt. Bei bis zu zehn Prozent der Fälle gibt es nach der Behandlung Komplikationen: Der Knochen heilt nicht richtig und es kommt zu schmerzhaften Pseudoarthrosen, die eine Belastung des Knochens unmöglich machen. Für die Patienten ist oftmals ein weiterer Krankenhausaufenthalt mit einer Nachoperation und Langzeitbehandlung erforderlich. Kliniken müssen sich auf aufwändige und kostenintensive Therapien einstellen.

Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen widmet sich im Verbundprojekt „Scabaego“ (Scaffold bio-active glass enhanced osteogenesis) nun diesem Problem. Ziel ist es, die Arbeitshypothese zu prüfen, dass der Einsatz bioaktiver Materialien bei der Operation den Heilungsprozess unterstützt und das Risiko von Infektionen senkt. Als Partner beteiligt sind die Klinik für Unfall- und Wiederherstellungschirurgie am Universitätsklinikum Heidelberg und die Bella Seno GmbH, ein Medizintechnikspezialist aus Leipzig.

Knochen aus Kunststoff und Glas

Die Forschenden am Fraunhofer IFAM haben ein Kompositmaterial aus dem biologisch abbaubaren Polymer Polycaprolacton (PCL) und bioaktivem Glas entwickelt. Daraus entsteht in additivem 3D-Druck ein individuell angepasstes Stütz- und Leitgerüst für die Bruchstelle im Knochen, das so genannte Scaffold. Zuvor werden die Strukturen des beschädigten Knochens mittels Computertomografie (CT) erfasst.

Das passgenaue Gerüst ersetzt das fehlende Knochenstück. Dieses wird dann mit Knochenmark gefüllt, das zuvor aus dem Beckenkamm oder dem Markraum großer Röhrenknochen entnommen wurde. Hierdurch ist gewährleistet, dass dieses biologische Knochenersatzmaterial zuverlässig und sicher an der gewünschten Stelle einheilt.

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Bioaktives Glas wandelt sich in Knochensubstanz um

Das neue Medizinprodukt vom IFAM bietet entscheidende Vorteile. „Das bioaktive Glas im Scaffold hebt den pH-Wert des umgebenden Milieus in den basischen Bereich. Die hierdurch erwartete Hemmung des Wachstums von Bakterien wollen wir als nächstes untersuchen“, erklärt Dr. Kai Borcherding, Geschäftsfeldleiter Medizintechnik und Life Sciences am Fraunhofer IFAM. Die Forschenden erwarten, dass dadurch das Risiko von Infektionen nach der Operation deutlich sinkt.

Darüber hinaus fördert bioaktives Glas die Neubildung von Knochensubstanz an der Bruchstelle. Denn in Kontakt mit Körperflüssigkeiten wandelt sich das Glas in Hydroxylapatit um, eine chemische Verbindung, die hauptsächlich aus Calciumphosphat besteht, einer knochennahen Substanz. „Mit bioaktivem Glas können die klinisch relevanten Probleme adressiert werden – Hemmung des bakteriellen Wachstums und wirksame Unterstützung der Knochenheilung. Nach sechs oder sieben Jahren ist auch das Scaffold vollständig abgebaut bzw. in Knochensubstanz umgewandelt“, sagt der Unfallchirurg PD Dr. Tobias Großner, Oberarzt und Leiter der Experimentellen Unfallchirurgie am Universitätsklinikum Heidelberg.

Materialkombi erlaubt leichte Fertigung von Scaffolds

Das bioaktive Glas wird bereits für die Behandlung von Knochendefekten eingesetzt. Neu ist jedoch die Kombination mit Polycaprolacton im Industriemaßstab. Den Fraunhofer-Forschenden ist es gelungen, Glas und PCL zu einem Kompositmaterial zu verbinden, welches direkt in der additiven Fertigung einsetzbar ist. So sind insbesondere patientenindividuelle 3D-Scaffolds realisierbar. Die Herstellung des Kompositmaterials ist laut den Entwicklern einfach und schnell industriell anwendbar. „Das Polymer PCL wird mit dem Glasgranulat und einem Lösungsmittel gemischt und anschließend über mehrere Stufen prozessiert. Abschließend wird das Lösungsmittel durch Trocknung entzogen und das zurückbleibende Komposit fein granuliert“, erklärt Geschäftsfeldleiter Borcherding.

Vom CT-Bild zum Knochenersatz

Aus dem Komposit-Material druckt der Projektpartner Bella Seno das Scaffold im 3D-Drucker. „Wir nutzen ein additives 3D-Druckverfahren. Damit können wir das Scaffold individuell und passgenau für die Fehlstelle im Knochen einer Patientin oder eines Patienten fertigen“, sagt Bella-Seno-Geschäftsführer und Projektkoordinator Dr. Mohit Chhaya. Im Vorfeld wird ein CT des beschädigten Knochens erstellt. Daraus entsteht ein dreidimensionales virtuelles Abbild des Knochens. Mit diesen Daten lässt sich der 3D-Drucker so ansteuern, dass das Scaffold exakt zum Knochen passt. „Jede Patientin und jeder Patient erhalten ihr persönliches, sozusagen maßgedrucktes Scaffold. Das zeitraubende mechanische Bearbeiten und Anpassen im Operationssaal entfällt“, sagt der heidelberger Unfallchirurg Großner.

Neues Konzept für unkomplizierte Heilung

Gegenüber herkömmlichen Verfahren soll das neue Kompositmaterial einen bedeutenden Fortschritt bei der Behandlung ermöglichen. Bisher wurde die Bruchstelle in einer ersten Operation mit einem Knochenzement versehen. Der menschliche Organismus nimmt den Zement als Fremdkörper wahr und umhüllt ihn durch eine neue Knochenhaut (Masquelet-Membran). Dieser Prozess dauert bis zu zwei Monate. Anschließend muss der Patient wieder in den Operationssaal. Dort schneidet der Chirurg die Knochenhaut auf, entfernt den Zement, füllt die an anderer Stelle entnommene autologe Knochensubstanz ein und vernäht die Knochenhaut wieder. Bisher gab es nur eingeschränkte Möglichkeiten, die weiche Knochensubstanz sicher zu verankern und so eine ungestörte Heilung zu erreichen. Das Scaffold gibt in Verbindung mit einer Platte oder Nagel der weichen Knochensubstanz den nötigen Halt, bis der Knochen geheilt ist.

Das Forschenden-Team des Scabaego-Projekts erprobt nun das Konzept gemeinsam mit dem Universitätsklinikum Heidelberg mit präklinischen Tests in vitro und in vivo. Parallel dazu soll die Rezeptur des Komposits optimiert werden. Der mögliche Anteil von bioaktivem Glas im Scaffold liegt bereits zwischen 10 und 30 Prozent. „Wir experimentieren mit dem Mischungsverhältnis, um möglichst viel der biologisch positiven Eigenschaften von Glas nutzen zu können, gleichzeitig aber die nötige Festigkeit des Scaffolds zu bewahren“, sagt Borcherding.

Das Fraunhofer IFAM ist auf der Düsseldorfer Medizintechnikmesse Compamed vom 13. bis 16. November 2023 auf dem Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft (Halle 8a, Stand G10) vertreten und zeigt dort einen ersten in 3D-Druck erstellten Demonstrator.

Übrigens: Auf der parallel stattfindenden Medica können Besucher bei der LABORPRAXIS-Partnerredaktion „Devicemed“ vorbeischauen: Halle 8b, Stand G38

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