3D-druckbares Gelatine-Methacrylat/Nanohydroxyapatit-basiertes Nanokomposit-Hydrogel, welches die chemische Natur von Knochen nachbildet

Einleitung / Abstract

Knochendefekte von kritischer Größe heilen im Laufe des Lebens des Patienten nicht spontan und stellen eine erhebliche individuelle, gesellschaftliche und wirtschaftliche Belastung dar. Die derzeitigen Behandlungsmöglichkeiten werden durch damit verbundene Komplikationen, schlechte funktionelle oder ästhetische Ergebnisse, eine begrenzte Verfügbarkeit von Gewebe für Knochentransplantate und hohe finanzielle Kosten behindert. Weltweit werden bei mehr als 4 Millionen Operationen pro Jahr Knochentransplantate oder Ersatzmaterialien benötigt. Folglich besteht ein erheblicher klinischer und wirtschaftlicher Bedarf an neuartigen Behandlungen für Knochendefekte von kritischer Größe. Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges 3D-druckbares Nanokomposit-Hydrogel (NKH), welches die chemische Komposition von Knochengewebe nachahmen kann und die Herstellung eines 3D-Konstrukts mit hervorragender Formtreue, hoher Porenvernetzung und guten mechanischen Eigenschaften mittels 3D-Drucktechnik ermöglicht.

Hintergrund

Auf dem Gebiet des Tissue Engineering gilt die Entwicklung zuverlässiger hierarchischer 3D-Gerüste/Modelle, die neben ihren chemischen, mechanischen und biologischen Eigenschaften auch die genaue 3D-Architektur des Knochengewebes nachahmen können, als große Herausforderung. Konventionelle Methoden zur Herstellung dieser 3D-Gerüste sind beispielsweise Gefriertrocknung, Partikelauswaschung durch Lösungsmittelgießen und thermisch induzierte Phasentrennung. Aber auch der 3D-Druck hat sich in den letzten 10 Jahren als vielversprechende Technik herauskristallisiert. Mit dieser Technik können nicht nur verschiedene Arten von Materialien und Zellen für den 3D-Druck eines Gerüsts verwendet werden, sondern es kann auch die räumliche Verteilung innerhalb eines gedruckten Gerüsts gesteuert werden.
Um dieses Ziel zu erreichen, wurde eine große Vielfalt an natürlichen und synthetischen Polymeren, biokompatiblen Hydrogelen, Nanokeramiken, Verbundwerkstoffen und Nanokomposit-Hydrogelen für den 3D-Druck von Knochengerüsten verwendet. Keines der Materialien konnte jedoch die genaue chemische Zusammensetzung eines Knochengewebes nachahmen und/oder wies technische Einschränkungen auf, die es für den 3D-Druck von knochenähnlichen Gerüsten ungeeignet machten.

Lösung

Erfindungsgemäß wird ein neuartiges 3D-druckbares NKH auf der Basis von Gelatine-Methacrylat (GelMA)/nHA vorgeschlagen. Aufgrund seiner biomimetischen Zusammensetzung, ausgezeichneten Zytokompatibilität, osteoinduktiven Kapazität, idealen mechanischen Eigenschaften und seiner 3D-Druckbarkeit in jeder gewünschten Form hat das entwickelte Material das Potenzial, aktuelle Behandlungen und alternative Lösungen auf dem Markt zu übertreffen. Dies ermöglicht die Herstellung von Im-plantaten, die für die klinischen und individuellen Bedürfnisse der Patienten optimiert sind. Dazu gehört z. B. die Möglichkeit, das Material in faltbare und entfaltbare 3D-Designs zu drucken, die ein minimalinvasives Einsetzen des Materials in Defektstellen ermöglichen, wo es sich wieder ausdehnen kann. Die Verwendung etablierter Komponenten und ein "Nur-Material"-Ansatz ermöglichen einen schnelleren Weg zur klinischen Anwendung und behördlichen Zulassung im Vergleich zu Ansätzen, die biologische Stoffe wie Zellen oder bisher unbekannte Komponenten enthalten.

Vorteile

Anwendungsbereiche

Tissue Engineering, Knochenregeneration/-ersatz