Knorpel-Knochendefekte – Licht kann bei der Therapie helfen

Da das Potential zur Selbstheilung durch körpereigene Reparaturprozesse sehr eingeschränkt ist, werden Therapieansätze angewandt, die eine Neubildung geschädigter Gewebeanteile durch Einspritzen von Zellen bzw. durch Einsetzen geeigneter Implantate unterstützen. Überraschenderweise kann Licht dabei helfen, implantierbare, dreidimensionale Gerüststrukturen mit entsprechenden Eigenschaften herzustellen.

Die Grundlage für diese Technik ist die Wechselwirkung hochenergetischer Laserstrahlung (Zweiphotonenanregung) mit Molekülen, durch die eine Polymerisierung induziert werden kann. Das Verfahren ähnelt einem Rapid-Prototyping-Prozess: mit Hilfe eines Mikroskopobjektives wird die Laserstrahlung fokussiert.

Im Fokuspunkt findet die Polymerisierung und damit eine Verfestigung der Substanz innerhalb einer Lösung statt. Wird der Fokuspunkt entsprechend eines 3D-Modells durch die Lösung bewegt, entstehen dreidimensionale Strukturen, deren geometrische Eigenschaften nach Bedarf eingestellt werden können. Im Rahmen des Verbundprojektes BioNanoPlant wurden in Zusammenarbeit mit dem Forschungspartner INNOVENT Technologieentwicklung e.V. (Jena) sowie den Industriepartnern co.don® AG (Teltow) und aap Biomaterials GmbH (Dieburg) implantierbare 3D-Strukturen entwickelt, die die erforderlichen Eigenschaften der Gewebematrix des Knorpels und des Knochens aufweisen.

Die Forschungsarbeiten beinhalteten die Entwicklung und Testung neuartiger Polymere mit Hydrogelcharakter für die 2PP, die Einstellung biomechanischer Eigenschaften der 3D-Konstrukte entsprechend der Gewebematrixeigenschaften sowie erstmalig den Nachweis der Neubildung der Knorpel-Knochengewebe anhand einer Großtierstudie. Die implantierten mikrostrukturierten 3D-Trägerstrukturen zeigten gewebetypische Eigenschaften, sowohl im Sinne der Oberflächeneigenschaften, wie auch der biomechanischen Parameter.

Die Tierstudie zeigte eindrucksvoll, dass insbesondere die 2PP-generierte 3D-Knorpelphase ein hohes Regenerationspotential für Knorpelgewebe aufweist.

Das Forschungsprojekt des Institutes für Bioprozess- und Analysenmesstechnik (iba) e.V. "Entwicklung und Funktionsnachweis von Strukturierungsverfahren auf der Basis der Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) zur Generierung von biphasischen Systemen für Knochen-Knorpelimplantate" (FKZ: 13N10035) war Teil des vom VDI geförderten Verbundprojektes BioNanoPlant (Biofunktionale und mittels 2-Photonen-Polymerisation [2PP] nanostrukturierte Implantate zur Stimulation der Osteo- und Chondrogenese bei der Behandlung von skelettalen Defekten, Förderzeitraum: 09/08–02/12). Der Forschungsbericht ist bei der Technischen Informationsbibliothek (TIB) Hannover erhältlich.

Weitere Informationen
Prof. Dr.-Ing. Klaus Liefeith,
Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik (iba) e.V., Heilbad Heiligenstadt,
Telefon: 03606 / 671 500,
E-Mail: klaus.liefeith@iba-heiligenstadt.de