Biomimetischer Kleber für Gewebe und Knochen aus dem 3D-Drucker

Das Vorbild für den Gewebekleber fanden die Forschenden in der Natur: Miesmuscheln, die an Außenseiten von Schiffen haften, lassen sich nur schwer entfernen. Die besondere Haftwirkung ist auf ein Protein zurückzuführen, das die Aminosäure Dihydroxyphenylalanin – auch DOPA genannt – enthält.

"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", berichtet Dr. Wolfdietrich Meyer, Wissenschaftler am Fraunhofer Institut für angewandte Polymerforschung. Verschiedene Additive wie Apatit-Partikel, Proteine und Signalmoleküle können zudem das Wachstum von Knochenzellen fördern und erlauben eine Verwendung als Beschichtungsmaterial etwa für Titanimplantate.

Mit dem neu entwickelten Druckverfahren ist es möglich, Hüftimplantate aus Titan zu bedrucken. "Die synthetische Nachahmung der biochemischen Eigenschaften der Miesmuschelproteine, insbesondere der Aminosäure DOPA, ermöglicht eine sofortige und langanhaltende Bindung zwischen Implantat und Knochen", so Meyer.

Damit lässt sich ein Problem lösen, das viele Patientinnen und Patienten mit Hüftimplantaten betrifft. Bislang verlieren Hüftimplantate nach einiger Zeit ihren Halt im Knochen, weil dieser sich zurückbildet. Mit dem neuen Gewebekleber soll ein frühzeitiger Austausch künftig vermieden werden. "Der Klebstoff ist biokompatibel und fördert das Einwachsen des Implantats in den Knochen, was die Notwendigkeit für nachträgliche Anpassungen oder Revisionsoperationen minimiert", schildert Meyer Vorteile des biomimetischen Klebers.

Erweitern kann man die Funktionalität des Klebers durch chemische Synthese. Eine Modifikation ermöglicht zum Beispiel, dass er auf Licht reagiert. "Wird er mit UV-Licht bestrahlt, so härtet er aus. Dabei verstärkt sich seine haftende Wirkung", berichtet Meyer. Im 3D-Druck lassen sich photoreaktive Materialien unter UV-Strahlung verarbeiten. So können komplexe Strukturen für maßgeschneiderte medizinische Implantate aufgebaut werden.

Durch die Einführung von Dopamin-ähnlichen Monomeren in ein Polymergerüst entsteht ein vielseitig einsetzbarer Klebstoff. Weitere biomedizinische Anwendungen sind unter anderem die Förderung der Knochenanbindung durch eine spezifische Mikrotopographie auf der Titanoberfläche und durch den Einsatz von DOPA-Acrylat. Und mit Hydroxyapatit-Nanopartikeln in der Tinte verbessert sich die Integration des Implantats im Körper. Mit Hydrogelen können Hydratationsgrad und Wasserverteilung gesteuert werden, was für biomedizinische Anwendungen wie die Förderung der Zelladhäsion und -proliferation entscheidend ist.

"Wir haben quasi das Druckmaterial für den 3D-Druck entwickelt", so Meyer. Denn dem Forscherteam an den Fraunhofer-Instituten IAP und IGB ist es gelungen, den Kleber durch Vernetzung der Polymere druckbar zu machen. Am Fraunhofer Center for Manufacturing Innovation CMI in Boston, USA, wurde das Material mithilfe eines Bioprinters auf einen dreidimensionalen Titaniumschaft eines Hüftgelenks aufgebracht. Da der Klebstoff sogar auf gekrümmte oder unebene Flächen gedruckt werden kann, ist eine präzise und maßgeschneiderte Anwendung möglich.