3D-Druck: Kompositmaterial für die Knochenheilung

Nach einem Knochenbruch kommt es bei einigen Patientinnen und Patienten zu Heilungsstörungen, die nicht selten eine (weitere) operative Versorgung benötigen. Um in diesen Fällen eine wirksame Versorgung zu ermöglichen, forscht das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM im Verbundprojekt SCABAEGO (Scaffold Bioactive Glass-Enhanced Osteogenesis), gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF, an einem neuen Kompositmaterial zur Verwendung im Operationssaal. Erreicht werden soll eine Hemmung des Bakterienwachstums am Defekt sowie ein effizienter Aufbau von neuem Knochenmaterial. Am Projekt beteiligt sind neben dem Fraunhofer IFAM die Klinik für Unfall- und Wiederherstellungschirurgie am Universitätsklinikum Heidelberg sowie die BellaSeno GmbH, ein Medizintechnikspezialist aus Leipzig. COMPAMED.de sprach mit Dr. Kai Borcherding, Geschäftsfeldleiter Medizintechnik und Life Sciences am Fraunhofer IFAM.

Dr. Borcherding, Sie entwickeln im Verbundprojekt SCABAEGO ein neues Material für ein Stützgerüst zur Knochenheilung, wie es zum Beispiel nach Knochenbrüchen gebraucht wird. Woraus genau besteht das Komposit?

Dr. Kai Borcherding: Wir bringen zwei Materialien zusammen: Ein biologisch abbaubares Polymer namens Polycaprolacton, abgekürzt PCL, und bioaktives Glas. Das PCL wird mit dem Glas und einem Lösungsmittel gemischt und dann über mehrere Stufen prozessiert. Zum Ende des Prozesses wird das Lösungsmittel durch Trocknung entzogen und das zurückbleibende Komposit fein granuliert. Zusammen ergibt sich daraus ein bioaktives Komposit, aus dem mithilfe der additiven Fertigung ein Scaffold hergestellt wird. Dieses kann für Patientinnen und Patienten individuell angefertigt werden, indem die Druckvorlage aus einer CT-Aufnahme des Defektes hergestellt wird. Jedes Scaffold ist somit einzigartig.

Eine Herausforderung unseres Projekts ist es allerdings, einen Aufbereitungsweg zu finden, der für einen hohen Durchsatz im Industriemaßstab geeignet ist. Wir wollen eine Kompositmischung, die sowohl die positiven Eigenschaften von Glas berücksichtigt als auch die nötige Festigkeit des Scaffolds ermöglicht. Bislang haben wir mit einem 10- bis 30-prozentigem Anteil des bioaktiven Glases im Scaffold experimentiert.

Sie sind also noch auf der Suche nach dem optimalen Mischungsverhältnis?

Borcherding: Ja, richtig. Von der technischen Seite her haben wir zunächst verschiedene Konzentrationen hergestellt. Bioaktives Glas ist recht hart, deshalb muss es in dem Kunststoff optimal verteilt werden, damit das Komposit für den späteren Druck geeignet ist. Allerdings: Je mehr Füllstoff im Komposit ist, desto schwieriger ist es zu drucken. Diese Hürde haben wir jedoch meistern können. Schritt zwei wird nun sein, dass wir die positiven Eigenschaften des bioaktiven Glases für das Scaffold nachweisen.

Was erhoffen Sie sich von dem Material?

Borcherding: Wir erhoffen uns, dass das Material und die Anwendung die Knochenheilung fördert und das Wachstum von Bakterien inhibiert. Denn das bioaktive Glas im Scaffold hebt den pH-Wert des umgebenden Milieus in den basischen Bereich. Dieses Milieu kann das bakterielle Wachstum hemmen. Wir wollen erreichen, dass das Infektionsrisiko nach Knochenoperationen insgesamt sinkt. Außerdem soll die Therapieart die Knochenheilung positiv beeinflussen, welches wir innerhalb des Projektes untersuchen werden.

Muss das Knochengerüst später wieder entfernt werden oder verbleibt es im Körper?

Borcherding: Es verbleibt im Körper und es wird sogar noch etwas dazugegeben. Das Gerüst wird während der Operation mit eigenem Knochenmaterial befüllt. Dies wird zum Beispiel aus dem Oberschenkelknochen oder Beckenkamm gewonnen. Alternativ ist auch Knochenersatzmaterial möglich. So soll der Knochen anschließend stabil verheilen.

Wäre es denkbar und gewollt das individuelle Scaffold direkt in der Klinik auszudrucken oder würde man es weiterhin außerhalb drucken lassen?

Borcherding: Der Wunsch direkt vor Ort in der Klinik drucken zu können, besteht bei vielen Ärztinnen und Ärzten schon lange. Ich denke allerdings, bis dies umgesetzt werden kann, ist es noch ein langer Weg aufgrund regulatorischer Hürden.

An welchem Punkt der Studie stehen Sie derzeit? Ist das Gerüst bereits in vivo getestet worden?

Borcherding: Wir sind derzeit im ersten Projektjahr. Das heißt, wir haben noch zwei Jahre Zeit, das Komposit und den Druck zu verfeinern. Im ersten Jahr haben wir geschaut, welche Anforderungen wir an das Material bzw. an das Scaffold haben und welche technische Verarbeitung denkbar ist. Wir haben überlegt, wie das Material geschaffen sein soll und welche Konzentrationen wir brauchen. All dies haben wir mittlerweile evaluiert, sodass wir einen Demonstrator bauen konnten, den wir auch auf der COMPAMED 2023 vorgestellt haben.

Wir haben jedoch noch nicht entschieden, ob wir die derzeitige Kompositmischung final beibehalten. Das wird sich nach den derzeit durchgeführten In-vitro-Tests entscheiden. Damit wird geprüft, ob die Zellen wie gewünscht auf das Scaffold reagieren. Wenn diese Tests wie erhofft positiv verlaufen, werden im Anschluss In-vivo-Tests durchgeführt

Sie waren wie bereits erwähnt auf der COMPAMED 2023 vor Ort und haben das Knochengerüst vorgestellt. Wie waren die Rückmeldungen der Besucherinnen und Besucher zum Demonstrator?

Borcherding: Sehr positiv. Es waren viele Personen aus der Klinikbranche, die sich für die Idee und den Scaffold interessiert haben. Es wurden auch viele Fragen gestellt und andere Ideen diskutiert. Das war ein sehr, sehr guter Austausch.