Künstliche Knochen besser verstehen

Neue Prüfkammer ermöglicht Simulation der Vorgänge im Körper

24.09.2019

Teams aus den Fachbereichen Maschinenbau und Biologie der TU Darmstadt beobachten das Wachstum von Zellen auf Knochenimplantaten. Für diesen Zweck haben sie eine spezielle Prüfkammer entwickelt, die manchen Tierversuch überflüssig machen soll.

Hüft- und Kniegelenke aus Titan, Wirbelkörper aus Kunststoff und andere Knochenimplantate haben schon viele Patienten von Schmerzen befreit. Manche Träger solcher Endoprothesen aber leiden unter Komplikationen, etwa wenn der künstliche Knochen nicht richtig einwächst. „Was nach der Implantation genau im Körper passiert, ist noch unklar“, sagt die Materialwissenschaftlerin Anne Martin vom Institut für Werkstoffkunde am Fachbereich Maschinenbau der TU Darmstadt. Zusammen mit ihrem ehemaligen Kollegen Markus König und Forschenden aus dem Fachbereich Biologie um Bianca Bertulat hat sie ein Modellsystem entwickelt, das die ersten Tage nach dem Einsetzen eines Knochenimplantats simulieren soll.

Der Zeitraum kurz nach der Operation gilt als besonders wichtig für die Heilung, denn in dieser Zeit besiedeln körpereigene Zellen das Ersatzteil und sorgen bestenfalls für dessen Integration in den Körper. „Die Oberfläche der Implantate spielt dabei eine Schlüsselrolle“, betont Martin. Wie attraktiv eine Oberfläche für Zellen ist, testet die Forscherin unter anderem mit einer Lösung, deren Zusammensetzung unserer Körperflüssigkeit ähnelt: „Eine gute Benetzung bedeutet, dass sich Oberfläche und Flüssigkeit verstehen.“ Die Benetzbarkeit hängt unter anderem von der Struktur der Oberfläche ab und ist eine der Grundvoraussetzungen für die Anlagerung von Zellen. Vereinfacht ausgedrückt: Nur bei einer bestimmten Rauheit fühlen sich die Zellen wohl und entwickeln sich in die gewünschte Richtung. Titanimplantate werden daher standardmäßig sandgestrahlt.

Titan ist zwar das gängigste, aber dennoch kein perfektes Material für Knochenimplantate, zumal das Metall deutlich steifer ist als unsere Knochen. „Wenn das Implantat die ganze Arbeit übernimmt, wird das körpereigene Knochengewebe in der Nähe nicht mehr belastet und baut sich ab“, sagt Martin. Das ist womöglich eine Ursache für die Lockerung von Endoprothesen. Eine mittlerweile gängige Alternative zu Titan sind Kunststoffe wie PEEK (Polyetheretherketon), die ähnliche mechanische Eigenschaften besitzen wie echte Knochen. Auch mit Titan beschichtete PEEK-Implantate gibt es bereits.

Welches Implantat ist für einen Patienten das beste?

Eine eindeutige Antwort auf die Frage, welches Implantat für einen Patienten das beste Implantat ist, gibt es noch nicht. Das war der Ansporn für die Darmstädter Werkstoffkundler und Biologen, die verschiedenen Materialien für den Knochenersatz genauer unter die Lupe zu nehmen. Im Fokus ihres gemeinsamen Projekts stehen die Wechselwirkungen zwischen lebenden Zellen und den Oberflächen von Implantaten. Für diesen Zweck hat das interdisziplinäre Team eine handliche Prüfkammer namens SuBiTU (Surface Biology Testing Unit) entwickelt und bereits zum Patent angemeldet. In die Kammer passen kreisrunde Materialproben vom Durchmesser einer Zwei-Euro-Münze. Sie werden mit lebenden Zellen und einer Nährlösung versetzt. Der Clou an dem System: Im Deckel der Kammer befindet sich ein kleines Glasfenster, durch das man die Zellen mit einem Mikroskop beobachten kann.

„Mit SuBiTU möchten wir körperähnliche Vorgänge abbilden“, betont Dr. Tom Engler, Leiter des Kompetenzbereichs Oberflächentechnik am Institut für Werkstofftechnik. So kann an die Kammer ein Perfusionssystem angeschlossen werden, das die Zellen wie im Körper kontinuierlich mit einer Nährlösung versorgt. Auch der Einfluss des Blutzuckerspiegels und anderer Parameter ließe sich so untersuchen. Außerdem haben die Biologen eine Technik entwickelt, dank der die Zellen in der Kammer nicht nur flächig wachsen wie in der Petrischale, sondern dreidimensional wie im menschlichen Körper. Sie bringen dafür einen Kollagentropfen auf die Implantatproben auf. Er bildet ein Netzwerk, an dem sich die Zellen orientieren können. „So bieten wir den Zellen nicht nur eine Wiese, sondern ein Haus“, sagt Martin und fügt an: „Mit den realitätsnahen Tests möchten wir die Zahl an Tierversuchen verringern.“ Bisher gab es keine Möglichkeit, die Wechselwirkungen zwischen Zellen und Implantatoberflächen unter körpernahen Bedingungen über mehrere Tage live zu verfolgen. Alle erhältlichen Systeme für die Mikroskopie von lebenden Zellen sind schlichtweg zu klein für die Untersuchung von Implantatmaterialien.

Für ihre Experimente wählten die Forscher spezielle Bindegewebszellen aus, die sich unter geeigneten Bedingungen zu Knochenzellen entwickeln. Die Hoffnung lautet, dass die Bildung der Knochenzellen in der Prüfkammer stattfindet, initiiert durch das künstliche Knochenmaterial. Damit sich diese Entwicklung beobachten lässt, wurden in die Vorläuferzellen Marker eingeschleust. Unter dem Fluoreszenzmikroskop dienen sie als Erkennungszeichen für verschiedene Zelltypen.

Einige Experimente wurden in der neuen Prüfkammer schon durchgeführt. Die detaillierte Auswertung läuft aber noch. „Auf den ersten Blick sehen die Zellen gut aus“, meint Martin. Besonders interessiert sie, wie die Struktur der Probenoberfläche das Zellwachstum beeinflusst. Da sich PEEK im Gegensatz zu dem härteren Titan nicht sandstrahlen lässt, haben die Darmstädter Werkstofftechniker für die Herstellung von rauen PEEK-Proben ein Prägeverfahren entwickelt: Sie pressen einen Stempel aus sandgestrahltem Stahl in den erhitzten Kunststoff. Sollte sich herausstellen, dass Zellen auf den geprägten PEEK-Oberflächen deutlich besser wachsen als auf glatten, ließen sich raue PEEK-Implantate zukünftig zum Beispiel per 3D-Druck herstellen.

Auch andere Modifizierungen sind denkbar. „Man könnte die Oberflächen so gestalten, dass sie Substanzen abgeben, die das Anhaften der Zellen fördern oder entzündungshemmend wirken“, sagt Engler. Eine hauchdünne Beschichtung mit Silber etwa wirkt antibakteriell, bestimmte Proteine wiederum fördern das Zellwachstum. Medikamente könnten ebenfalls auf der Oberfläche verankert werden. Ideen gibt es reichlich – und mit der neuen Prüfkammer endlich auch ein Instrument, um deren Tauglichkeit unter körperähnlichen Bedingungen zu untersuchen.

Geförderte Interdisziplinarität

Das Forum interdisziplinäre Forschung (FiF) der TU Darmstadt unterstützt seit über zehn Jahren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die über Fachgrenzen hinweg zusammenarbeiten. Die Entwicklung des SuBiTU-Konzepts erfolgte in Kooperation der Fachbereiche Maschinenbau und Biologie am Institut für Werkstoffkunde (Leitung Prof. Matthias Oechsner) und in der Arbeitsgruppe Zellbiologie und Epigenetik von Prof. Cristina Cardoso und wurde vom SuBiTU-Projekt-Team Dr. Markus König, Anne Martin, Christopher Keim, Emilia DeCaro und Dr. Bianca Bertulat durchgeführt.