Knochenersatz aus dem 3D-Drucker

Innovatives Material ahmt Knochenstruktur nach

2021/10/08 von

Ein Team um TU-Professor Dr.-Ing. Andreas Blaeser entwickelt zusammen mit den Universitätskliniken in Mainz und Frankfurt 3D-gedruckte Gerüste für die Behandlung von großen Knochenschäden. Der Initiativfonds Forschung der Rhein-Main-Universitäten fördert das Vorhaben seit Mitte vergangenen Jahres.

Professor Dr.-Ing. Andreas Blaeser

Unser Skelett gibt uns Halt, schützt die inneren Organe und beteiligt sich an allen Bewegungen. Damit es diese Funktionen erfüllen kann, sind unsere Knochen stabil, dennoch leicht und relativ elastisch. Sie sind bei Weitem keine tote Materie, sondern enthalten lebende Zellen, die den Knochen ständig erneuern. Kleinere Brüche oder Risse heilen daher meist gut.

Bei großen Knochenschäden aber, etwa nach der Entfernung eines Tumors oder einer komplizierten Fraktur, kann die körpereigene Regeneration die Lücke nicht füllen. Üblicherweise wird den Betroffenen dann Material aus dem Beckenkamm oder einem anderen Knochen entnommen und im Defekt eingesetzt – eine schmerzhafte Strapaze, die mit Komplikationen einhergehen kann. Künstlicher Knochenersatz wäre eine Alternative, doch die optimale Substanz dafür gibt es noch nicht.

Knochen aus dem 3D-Drucker

Die Doktorandin Eva Schätzlein bei der Laborarbeit.

Ein Team um TU-Professor Dr-Ing. Andreas Blaeser, Leiter des Fachgebiets BioMedizinische Drucktechnologie im Fachbereich Maschinenbau, entwickelt jetzt ein Verbundmaterial aus dem Kunststoff Polymilchsäure (kurz PLA, von engl. polylactic acid) und einem Bioglas, das aus ähnlichen Mineralen besteht wie echter Knochen. Beide Substanzen werden nach und nach im Körper abgebaut oder resorbiert, sodass keine zweite Operation zur Entfernung des Ersatzmaterials nötig ist. Eva Schätzlein, Doktorandin in Blaesers Gruppe, hat bereits mehrere Mischungen aus PLA und Bioglas getestet. Ihr Ziel ist ein Verbundwerkstoff, der sich mit dem 3D-Drucker verarbeiten lässt. „Mit dieser Technik können wir die stabile Wand und das filigrane Innere eines Knochens optimal nachempfinden„, erklärt Blaeser. Es sei wichtig, die verschiedenen Anforderungen an die Struktur zu berücksichtigen, ergänzt Schätzlein: „Das Ersatzmaterial muss wie echter Knochen stützend wirken und zugleich Poren für Blutgefäße aufweisen.“ Außerdem sollte die Oberfläche so beschaffen sein, dass sich körpereigene Zellen anlagern. Dafür sorge vor allem das Bioglas, so Schätzlein: „Es regt die Anlagerung sowie das Wachstum von Knochenzellen an und fördert so die Knochenneubildung."

Starke Zusammenarbeit

Vergrößertes Modell eines Knochensegments, gedruckt aus einem biodegradierbaren Polymer.

In einer Kooperation mit dem Zentrum für Orthopädie und Unfallchirurgie der Gutenberg-Universität Mainz und der Klinik für Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie der Goethe-Universität Frankfurt wurde ein gedruckter Knochenersatz aus PLA bereits erfolgreich im Tierversuch eingesetzt.

Auch die Gerüste aus der PLA-Bioglas-Mischung wollen Blaeser und Schätzlein jetzt in Zusammenarbeit mit den Kollegen aus Mainz und Frankfurt testen. Der Initiativfonds Forschung der drei Rhein-Main-Universitäten (RMU) unterstützt das Vorhaben seit Mitte 2020. Im Rahmen des RMU-Verbundprojekts entstand zudem ein Baukastensystem aus 3D-gedruckten Knochenersatzsegmenten. „Der Chirurg oder die Chirgurgin kann die vorgefertigten Gerüste zusammenstecken, um beispielsweise einen Unfallpatienten schnell zu operieren„, erläutert Blaeser.

Die Vision

Der besondere Reiz des 3D-Drucks liegt in der Möglichkeit, individuellen Knochenersatz herzustellen. Die Druckdatei für eine anatomisch perfekt passende Gerüststruktur ließe sich aus der computertomografischen Aufnahme des defekten Knochens berechnen. „Das ist unsere große Vision“, sagt Blaeser, „und wir sind dabei sie umzusetzen."

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