Hydrogel statt Titan: ETH Forschende entwickeln weiches Knochenimplantat

Forschende der ETH Zürich beschreiben in «Advanced Materials» ein neuartiges Hydrogel, das sich mithilfe von Laserlicht in mikroskopisch feine, knochenähnliche Strukturen überführen lässt.

Das so bearbeitete und strukturierte Material soll künftig bei der Reparatur von Knochenbrüchen helfen, wie die ETH mitteilt.

Knochen wachsen meist von selbst wieder zusammen – es sei denn, der Schaden ist zu gross. Dann kommen Implantate zum Einsatz, was weitere Probleme mit sich zieht: Autografts müssen dem Patienten an einer zweiten Operationsstelle entnommen werden. Metallimplantate sind oft zu starr; sie können sich deswegen mit der Zeit lockern und ihre Stabilität verlieren.

Das ETH-Team um Xiao-Hua Qin und Ralph Müller verfolgt einen anderen Ansatz: ein weiches, resorbierbares Gerüst soll die zelluläre Besiedlung und Matrixbildung erleichtern.

Physiologisch beginnt die Knochenheilung mit einem Hämatom und einem fibrinreichen, weichen Gewebe, das die Migration von Immunzellen, Vorläuferzellen und Nährstoffen ermöglicht. Erst im weiteren Verlauf entsteht mineralisierter, harter Knochen.

Das neu entwickelte Hydrogel orientiert sich an dieser Phase. Es besteht zu 97 Prozent aus Wasser und zu 3 Prozent aus einem biokompatiblen Polymernetzwerk auf PVA-Basis. Ergänzt wird es durch ein neu entwickeltes Verbindungsmolekül (Macrothiol) sowie ein auf Licht reagierendes Molekül, das die Vernetzung auslöst.

Zur Verknüpfung der Polymerketten kommt es, sobald Laserpulse von bestimmter Wellenlänge auf das Hydrogel auftreffen. Die bestrahlten Bereiche verfestigen sich sofort, nicht bestrahlte Bereiche bleiben weich und können ausgewaschen werden. In ihrer Studie stellten die Forschende so ein feines Netz von Knochenbälkchen her. Als Vorlage dienten den Forschenden Bilder aus der medizinischen Bildgebung.

Bisher haben die Forschenden das Material erst im Reagenzglas getestet. Knochenbildende Zellen besiedelten das strukturierte Hydrogel rasch und produzierten Kollagen. Das Material zeigte sich in den Versuchen biokompatibel und wies keine zytotoxischen Effekte auf.

Das Basismaterial ist patentiert. In Zusammenarbeit mit dem AO Forschungsinstitut Davos sind tierexperimentelle Untersuchungen geplant. Dabei soll geprüft werden, ob das Hydrogel im Körper das Einwandern von knochenbildenden Zellen fördert und ob es mit der Zeit die Stärke des Knochens wiederherstellt.

Für die orthopädisch-unfallchirurgische Praxis bleibt das Konzept damit vorerst ein präklinischer Forschungsansatz. Ob sich daraus ein klinisch relevantes, resorbierbares Knochenimplantat entwickeln lässt, wird sich erst in weiteren translationalen Studien zeigen.