Knorpelgewebeersatz: Fest und elastisch zugleich

19. Mai 2015
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Hydrogele wurden mittels dreidimensionaler gedruckter Mikrofasern so verstärkt, dass ihre Festigkeit um das 50-fache höher ist als bei natürlichen Gelenkknorpeln. Dabei bleiben sie dennoch elastisch. Hat diese Kombination das Potential, als Knorpelgewebeersatz zu dienen?

Bei der Weiterentwicklung dreidimensionaler Gitternetze, die als Grundgerüst für körpereigene Zellen dienen und nach und nach neues Gewebe bilden, ist Prof. Dr. Paul Dalton von der Universität Würzburg gemeinsam mit Wissenschaftlern der Queensland University of Technology sowie der Universitäten in Utrecht und Oxford eine mögliche Verbesserung gelungen.

Steif wie Gelenkknorpel, dennoch elastisch

„Wir konnten Hydrogele mit von uns entwickelten Geweben so verstärken, dass das Produkt annähernd so steif war wie natürlich vorkommender Gelenkknorpel und dennoch seine Elastizität behalten hat“, fasst Dalton das zentrale Ergebnis dieser Arbeit zusammen. Dies stelle einen echten Durchbruch dar, da Hydrogele bisher zwar in ihrer Interaktion mit Zellen sehr gut konstruierbar wären, die mechanischen Eigenschaften allerdings im Allgemeinen sehr schlecht sind.

Dabei ist es äußerst wichtig, die natürliche Umgebung so perfekt wie möglich zu imitieren, da Zellen im natürlichen Gewebe auf verschiedene Arten von mechanischer Beanspruchung reagieren – beispielsweise auf Druck, Zugspannung und auf Scherkräfte – und erst dadurch zu der gewünschten Aktivität angeregt werden. Je ähnlicher die künstliche Matrix auch hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften der natürlichen ist, desto größer ist also die Wahrscheinlichkeit, dass die Zellen sich dort wie gewünscht verhalten, sprich: eine gewebespezifische Matrix ausbilden und so das beschädigte Gewebe reparieren und regenerieren. „Und die Kompressionsfestigkeit ist vor allem für Gelenkknorpelgewebe, welches der natürliche Dämpfer zwischen den Knochen ist, von enormer Bedeutung“, so Dalton.

Eine gute Grundlage für die Produktion von Gewebeersatz?

Die jetzt vorgestellte Entwicklung des internationalen Forscherteams könnte daher eine Lücke schließen. Ihr Material sei deutlich fester als bisher übliche Gewebe – der entsprechende Wert liegt um das 50-fache höher. Dennoch bleibt die Elastizität erhalten. „Unser Ansatz, Hydrogele mit dreidimensionalen gedruckten Mikrofasern zu verstärken, bietet also eine gute Grundlage für die Produktion von Gewebeersatz mit den benötigten Eigenschaften“, ist Dalton überzeugt.

Dass die Kombination aus Hydrogel und den von Paul Dalton entwickelten dreidimensionalen Netzwerken aus ultrafeinen Fasern annähernd die Bedingungen im extrazellulären Raum im Knorpelgewebe widerspiegeln, bestätigten weitergehende Versuche. Dafür brachten die Wissenschaftler Chondrozyten in einem Bioreaktor mit dem Gewebe in Kontakt und beobachteten das Verhalten der Zellen. Das ließ keine Wünsche offen: Die Zellen arbeiteten so, wie es von ihnen erwartet wurde, wie sich sowohl anhand der Genexpression als auch der Matrix-Bildung feststellen ließ. „Diese Kombination aus einem Hydrogel und einem Netz aus Mikrofasern stellt somit eine sowohl aus mechanischer als auch aus biologischer Sicht geeignete Umgebung für den Ersatz von Knorpelgeweben dar“, so Dalton.

Originalpublikation:

Reinforcement of hydrogels using three-dimensionally printed microfibres
Paul D. Dalton et al.; Nature Communications, doi: 10.1038/ncomms7933; 2015

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1 Kommentar:

Dr. med. Gerhard Selle
Dr. med. Gerhard Selle

Der Versuch, “künstlich” Knorpel zu erzeugen, in allen Ehren. Aber solange es nicht gelingt, Oberflächen zu schaffen, die eine “spiegelglatte” Oberfläche wie hyaliner Knorpel aufweisen, werden alle Egebnisse frustran bleiben: Die vermulich rauhen Oberflächen werden sich wie beim Faserknorpel naturbedingt abschleifen, ggf. bis zum Knochen. Somit bleiben vorerst wohl nur Keramik oder Stahl als Oberflächenersatz; für fokalen Einsatz gilt das Obige dito.

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