Einem Forscherteam der Carnegie Mellon University und der University of Connecticut gelungen, neuartige Calciumphosphatgraphen (CaPG)-Gerüste mit 3D-Druck herzustellen, die künftig bei der Regeneration von Knochen zur Anwendung kommen könnten. Die Forscher stellen es als eine Alternative zu herkömmlichen autogenen Knochentransplantaten dar, die Knochendefekte und -Verletzungen lediglich stabilisieren.
Ihre Lösung bringt eine biogedruckte 3D-Alternative, die Geweberegeneration an der defekten Stelle unterstützt und Eigenschaften wie Osteoinduktivität, biologische Sicherheit, lange Haltbarkeit und angemessene Produktionskosten besitzt. Ihre Arbeit mit dem Titel „Ultra-low binder content 3D printed calcium phosphate graphene scaffolds as resorbable, osteoinductive matrices that support bone formation in vivo“ veröffentlichten sie im Fachjournal Nature.
Biogedruckte 3D-Alternative zur Geweberegenration
Das Forscherteam kombiniert die Eigenschaften von Graphen im medizinischen Bereich für Anwendungen zur Regeneration von Knochengewebe. Biomaterial-Knochenmatrizen helfen bei der Geweberegeneration an der Defektstelle und bauen sich im Laufe der Zeit ab, während an der Stelle neue Knochen entstehen. Graphen-haltige Materialien sind in der Lage, die Adhäsion und das Zellwachstum zu fördern. Bei Graphenoxid fehlen jedoch chemische Hinweise, um die Regeneration nativer Knochen an der Verletzungsstelle einzuleiten. Graphenoxidflocken haben sehr gute mechanische Eigenschaften, Massenkonstrukten aus Graphenoxid fehlt jedoch die Wasserstabilität, um die Knochenregeneration mechanisch zu unterstützen.
Das Forscherteam hat eine intrinsisch osteoinduktive Familie funktioneller graphenhaltiger Materialien namens Phosphatgraphene geschaffen, die Potenzial für die Knochenregeneration aufwiesen. Sie haben knochennachahmendes CaPG-Material in 3D gedruckt und Kalzium hinzugefügt. Dieses soll die Differenzierung von Stammzellen zu Knochenzellen erleichtern. Mit dem Direct Ink Writing (DIW) konnten sie poröse Konstrukte des CaPG-Materials mit einem hohen Gewichtsanteil drucken, um einen „bemerkenswert hohen“ Graphengehalt in der Tinte von rund 90 Prozent zu ermöglichen. Es gelang ihnen, problemlos Matrizen mit spezifischen Geometrien für Zell- und Tierstudien auszuschneiden. Die Matrizen konnten außerdem direkt gedruckt werden, um einen Knochendefekt abzugleichen. Es zeigte sich, dass die Kombination aus 3D-Druck und dem CaPG-Material des Teams ein anpassbares Matrizensystem für die Knochenregenerationstechnik bietet. Weitere Entwicklungsstudien sollen folgen, um die langfristige Sicherheit der 3D-gedruckten CaPG-Matrizen in vivo zu bestätigen.
