Ein an der EPFL entwickelter knochenähnlicher Verbundstoff nutzt natürliche Enzyme, um die Mineralisierung zu beschleunigen. Der Prozess ist energiesparend und bei Raumtemperatur durchführbar. Das feste und leichte Material ist vielversprechend für Anwendungen in der Knochenreparatur.
Inspiriert durch die elastischen und selbstheilenden mechanischen Eigenschaften von Knochen haben Wissenschaftler synthetische Materialien aus einem der Hauptbestandteile von Knochen entwickelt: einem Mineral namens Hydroxylapatit (HA). Die Herstellung von Materialien auf HA-Basis erfordert jedoch in der Regel energieintensive Hochtemperaturprozesse und schränkt die Verwendung von biologisch aktiven Komponenten wie Enzymen zur Förderung des Knochenwachstums ein.
Das Labor für flexible Materialien ( SMaL ) der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und -techniken der EPFL hat ein Verfahren zum 3D-Druck von Strukturen auf HA-Basis entwickelt, das bei Raumtemperatur durchgeführt werden kann. Es verwendet Enzyme für eine schnelle Mineralisierung. Die so entstandenen porösen, knochenähnlichen Strukturen können bereits nach sieben Tagen Belastungen standhalten. Die Ergebnisse wurden in Advanced Functional Materials veröffentlicht.
"Unsere Idee war es, eine 3D-druckbare und injizierbare ’Tinte’ zu schaffen, die zu Gerüsten mineralisiert werden kann, die ähnliche mechanische Eigenschaften aufweisen wie hochporöser trabekulärer Knochen, der in menschlichen Wirbeln und an den Enden langer Knochen wie dem Oberschenkelknochen zu finden ist", erklärt Esther Amstad, die Leiterin des Labors. Wir hoffen, dass die Kombination aus mechanischer Leistung, biologischer Aktivität und energiesparender Verarbeitung unserer Technologie neue Perspektiven für die Technik des Knochengewebes eröffnen wird."
Space Engineering für die Knochenumformung
Die "Tinte" wird hergestellt, indem das Enzym alkalische Phosphatase in Gelatine-Mikropartikel eingebaut und diese in einer Lösung mit Kalzium- und Phosphationen inkubiert werden. Das Enzym löst die Bildung von Hydroxylapatitkristallen aus, die die gedruckten Gerüste versteifen und verstärken. Nach nur vier Tagen Mineralisierung kann der Verbundwerkstoff das durchschnittliche Gewicht eines Erwachsenen auf einer so kleinen Fläche wie 1,5 cm x 1,5 cm tragen.
Die Wissenschaftler fügen auch enzymfreie Gelatine-Mikrofragmente hinzu, die schmelzen, wenn das Gerüst inkubiert wird, und Poren zurücklassen. Diese Poren können von gesunden Zellen besiedelt werden, um das Wachstum von neuem Knochen zu fördern, wenn sie z. B. in einen Knochenbruch implantiert werden. Durch die Anpassung der Dichte dieser Mikrofragmente kann das Team die Porosität des Trägermaterials kontrollieren. Durch die Einführung von Poren, die etwa 50% des Volumens der Unterlage ausmachen, schaffen die Wissenschaftler genügend Raum für die Zellen, um einzudringen und die Unterlage umzugestalten, wodurch sich neue Möglichkeiten für die natürliche Knochenregeneration eröffnen.
In Zukunft könnte unsere Arbeit die Grundlage für die Entwicklung von injizierbaren Strukturen schaffen, die die Knochenregeneration fördern
Esther Amstad, Leiterin des Labors für weiche Materialien
In einem Test, 14 Tage nachdem die Gerüste mit menschlichen Stammzellen geimpft und in ein das Knochenwachstum förderndes Medium gebracht worden waren, wiesen die Wissenschaftler Kollagen und das Knochenmatrixprotein Osteocalcin nach, beides Indikatoren für Zellwachstum. Diese Ergebnisse bestätigen das Potenzial dieses Ansatzes für das Tissue Engineering.
Laut Esther Amstad ermöglicht der enzymatische Ansatz von SMaL die Herstellung von HA-Gerüsten, die stärker sind als die mit Hochtemperaturmethoden hergestellten Gerüste und eine Druckfestigkeit aufweisen, die mit der des menschlichen trabekulären Knochens vergleichbar ist. Ihre Technik kann zum Drucken sehr komplexer Gerüste verwendet werden und kann auch mit handelsüblichen Bio-Druckern verwendet werden.
"In Zukunft könnte unsere Arbeit die Grundlage für die Entwicklung injizierbarer Gerüste schaffen, die die Knochenregeneration fördern und es den Patientinnen und Patienten ermöglichen, ihre gebrochenen Knochen viel früher als mit den heute verfügbaren Technologien zu belasten", erklärt die Professorin.
ReferenzenF. Bono, A. Puiggalí-Jou, G. Cocchi, et al. "3D-Printed Porous Hydroxyapatite Formed via Enzymatic Mineralization." Advanced Functional Materials (2026): e26568. https://doi.org/10.1002/adfm.202526568
Zylindrische Demonstrationen von 3D-gedruckten Gerüsten. 2026 EPFL SMaL CC BY SA
Zylindrische Demonstrationen der 3D-gedruckten Gerüste. 2026 EPFL SMaL CC BY SA
