Implantat Ein Knochenimplantat aus puddingweichem Hydrogel

Forscher der ETH haben ein neuartiges Hydrogel entwickelt, das sich wie Pudding anfühlt und sich im Körper auflöst, um maßgeschneiderte Knochenimplantate zu ermöglichen. Dieses Material imitiert die Prozesse der frühen Knochenheilung und kann mit hoher Geschwindigkeit und Präzision mittels Laser gedruckt werden. Zudem bietet es eine optimale Umgebung zur Besiedelung durch knochenbildende Zellen.

Brechen Knochen bei einem Unfall, wachsen sie meist von selbst zusammen – es sei denn, der Schaden am Knochen ist zu groß. Dann oder auch nach der Entfernung eines Knochentumors bauen Chirurgen ein Implantat ein, das das Zusammenwachsen des Knochens ermöglicht.

Als Implantate dienen oft körpereigene Knochenstücke, so genannte Autografts, Metall- oder Keramikteile. Die meisten heutigen Implantate haben jedoch einen Nachteil: 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.

Biologie bei der Knochenheilung berücksichtigen

Knochen ist ein sehr komplexes Organ mit unzähligen Tunnel und Hohlräumen. „Damit ein Knochen gut heilt, müssen wir unbedingt die Biologie in die Reparatur einbeziehen“, sagt Xiao-Hua Qin, Professor für Biomaterials Engineering der ETH Zürich. Für diese Reparatur braucht es verschiedene Zelltypen, die zuerst das Implantat besiedeln müssen und dann neue Knochensubstanz bilden.

Der ETH-Forscher hat deshalb einen neuen Ansatz gewählt: Als Material für ein künftiges Implantat entwickelte Qin zusammen mit seiner Gruppe und ETH-Professor Ralph Müller ein neuartiges Hydrogel, das weich wie Pudding ist und sich mit der Zeit im Körper auflöst. Dieses Material könnte zukünftig für maßgeschneiderte Knochenimplantate verwendet werden. Die entsprechende Studie ist in der Fachzeitschrift Advanced Materials erschienen.

Harter Knochen entsteht in Rekordzeit aus Puddingmaterial

„Zu Beginn der natürlichen Knochenheilung setzt der Körper immer ein weiches Material ein“, erklärt Qin. In den ersten Tagen nach einem Bruch bildet sich ein Hämatom, eine Schwellung. Es ist durchlässig und fördert die Einwanderung von Zellen, die für die Reparatur des Bruchs zuständig sind, von Immunzellen und Nährstoffen. Ein Netz aus Fibrin hält die Zellen zusammen. Im Laufe der Zeit entsteht daraus ein harter und steifer Knochen.

Das Hydrogel ist dieser natürlichen Knochenheilung nachempfunden. Es besteht zu 97 Prozent aus Wasser und zu drei Prozent aus einem biologisch verträglichen Polymer. Damit es sich verfestigen kann, fügten die Forscher zwei spezielle Moleküle zu: ein Verbindungsmolekül, das die Polymerketten miteinander verknüpft, und ein auf Licht reagierendes Molekül, das die Reaktion in Gang setzt.

Qins und Müllers ehemalige Doktorandin Wanwan Qiu hat das Verbindungsmolkül eigens für diese Anwendung entwickelt. „Es ermöglicht eine schnelle Strukturierung im Submikrometerbereich von Hydrogelen“, sagt sie. Zur Verknüpfung der Polymerketten kommt es, sobald Laserpulse von bestimmter Wellenlänge auf das Hydrogel auftreffen. Die bestrahlten Bereiche werden dabei sofort fest, während die nicht bestrahlten Teile später ausgewaschen werden können.

Auf diese Weise können die Forscher mit dem Laserstrahl beliebige Formen und Strukturen ins Hydrogel drucken, und zwar in sehr feiner Auflösung und äußerst präzise. Die Strukturen können nur gerade 500 Nanometer groß sein.

„Da Hydrogele wie Wackelpudding sind, lassen sie sich kaum vernünftig formen“, sagt ETH-Professor Qin. „Dank des neu entwickelten Verbindungsmoleküls können wir nun das Hydrogel nicht nur stabil und äußerst fein strukturieren, sondern auch mit einer hohen Schreibgeschwindigkeit von bis zu 400 Millimeter pro Sekunde herstellen. Das ist ein neuer Weltrekord.“

Knochenähnliche Strukturen im Nanometerbereich

In ihrer Studie stellten die Forscher u. a. komplex strukturierte Hydrogels her, die wie echter Knochen aussehen und ein feines Netz von Knochenbälkchen aufweisen. Als Vorlage dienten Bilder aus der medizinischen Bildgebung.

Auch ein gesunder natürlicher Knochen ist von einem feinen Netzwerk aus nanometerdünnen und mit Flüssigkeit gefüllten Kanälen durchzogen. „In einem Knochenstück von der Größe eines Spielwürfels sind 74 Kilometer Tunnel“, sagt Qin. Zum Vergleich: Der längste Bahntunnel der Welt, der Gotthard Basistunnel, misst 54 Kilometer.

Material ist biokompatibel und soll im Tierversuch getestet werden

Bisher haben die Forscher das Material erst im Reagenzglas getestet. Dabei zeigte sich, dass knochenbildende Zellen das strukturierte Hydrogel rasch besiedeln und beginnen, Kollagen zu bilden, ein wichtiger Bestandteil des Knochens. Die Tests zeigten weiter, dass das Material biokompatibel ist und die knochenbildenden Zellen nicht schädigt. Die Forscher haben das Basismaterial patentieren lassen und möchten es der medizinischen Industrie zugänglich machen.

Das erklärte Ziel ist, dass das Implantat auf Hydrogelbasis eines Tages bei der Reparatur von gebrochenen Knochen in der Klinik eingesetzt wird. Der Weg dahin ist allerdings noch weit. Als Nächstes plant Qin Tierversuche in Zusammenarbeit mit dem AO Forschungsinstitut Davos. Damit wollen die Forscher herausfinden, ob ihr Knochenreparaturmaterial auch im Körper das Einwandern von knochenbildenden Zellen fördert und ob es mit der Zeit die Stärke des Knochens wiederherstellt.

Literaturhinweis:

Qiu W, Bernero M, Ye ME, Yang X, Fisch P, Müller R, Qin XH: A Water-Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1. Advanced Materials 2026: e10834.

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