Forscher haben beschädigte Schädel von Mäusen erfolgreich regeneriert, indem sie ein freistehendes biomimetisches Gerüst geschaffen haben, das ein piezoelektrisches Gerüst mit den wachstumsfördernden Eigenschaften eines natürlichen Minerals kombiniert. Dieser neuartige „Knochenverband“ hat breite Anwendungsperspektiven in der Knochenregeneration und der regenerativen Medizin.
Piezoelektrische Materialien erzeugen bei mechanischer Belastung elektrische Ladungen. Knochen ist ein piezoelektrisches Material. Da Knochen über eine elektrische Mikroumgebung verfügen, spielen elektrische Signale eine wichtige Rolle bei der Knochenreparatur und können die Knochenregeneration wirksam fördern. Allerdings ist die Knochenregeneration ein komplexer Prozess, der auf mechanischen, elektrischen und biologischen Komponenten beruht.
Aktuelle Knochenregenerationsstrategien wie Wachstumsfaktor-freisetzende Transplantate oder Gerüste haben ihre Grenzen, wie z. B. Komplikationen an der Entnahmestelle, begrenzte Verfügbarkeit und hohe Kosten. Jetzt haben Forscher am Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) eine bahnbrechende Methode zur Knochenregeneration entwickelt, die Piezoelektrizität mit einem natürlich in Knochen vorkommenden Mineral kombiniert.
Hydroxylapatit (HAp) ist ein Mineral, das in Knochen und Zähnen vorkommt und eine Rolle bei der Festigkeit und Regeneration der Knochenstruktur spielt. Es wird oft Zahnpasta zugesetzt, um den Zahnschmelz zu remineralisieren und die Zähne zu stärken. Studien haben ergeben, dass HAp die Osteogenese (Knochenbildung) fördern und ein Gerüst für das Wachstum neuer Knochen bilden kann. Es verfügt außerdem über piezoelektrische Eigenschaften und eine raue Oberfläche, was es zu einem idealen Material für die Herstellung von Knochenwachstumsgerüsten macht.
Daher stellten die Forscher ein freistehendes biomimetisches Gerüst her, das HAp in ein piezoelektrisches Gerüst aus einem Polymerfilm, Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen (P(VDF-TrFE)), integriert. Dieser unabhängige Stent erzeugt ein elektrisches Signal, wenn Druck ausgeübt wird. Damit unterscheidet sich dieser Ansatz von früheren Studien, in denen HAp und P(VDF-TrFE) kombiniert wurden und die sich auf Beschichtungen auf Metallprothesen beschränkten. Der neue Ansatz der Forscher biete eine vielseitige Plattform für die Knochenregeneration, die über oberflächengebundene Anwendungen hinausgehe, sagen sie.
Ein In-vitro-Vergleich von Gerüsten mit und ohne HAp ergab, dass die Zellanhaftungsraten auf HAp-Gerüsten um 10 bis 15 % höher waren. Nach fünf Tagen Zellkultur stieg die Zellproliferationsrate auf dem HAp-Gerüst um 20 bis 30 % und das Osteogeneseniveau um etwa 30 bis 40 %. Die Ergebnisse zeigen, dass HAp die piezoelektrischen Eigenschaften des Gerüsts maximiert und eine Umgebung schafft, die der menschlichen extrazellulären Matrix ähnelt, der nichtzellulären Komponente aller Gewebe, die die grundlegende physikalische Struktur und wichtige Hinweise für die Geweberegeneration bereitstellt.
Anschließend testeten die Forscher ihr HAp/P(VDF-TrFE)-Gerüst an Mäusen und platzierten es über Defekten im Schädel der Tiere (Unterschenkelknochen). Der Stent hielt sechs Wochen ohne Verformung. Alle Mäuse überlebten; Es wurden keine Nebenwirkungen, einschließlich Infektionen oder entzündliche Reaktionen, beobachtet. Zwei, vier und sechs Wochen nach der Implantation war die Knochenregenerationsfähigkeit von Mäusen, die mit HAp-Gerüsten ausgestattet waren, im Vergleich zur Kontrollgruppe ohne Knochenbildung deutlich erhöht.
Seungbum Hong, einer der entsprechenden Autoren der Studie, sagte: „Wir haben ein HAp-basiertes piezoelektrisches Verbundmaterial entwickelt, das wie ein ‚Knochenverband‘ die Knochenregeneration beschleunigen kann. Diese Forschung schlägt nicht nur eine neue Richtung für das Design von Biomaterialien vor, sondern ist auch von großer Bedeutung für die Erforschung der Auswirkungen von Piezoelektrizität und Oberflächeneigenschaften auf die Knochenregeneration.“
Die Forschung wurde in der Zeitschrift ACS Applied Materials and Interfaces veröffentlicht.