Erforschung eines industriellen laserbasierten Nano-3D-Druckverfahrens für hierarchisch strukturierte Knorpel-Knochen-Implantate auf Polymerbasis (Poly-IMPLANT-Druck)

Medizintechnik

Auf dem linken Bild sieht man die schematische Darstellung eines biphasischen Implantats für die Therapie von Knorpel-Knochen-Defekten. Das Implantat besteht aus einer, in gelb dargestellten, Knochenphase und einer, in blau dargestellten, Knorpelphase, die unterschiedlich strukturiert sind, aber aus einem Stück gefertigt werden. Das rechte Bild stellt die Verwendung im Kniegelenk dar.

Erforschung eines industriellen laserbasierten Nano-3D-Druckverfahrens für hierarchisch strukturierte Knorpel-Knochen-Implantate auf Polymerbasis (Poly-IMPLANT-Druck)

Kompetenzen:

  • Implantate

    Knochen

    Knorpel

    Nanotechnologie

    Polymere

Koordinator:

  • Thomas Oberbach

    Mathys Orthopädie GmbH

Projektlaufzeit:

01.05.2019 - 30.04.2022

Aufgaben im Projekt

Mathys Orthopädie GmbH
Erforschung implantatspezifischen Operationsbestecks

IBA Heiligenstadt e.V.
Erforschung der Photopolymere und der 3D-Scaffolds

Multiphoton Optics GmbH
Erforschung eines 2PP-Verfahrens zum 3D-Druck des Implantates

Meidrix Biomedicals GmbH
Erforschung der Kollagenfunktionalisierung der Implantate

Universität Gießen
Erforschung der osteogenen Differenzierungsfähigkeit im Implantat

Beschreibung

Abbildung 1: Aufnahme der Vorderseite der Prototypen-Anlage mit Galvanometer-Scanner, F-Theta Objektiv, Materialbehältern und Substrat. (Quelle: Multiphoton Optics GmbH)

Vorhaben

Aufgrund der begrenzten Regenerationsfähigkeit von Knorpelgewebe heilen oberflächliche Schädigungen nicht selbstständig, wohingegen bei einer Mitschädigung des unter dem Knorpel liegenden Knochen eine Neubildung von Faserknorpel erfolgt, welcher jedoch weniger belastbar und anfällig für degenerative Veränderungen ist. Schädigungen an der Knorpelschicht und an dem darunterliegenden Knochengewebe führen meist zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Lebensqualität, hohen Kosten im Gesundheitssystem sowie zu wirtschaftlichen Schäden durch oft monatelange Ausfallzeiten der Patienten. Ursachen können sowohl Unfälle und Sportverletzungen wie auch degenerative Erkrankungen (Osteoarthritis, Osteoporose) sein. Ziel dieses Projektes ist daher die Etablierung monolithischer biphasischer Implantate mit intrinsischer Heterogenität zur Stimulation der Geweberegeneration von Knorpel-Knochen-Defekten und die Erarbeitung eines Instrumentariums für dessen unversehrte Implantation in eine definierte Kavität im Knochen.

Aktueller Projektstand

Hierzu wurde zunächst erfolgreich eine Prototypenanlage aufgebaut (Abbildung 1), die auf die Strukturierung von großen (> 5 mm) Strukturen, insbesondere Scaffolds, spezialisiert ist. Durch den Einsatz eines F-Theta Objektivs mit großem Sichtfeld (15x15 mm) konnte die Fabrikationszeit eines biphasischen Scaffolds (Abbildung 2) aus dem biodegradierbaren Material (D,L)-lactide-ɛ-caprolactone methacrylate (LCM) auf unter 1,5 Stunden reduziert werden. Außerdem wurde eine neue Polymerplattform auf Basis von Poly-(Alanin-co-Caprolacton)-Methacrylat (ACM) etabliert, mit dem Ziel das bisher häufig eingesetzte, durch saure Degradationprodukte gekennzeichnete LCM zu ersetzen (die Strukturierung des ACM ist grundsätzlich möglich, wird jedoch aktuell noch optimiert).

Abbildung 2: CAD Modell und rasterelektronen-mikroskopische Aufnahmen eines biphasischen Scaffolds. Höhe des Scaffolds: 10 mm, Durchmesser des Scaffolds: 7 mm. (Quelle: iba Heiligenstadt e.V.)

Somit wurde eine hochpräzise 3D-Druckplattform für die 2-Photonen-Polymerisation (2PP) einschließlich der Prozesssteuerung für die kommerzielle Herstellung von 3D-Trägerstrukturen mit verschiedenen spezifischen Fülloptionen für den Knorpel- und Knochenbereich entwickelt, die das Wachstum von osteochondralen Gewebestrukturen zur Unterstützung der Geweberegeneration ermöglichen wird. Der monolithische Herstellungsprozess gewährleistet zudem eine stabile Verbindung zwischen der Knochen- und Knorpelphase (Abbildung 2).

Abbildung 3: (A) Erarbeitetes Instrumentarium (B) mittels eines keramischen Schneidkopfes erzeugte Kavität im Kunstknochen (C) Setzen des Scaffolds [Dummy] (D) in die Kavität gesetzter Scaffold [Dummy]. (Quelle: Mathys Orthopädie GmbH)

Ein erstes Instrumentarium (Abbildung 3A) zur Erzeugung einer definierten Kavität im Knochen (Abbildung 3B) und zum Setzen des neuartigen bereits beschriebenen Scaffolds wurde zwischenzeitlich erarbeitet und am Kunstknochen erfolgreich getestet (Abbildung 3C/3D).

Abbildung 4: (A) Lebendzellmikroskopie von Osteoprogenitoren nach 15-tägiger Inkubation der Osteophase im Bioreaktor (JLU Gießen). (B) Lebendzellzählung von Chondrozyten aus Defektzonen unterschiedlicher Kollagenkonzentrationen im Migrationsassay nach 1, 2, 4 und 8 Wochen. (Quelle: Meidrix GmbH)

Für eine bestmögliche Unterstützung der Geweberegeneration durch das zellfreie Implantat ist die Einwanderung von Stammzellen und Vorläuferzellen sowie deren Adhäsion, Proliferation und Differenzierung in reife Knorpel- bzw. Knochenzellen entscheidend. Es konnte bereits eine gute zelluläre Adhäsion, Proliferation und beginnende Mineralsynthese von Knochenvorläuferzellen in den interkonnektierenden Poren der Knochenphase des Implantats nachgewiesen werden (Abbildung 4 A). Um zusätzlich eine optimale Migration der Zellen in das Implantat zu gewährleisten soll die extrazelluläre Matrix mittels Kollagenmatrices nachgebildet werden. Die höchste Zellmigration von Knorpelzellen in zellfreie Kollagenmatrices konnte bei dem höchsten Kollagengehalt (8 mg/mL nach 4 und 8 Wochen) beobachtet werden (Abbildung 4 B). Die Ergebnisse zeigen die große Bedeutung der 2PP-Technologie sowie das enorme Potenzial der verwendeten Polymerplattform (ACM) für die Herstellung von osteochondralen Implantaten mit Hilfe eines monolithischen Herstellungsprozesses.

Projektpartner

Mathys Orthopädie GmbH
FKZ: 13XP5089A

IBA Heiligenstadt e.V.
FKZ: 13XP5089C

Multiphoton Optics GmbH
FKZ: 13XP5089D

MEIDRIX Biomedicals GmbH
FKZ: 13XP5089E

Justus-Liebig-Universität Gießen
FKZ: 13XP5089F