Erforschung eines industriellen laserbasierten Nano-3D-Druckverfahrens für hierarchisch strukturierte Knorpel-Knochen-Implantate auf Polymerbasis (Poly-IMPLANT-Druck)
Medizintechnik
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 - 30.04.2024
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
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. Auch dieses Copolymer wurde mittels 2PP-Technologie erfolgreich strukturiert.
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).
Weiterhin wurde ein Instrumentarium (Abbildung 3A) zur Erzeugung einer definierten Kavität im Knochen (Abbildung 3B) und zum Setzen des neuartigen bereits beschriebenen Scaffolds erarbeitet und sowohl am Kunstknochen als auch zur Tieroperation erfolgreich eingesetzt (Abbildung 3C/3D).
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 erfolgsversprechenden in-vitro Ergebnisse werden derzeit in-vivo in einem Großtiermodell am Schaf überprüft. Hierfür wurden 15 Schafen jeweils 2 Implantate in das Kniegelenk eingesetzt. Ein Scaffold wurde in den medialen Kondylus (belastet) implantiert und wird mit dem Implantat im unbelasteten Patellagleitlager verglichen. Jeweils 5 Tiere erhielten ein Implantat aus LCM und ACM. Zusätzlich wird der Einfluss des Kollagenfillers getestet. Während der 3-monatigen postoperativen Standzeit wird mittels Blutproben eine pro-inflammatorische Reaktion ausgeschlossen. Abschließend wird die knöcherne Konsolidierung, Biodegradation und Knorpelregeneration mittels zell- und molekularbiologischen Methoden analysiert.
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