Knorpelschäden gehören zu den Ursachen der Kniearthrose und können zu Schmerzen und Bewegungseinschränkungen führen.
Knorpelschäden bei Kniearthrose verursachen häufig Schmerzen und führen zu Einschränkungen beim Sport und bei alltäglichen Bewegungen. Häufig hilft eine Therapie, in der künstliches Knorpelgewebe eingesetzt wird. Das Problem: Manchmal verwächst das künstliche Gewebe nicht besonders gut.
Forscher*innen ist es gelungen, künstliches Knorpelgewebe herzustellen, das individuell an die Geometrie der Patientin oder des Patienten angepasst und mit lebenden Zellen besiedelt werden kann.
Der Vorteil des personalisierten Knorpelgewebes ist, dass das Gewebe besser an die individuelle Situation im Körper angepasst werden kann. Hierdurch steigt die Chance auf eine schnelle Verwachsung und die Patient*innen können ihr Knie früher wieder belasten und sind schneller schmerzfrei. Wie individualisierbare biologische Knochen-Knorpelimplantate aus Biomaterialien automatisiert hergestellt werden können, daran forschen Wissenschaftler*innen des Forschungsverbunds Stuttgart Partnership Mass Personalization (SPI - MP) der Universität Stuttgart.
Herstellung des personalisierten Knorpelgewebes
Gefertigt wird der Knorpel in einer durchgängigen Prozesskette mit einem speziellen 3D-Druck-Verfahren. Die additiven Fertigungsverfahren erlauben es, Objekte mit entsprechend komplexer Geometrie aus unterschiedlichen Materialien aufzubauen. Die Forscher*innen setzen für die komplexe Fertigung der Knorpelimplantate auf den mehrachsigen 3D-Druck. Der Vorteil der mehrachsigen Bearbeitung im Vergleich zum herkömmlichen dreiachsigen Verfahren sind die größeren Prozessfreiheiten. So kann beispielsweise der Stufeneffekt minimiert werden, der auftritt, wenn eine Kontur eines Bauteils nicht parallel oder orthogonal zur Aufbaurichtung verläuft und damit die Schräge in einzelne diskrete Schichten untergliedert wird.
Die personalisierten Daten für den 3D-Druck werden aus MRT-Aufnahmen gewonnen, sodass jeder Knorpel individuell nach biologischen Vorbild angefertigt werden kann. Dazu wird aus den Scandaten eine sogenannte Sollgeometrie der zu ersetzenden Fehlstelle generiert. Anhand dieser Geometrie lassen sich räumlich gekrümmte Bahnen für den Druckprozess berechnen.
Das Material für den Knorpelersatz ist methacrylmodifizierte Gelantinelösung, die UV-beständig ausgehärtet wird. In diesem biomimetisches Material, das unter Inspiration der Natur entwickelt wurde, werden vor der Implantation in einem Bioreaktor herangezogene Zellen gelöst.
Bis der personalisierte Knorpelersatz in der Praxis eingesetzt werden kann, wird es allerdings noch etwas dauern. Zunächst wurde die Grundlagenforschung mit der Produktion von funktionalen künstlichen Knorpeln erfolgreich abgeschlossen. Für den Einsatz bei Patient*innen seien nun weitere (klinische) Zulassungen sowie die Kooperation mit Partner*innen aus Klinik und Praxis erforderlich, so Janina Ulmer von der Uni Stuttgart.
Über den Forschungsverbund SPI - MP
Der Forschungsverbund Stuttgart Partnership Initiative - Mass Personalization (SPI-MP) an der Universität Stuttgart betreibt Grundlagenforschung zu Fabrikations- und Biomaterialtechnologien für personalisierte biomedizinische Systeme. Die SPI-MP ist Teil des Leistungszentrums Mass Personalization (LZMP), eine gemeinsame Initiative der Universität Stuttgart mit den Fraunhofer-Instituten am Standort Stuttgart. Die SPI-MP will die Vernetzung zwischen den bestehenden Forschungsinitiativen an der Universität Stuttgart und dem Leistungszentrum steigern, um weitere Projekte und Partnerschaften vorzubereiten.
Quelle: Universität Stuttgart
