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Montag, 20.03.2017

Neue Knochen aus dem Drucker

Gleich zwei Dresdner Fraunhofer-Projekte wollen Patienten schon in naher Zukunft neuartige Implantate bieten.

Von Jana Mundus

Perfekt und so wie von der Natur geschaffen: Ein Knochen. Doch bis so ein Stückchen Oberschenkel aus keramischen Werkstoffen im Drucker entsteht, muss sich Isabell Hausswald einige Stunden gedulden. Das Warten lohnt sich allerdings.
Perfekt und so wie von der Natur geschaffen: Ein Knochen. Doch bis so ein Stückchen Oberschenkel aus keramischen Werkstoffen im Drucker entsteht, muss sich Isabell Hausswald einige Stunden gedulden. Das Warten lohnt sich allerdings.

© Jürgen Lösel

Den Knochen beim Wachsen zusehen. Stück für Stück. Schon bald könnte das kein Problem mehr sein. Oberschenkelknochen, Hüft- oder Kniegelenk kommen dann aus dem Drucker. An zwei Dresdner Fraunhofer-Instituten erforschen Wissenschaftler derzeit neue Werkstoffe für Implantate. Passgenau sollen die in Zukunft sein. Für jeden Patienten individuell gefertigt. Für die Ewigkeit sind die Ersatzteile aber nicht gedacht. Sie verschwinden irgendwann aus dem Körper. Das ist allerdings kein Drama.

Die schrittweise Veränderung ist mit bloßem Auge kaum sichtbar. Schicht um Schicht wächst der Knochen in der Kammer des 3-D-Druckers. Geduld ist gefragt. „Je nach Größe dauert so ein Druckvorgang viele Stunden, sogar manchmal Tage“, erklärt Matthias Ahlhelm. Doch diese Zeit braucht das Gerät nun einmal, um den Knochen aufzubauen. Bis jetzt sind auf diesem Weg erst einmal nur kleine Knochen entstanden. Schon länger arbeitet Ahlhelm am Fraunhofer-Institut für keramische Technologien und Systeme (IKTS) an den perfekten Kopien. Vorbild sind dabei die Originale der Natur.

Ein echter menschlicher Knochen besteht aus einer dichten und festen Außenhülle und einem porösen Inneren. Wie ein hart gewordener Badeschwamm. Um das genauso nachzubauen, verwenden die IKTS-Forscher keramische Materialien wie Hydroxylapatit, Zirkonoxid oder auch Mischungen aus beiden Stoffen. Erst entsteht daraus die Knochenhülle im Drucker. Gefüllt wird diese danach mit dem Stoffgemisch. In einem Gefriertrockner schäumt die Masse auf und gefriert schlagartig. Das Ergebnis sind feinste, poröse Strukturen, wie sie sich im menschlichen Knochen befinden.

Hilfe für Krebspatienten

Das funktioniert. Nun muss sich zeigen, ob die keramischen Implantate auch im menschlichen Körper bestehen. Erste Versuche mit Zellen aus dem Bindegewebe von Mäusen haben in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik im Saarland bereits funktioniert. „In naher Zukunft stehen erste Versuche im lebenden Organismus an, in denen eventuelle Entzündungsreaktionen auf die keramischen Knochen sowie das Einwachsverhalten untersucht werden“, erklärt Ahlhelm weiter. Die Knochenzellen sollen über Wochen, Monate und Jahre hinweg in die Zwischenräume im künstlichen Knochenschaum eindringen. Die Implantate werden langsam durch eigene Knochensubstanz ersetzt und verschwinden am Ende komplett. Bis die Testergebnisse auf den Menschen übertragen werden können, dürften noch bis zu zehn Jahre vergehen. „Dann gäbe es allerdings eine vielversprechende Lösung für die wiederherstellende Chirurgie, beispielsweise für Knochenkrebspatienten.“

Die Kollegen vom Dresdner Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung (IFAM) beschreiten ähnliche Wege. Allerdings mit einem anderen Material. Die IFAM-Wissenschaftler setzen bei Knochendefekten auf Magnesium-Implantate aus einer vorher hergestellten Magnesium-Faserstruktur. Sie dient dem Knochen als Leitstruktur während des Wachsens. Das Magnesium stimuliert durch biomechanische Prozesse dieses Wachstum sogar. Die Faserstruktur ermöglicht zeitgleich, dass Blutgefäße einwachsen können. Parallel zum Heilungsprozess baut sich das Implantat ab. Erste Versuche mit Tieren gab es bereits. Nach zwölf Wochen stellten die Forscher bereits eine langsame Korrosion am Implantat fest. Nach einem halben Jahr war das metallische Implantat zum Großteil verschwunden. An dessen Stelle entstanden wieder Knochen. Das überzeugte nun auch die Wirtschaft.

Magnesium im Mund

Die Botiss Biomaterials GmbH und das IFAM arbeiten künftig gemeinsam weiter am Projekt. Das Unternehmen aus Berlin hat sich die Lizenz für den Werkstoff zum Einsatz in der Mund- und Kieferchirurgie gesichert. „Es könnte bei Paradontose zum Beispiel im Kiefer eingesetzt werden“, beschreibt Peter Quadbeck vom IFAM die mögliche Verwendung in der Zukunft. In den nächsten drei Jahren soll es deshalb weitere umfangreiche Testreihen geben. An Tieren soll zunächst geprüft werden, wie lange die Implantate halten oder ob eventuell Infektionen eintreten können. Wenn alles klappt, könnte das Produkt in fünf oder sechs Jahren in der Klinik sein.

Geduld wäre jetzt aber als Erstes gefragt, sagt Quadbeck. „Beide Ideen betreffen den Menschen. Da muss einfach alles ordentlich getestet werden, bis es angewendet werden kann.“ Konkurrenz zwischen den beiden Projekten gäbe es nicht. „Es sind verschiedene Ansätze.“ Hilfe für Patienten bieten am Ende alle beide.