Künstliche Knochen mittels Nanotechnologie

Fabian Peters

Nanoteilchen ermöglichen die Herstellung deutlich besserer Knochen-Implantate

21.11.2011

Forscher der Universität Halle haben ein High-Tech-Verfahren entwickelt, mit dem sie künstliche Knochen herstellen wollen, die vom Körper besser angenommen werden als bisherige Knochen-Implantate. Mit Hilfe der Nanotechnologie sollen die künstlichen Knochen-Implantate in Zukunft nicht nur deutlich haltbarer werden, sondern vom Organismus als körpereigenes Material erkannt werden, berichten die Wissenschaftler um Professor Dr. Georg Michler.

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Knoch-Implantate werden schon heute relativ häufig in der Medizin eingesetzt, wobei Unfälle aber auch der Befall mit Krebstumoren zu den Hauptursachen für entsprechende Eingriffe zählen. Da ältere Menschen eher zu Knochenbrüchen tendieren, hat auch der demografischen Wandel einen Einfluss auf den Bedarf nach künstlichen Knochen-Implantaten, so die Aussage der fünfköpfigen Forschergruppe um Professor Dr. Georg Michler von der Martin-Luther Universität Halle-Wittenberg. Der Nachteil bei den bisher verwendeten Knochen-Implantaten ist dabei laut Aussage der Forscher jedoch, dass diese nur über eine begrenzte Haltbarkeit verfügen und vom Organismus als Fremdkörper behandelt werden. Um dies zu ändern, setzen Prof. Dr. Georg Michler und Kollegen auf den Einsatz von Nanoteilchen mit denen sie künstliche Knochen-Implantate herstellen wollen, die wesentlich länger halten und vom Körper nicht mehr als fremd erkannt werden.

Nanotechnologie zur Herstellung künstlicher Knochen-Implantate
Bis dato werden künstliche Knochen-Implantate entweder aus körpereigenen Knochen oder natürlichen Fremdknochen hergestellt, wobei erstere nur begrenzt verfügbar sind und letztere vom körpereigenen Gewebe als Fremdkörper umkapselt werden. Die Wissenschaftler der Martin-Luther-Universität haben im Rahmen ihrer Forschung nun einen völlig neuen Weg beschritten. „Wir verwenden als Trägermaterial für den Knochenersatz Polymere, also Kunststoffe, weil sie mit organischen Substanzen wesensverwandt sind, und verändern mit Hilfe von Nanoteilchen die Eigenschaften“, erklärte der Forschungsleiter und Vorstandsvorsitzende des Institutes für Polymerwerkstoffe der Universität Halle, Prof. Dr. Michler. So nutzten die Forscher „Nano-Calciumphosphat-Keramikteilchen“, um diese mit Kunststofffäden zu verspinnen und völlig neuartige künstliche Knochen-Implantate herzustellen. Für die gleichmäßige Verteilung der winzigen Teilchen im Kunststoff haben die Forscher eine spezielles Verfahren entwickelt, dessen Patentrechte bei der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg liegen. Mit Hilfe der neuartigen Methode können die Forscher aus den Kunststofffäden und den Nanoteilchen eine dünne Folie bilden, aus der anschließend ein rund acht bis zehn Zentimeter langes zylinderförmiges Knochen-Implantat gerollt werden kann. Dabei machen die Nanoteilchen beziehungsweise „die Keramikeinlagerungen die Fäden steif“, was die Belastbarkeit des Materials deutlich erhöht, erklärte Forschungsleiter Prof. Dr. Michler.

Knochen-Implantate werden in Knochensubstanz umgebaut
Neben der erhöhten Stabilität bei den mit Hilfe von Nanopartikeln erzeugten Knochen-Implantaten, bietet die Methode laut Aussage der Forscher einen weiteren wesentlichen Vorteil. So betonte Dr. Jörg Brandt, Oberarzt der Klinik und Poliklinik für Orthopädie und Physikalische Medizin in Halle sowie ebenfalls Mitglied der Forschergruppe: „Weil die Nanoteilchen im künstlichen Knochen so extrem klein sind, ist der Körper in der Lage, das Knochen-Implantat vollständig in eigene Knochensubstanz umzubauen und damit vollständig in den Skelettverband zu integrieren.“ Das Material wird nicht länger als Fremdkörper umkapselt. Im Rahmen ihrer Laboruntersuchungen haben die Wissenschaftler festgestellt, dass Nanoteilchen von zehn Nanometern Dicke und 50 Nanometern Länge optimal vom Körper aufgenommen werden, wohingegen „alles was kleiner oder etwas größer war, der Körper nicht umwandeln“ konnte, erklärte Prof. Dr. Michler. Warum ausgerechnet Nanoteilchen der genannten Größe am besten vom Organismus angenommen werden, ist laut Aussage der Wissenschaftler ebenfalls im Rahmen des Forschungsprojektes zu klären.

Nanoteilchen zur Knochenherstellung ein sehr hoffnungsvoller Ansatz
Auch die Wissenschaftler anderer Universität, die im Bereich der Knochen-Implantate forschen, wie zum Beispiel der Materialwissenschaftler Dr. Roland Dersch von der Universität Marburg, bestätigten, dass die Methode von Prof. Dr. Michler und Kollegen „ein sehr hoffnungsvoller Ansatz“ sei. Dr. Dersch und sein Team arbeiten ebenfalls an Möglichkeiten eines nanobasierten künstlichen Knochens, allerdings mit anderen Ausgangsmaterialien. Der Marburger Forscher betonte, dass „über Nanofasern viel geforscht“ wird, es bislang jedoch noch nicht gelungen sei „einen komplexen künstlichen Knochen zu entwickeln, der vom menschlichen Körper angenommen wird.“ Hier scheinen die Wissenschaftler des Forschungsprojektes an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg nun jedoch auf einem guten Weg. Dabei wollen Prof. Dr. Michler und Kollegen jedoch nicht nur möglichst haltbare künstliche Knochen herstellen, sondern auch der Ursache dafür auf den Grund gehen, warum Knochen überhaupt brechen und warum dieses Risiko mit dem Alter zunimmt.

Ursache von Knochenbrüchen genauer untersuchen
Dr. Jörg Brandt zufolge sind in Deutschland pro Jahr rund 35.000 Hüftfrakturen und Oberschenkelhalsbrüchen zu verzeichnen, wobei vor allem ältere Menschen unter derartigen Brüchen leiden. Dabei seien zahlreiche Wissenschaftler und Mediziner davon überzeugt, „dass sich zum Beispiel alte Menschen den Oberschenkelhals bei Stürzen brechen.“ Dr. Brandt hingegen ist der Ansicht, dass die meisten Betroffenen „sich den Oberschenkelhals bereits gebrochen haben und als Folge stürzen.“ Hier seien weiter Untersuchungen erforderlich, um den Eigenschaften des natürlichen Knochenmaterials auf den Grund zu gehen, denn „kennen wir die Abläufe im echten Knochenmaterial, wissen wir auch welche Eigenschaften die Knochenimplantate haben müssen“, betonte Dr. Brandt. Dem Fachmann zufolge haben verschiedene wissenschaftliche Untersuchungen gezeigt, dass den Knochenbrüchen in der Regel mikroskopische Rissbildungen voraus gehen. Diese können in jungen Jahren offenbar noch durch die Selbstheilungskräfte des menschlichen Körpers ausgeglichen werden. Mit zunehmendem Alter steigt jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass in Folge der Risse ein Knochenbruch auftritt, erläuterte der Mediziner.

Einsatz neuer Knochen-Implantate frühestens in acht bis zehn Jahren
Dr. Brandt zufolge liegen erste Hinweise dafür vor, „dass wir mit Hilfe der Nanoteilchen dem künstlichen Implantat eine Fähigkeit zur plastischen Deformation geben können“, was eine „verbesserte Zähigkeit des Kunststoffes“ bedeuten würden. In dem auf zwei Jahre angelegte Forschungsprojekt, welches von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG/Bonn) mit rund 300.000 Euro gefördert wird, sollen nun sämtliche Aspekte um die Herstellung künstlicher Knochen-Implantate mit Hilfe von Nanoteilchen genau untersucht werden. Forschungsleiter Prof. Dr. Michler betonte, dass momentan die Materialuntersuchungen laufen und „die einzelnen Komponenten des Kunstknochens bereits in Tierversuchen auf Verträglichkeit getestet“ wurden. Im nächsten Schritt müssen nun klinische Studien „die Einsatzfähigkeit des Kunstknochens, welcher ja ein Verbund aus den Komponenten ist, belegen.“, so das Fazit von Prof. Dr. Michler. Allerdings sei auch bei umfassenden Erfolgen bei den kommenden Untersuchungen mit dem regulären Einsatz der neuen Implantate frühestens in etwa acht bis zehn Jahren zu rechnen. (fp)

Bild: Rainer Sturm / pixelio.de