Ist das Knochenimplantat der Zukunft ein Hydrogel?
ETH-Forschende haben ein neuartiges Hydrogel entwickelt, das überwiegend
aus Wasser und einem Polymernetzwerk besteht.
Mit Laserlicht können die Forschenden das Hydrogel sehr schnell zu einem
Material mit mikroskopisch feinsten Strukturen verfestigen, damit
knochenbildende Zellen es gut besiedeln können.
Das so bearbeitete und strukturierte Material könnte in Zukunft als
Knochenimplantat genutzt werden, um die Heilung von Knochenbrüchen zu
verbessern.
Brechen Knochen bei einem (Ski-)Unfall, wachsen sie meist von selbst
zusammen – es sei denn, der Schaden am Knochen ist zu gross. Dann oder
auch nach der Entfernung eines Knochentumors bauen Chirurg:innen ein
Implantat ein, das das Zusammenwachsen des Knochens ermöglicht.
Als Implantate dienen oft körpereigene Knochenstücke, sogenannte
Autografts, Metall- oder Keramikteile. Die meisten heutigen Implantate
haben jedoch einen Nachteil: Autografts müssen dem Patienten an einer
zweiten Operationsstelle entnommen werden. Metallimplantate sind oft zu
starr; sie können sich deswegen mit der Zeit lockern und ihre Stabilität
verlieren.
Biologie berücksichtigen
Und fast noch wichtiger: Knochen ist ein sehr komplexes Organ mit
unzähligen Tunnels und Hohlräumen. «Damit ein Knochen gut heilt, müssen
wir unbedingt die Biologie in die Reparatur einbeziehen», sagt Xiao-Hua
Qin, Professor für Biomaterials Engineering der ETH Zürich. Und für diese
Reparatur braucht es verschiedene Zelltypen, die zuerst das Implantat
besiedeln müssen und dann neue Knochensubstanz bilden.
Der ETH-Forscher hat deshalb einen neuen Ansatz gewählt: Als Material für
ein künftiges Implantat entwickelte Qin zusammen mit seiner Gruppe und
ETH-Professor Ralph Müller ein neuartiges Hydrogel, das weich wie Pudding
ist und sich mit der Zeit im Körper auflöst. Dieses Material könnte
dereinst für massgeschneiderte Knochenimplantate verwendet werden. Die
entsprechende Studie ist soeben in der Fachzeitschrift Advanced Materials
erschienen.
Heilung beginnt mit weichem Material
«Zu Beginn der natürlichen Knochenheilung setzt der Körper immer ein
weiches Material ein», erklärt der Forscher. In den ersten Tagen nach
einem Bruch bildet sich ein Hämatom, eine Schwellung. Es ist durchlässig
und fördert die Einwanderung von Zellen, die für die Reparatur des Bruchs
zuständig sind, von Immunzellen und Nährstoffen. Ein Netz aus Fibrin hält
die Zellen zusammen. Im Laufe der Zeit entsteht daraus ein harter und
steifer Knochen.
Das Hydrogel ist dieser natürlichen Knochenheilung nachempfunden. Es
besteht zu 97 Prozent aus Wasser und zu 3 Prozent aus einem biologisch
verträglichen Polymer. Damit es sich verfestigen kann, fügten die
Forschenden zwei spezielle Moleküle zu: ein Verbindungsmolekül, das die
Polymerketten miteinander verknüpft, und ein auf Licht reagierendes
Molekül, das die Reaktion in Gang setzt.
Qins und Müllers ehemalige Doktorandin Wanwan Qiu hat das
Verbindungsmolkül eigens für diese Anwendung entwickelt. «Es ermöglicht
eine schnelle Strukturierung im Submikrometerbereich von Hydrogelen», sagt
sie. Zur Verknüpfung der Polymerketten kommt es, sobald Laserpulse von
bestimmter Wellenlänge auf das Hydrogel auftreffen. Die bestrahlten
Bereiche werden dabei sofort fest, während die nicht bestrahlten Teile
später ausgewaschen werden können.
Pudding in Weltrekordzeit strukturierbar
Auf diese Weise können die Forschenden mit dem Laserstrahl beliebige
Formen und Strukturen ins Hydrogel drucken, und zwar in sehr feiner
Auflösung und äusserst präzise. Die Strukturen können nur gerade 500
Nanometer gross sein.
«Da Hydrogele wie Wackelpuddings sind, lassen sie sich kaum vernünftig
formen», sagt ETH-Professor Qin. «Dank des neu entwickelten
Verbindungsmoleküls können wir nun aber das Hydrogel nicht nur stabil und
äusserst fein strukturieren, sondern auch mit einer hohen
Schreibgeschwindigkeit von bis zu 400 Millimeter pro Sekunde herstellen.
Das ist ein neuer Weltrekord.»
Strukturen im Nanometerbereich
In ihrer Studie stellten die Forschende unter anderem komplex
strukturierte Hydrogels her, die wie echter Knochen aussehen und ein
feines Netz von Knochenbälkchen aufweisen. Als Vorlage dienten den
Forschenden Bilder aus der medizinischen Bildgebung.
Auch ein gesunder natürlicher Knochen ist von einem feinen Netzwerk aus
nur nanometerdünnen und mit Flüssigkeit gefüllten Kanälen durchzogen. «In
einem Knochenstück von der Grösse eines Spielwürfels sind 74 Kilometer
Tunnels», sagt Qin. Zum Vergleich: Der längste Bahntunnel der Welt, der
Gotthard Basistunnel, misst 54 Kilometer.
Material ist biokompatibel
Bisher haben die Forschenden das Material erst im Reagenzglas getestet.
Dabei zeigte sich, dass knochenbildende Zellen das strukturierte Hydrogel
rasch besiedeln und beginnen, Kollagen zu bilden, ein wichtiger
Bestandteil des Knochens. Die Tests zeigten weiter, dass das Material
biokompatibel ist und die knochenbildenden Zellen nicht schädigt. Die
Forschenden haben das Basismaterial patentieren lassen und möchten es der
medizinischen Industrie zugänglich machen.
Das erklärte Ziel des Forschers ist, dass das Implantat auf Hydrogelbasis
eines Tages bei der Reparatur von gebrochenen Knochen in der Klinik
eingesetzt wird. Der Weg dahin ist allerdings noch weit. Als Nächstes
plant Qin in Zusammenarbeit mit dem AO Forschungsinstitut Davos Tests in
Tieren. Damit wollen die Forschenden herausfinden, ob ihr neues
Knochenreparaturmaterial auch im Körper das Einwandern von
knochenbildenden Zellen fördert und ob es mit der Zeit die Stärke des
Knochens wiederherstellt.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Xiao-Hua Qin, ETH Zürich, qinx(at)ethz.ch
Originalpublikation:
Qiu W, Bernero M, Ye ME, Yang X, Fisch P, Müller R, Qin X-H. A Water-
Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-
Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1. Advanced Materials (2026):
e10834. https://doi.org/10.1002/adma.2
