Osteoklastenaktivierung durch radiolytische Degradation von Organik/Anorganik-Doppelhybridwerkstoffen (DHW) zum kontrolliert gesteigerten Abbau von Knochenersatzwerkstoffen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Benjamin Kruppke
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 497439310

Ausgangspunkt für dieses Forschungsvorhaben sind überkritische Knochendefekte, die mit einem Biomaterial versorgt werden müssen, um eine vollständige Regeneration von Knochengewebe zu ermöglichen. An solche Biomaterialien werden vielfältige Anforderungen gestellt, die häufig nur durch die Kombination von verschiedenen Materialien in einem Verbundwerkstoff erfüllt werden können. Daraus ergibt sich die Frage, wie diese Komponenten auf verschiedenen Größenskalen vorliegen, ob sie also einem hierarchischen Aufbau (ähnlich dem Knochen) folgen, was die Freiheitsgrade zur Anpassung an das Zielgewebe erweitern würde. Einem solchen Aufbau folgend könnten wichtige Eigenschaften, wie die mechanische Festigkeit, die Degradation und Resorbierbarkeit, die Knochenzellstimulation, etc. voneinander getrennt oder miteinander gekoppelt werden.Um dem Anforderungsspektrum gerecht zu werden, sollen im Rahmen dieses Vorhabens Doppelhybridwerkstoffe (DHW) erforscht werden, die dem in der Natur häufig vertretenen „brick and mortar“ Modell entsprechen, da sie aus Granulaten eines Hybridwerkstoffs und einer organischen Matrix (Kollagen) bestehen. Die Hybridgranulate wiederum sind aus einer organischen (Kollagen) und einer anorganischen (Silikat) Komponente aufgebaut. Mit diesem Materialsystem ist es möglich – durch Vorbehandlung des Kollagens in verschiedenen Stadien der Synthese und über die Wahl der Komponentenverhältnisse – gezielt die Abbaubarkeit der DHW zu verändern. Die DHW können somit an die Knochenregeneration angepasst werden und diese gegebenenfalls stimulieren. Zu diesem Zweck soll das Kollagen der DHW (genauer der Komponenten) durch radiolytische Degradation mittels Gammastrahlenbehandlung eine Vorschädigung erfahren, um den osteoklastären Materialabbau anzuregen. Durch das flexible Materialsystem kann Kollagen auf den unterschiedlichen Hierarchieebenen verwendet werden. Dabei erlaubt die variable Materialsynthese sowohl strahlenbehandeltes als auch unbehandeltes Kollagen auf allen Ebenen einzusetzen. Materialseitig können so die Osteoklastenstimulation, also eine beschleunigte Resorbierbarkeit, und eine rasche azelluläre Degradation bei gleichzeitig hohen mechanischen Festigkeiten adressiert werden. Um diesen Prozess auch bei großen Knochendefekten und dementsprechend großen Biomaterialprobekörpern gewährleisten zu können, soll mittels extrusionsbasiertem 3D-Druck eine weitere Hierarchieebene hinzugefügt werden. Die DHW werden durch Pastenextrusion zur makroporösen Scaffolds verarbeitet, womit eine Hohlraumphase die Zugänglichkeit der Strangoberflächen für Knochenzellen bietet. Hier dient die Gammastrahlung weiterhin zur Verbesserung der viskoelastischen Eigenschaften des Matrix-Kollagens, um eine gute Verarbeitung mittels 3D Druck zu realisieren.Zukünftig wäre eine Degradation und Resorption der Ersatzwerkstoffe entsprechend des Knochenstatus und des allgemeinen Patientenzustands über die Vorbehandlung der kollagenhaltigen Verbundwerkstoffe einstellbar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen