Bioinspirierte Hybridscaffolds für das Knochen-Tissue-Engineering

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Chokri Cherif
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 519202302

Knochengewebe besteht aus hierarchischen Strukturen aus Kollagenfaser-verstärktem Hydroxylapatit (HAp), die von Zellen (Osteoblasten) generiert werden und u. a. hohe Festigkeiten bei ausreichender Duktilität, sowie Regenerationsfähigkeit ermöglichen. Funktionelle Knochenersatzmaterialien (KEM) müssen dieses Eigenschaftsprofil und damit biomimetische Porengrößen, mechanische Eigenschaften und Biokompatibilität abbilden. Für technische Lösungen ist dabei bisher ein Kompromiss aus biologischen und mechanischen Eigenschaften notwendig, da etablierte Methoden und Materialien nicht in der Lage sind, beide gleichzeitig anforderungsgerecht abzubilden. Der hohe Anteil von zellulären Bestandteilen macht eine ingenieurstechnische Abstrahierung und Nachahmung der Knochenstruktur sehr herausfordernd, was für ein ideales Knochenersatzmaterial jedoch notwendig ist. Diese Lücke soll das hier beantragte Vorhaben schließen, indem ein biomimetischer Ansatz nach Vorbild des Glasschwammes Euplectella aspergillum erforscht wird. Dieser ist ebenso hierarchisch aufgebaut und weist Konstruktionsprinzipien auf, die für KEM positive Eigenschaften, wie hohe Druckfestigkeit, Steifigkeit sowie Duktilität, generieren. Der gewählte Materialansatz soll gleichzeitig die erforderlichen biologischen Eigenschaften erschließen. Dafür ist die simulationsgestütze Weiterentwicklung des Fiber Additive Manufacturing (FAM) zur Fertigung von hierarchisch aufgebauten, hochporösen und lasttragenden Scaffolds für den Knochenersatz, die erstmals anforderungsgerechte mechanische und regenerationssteigernde biologische Eigenschaften auf Material- und Strukturebene vereinen, notwendig. Damit sollen bestehende Herausforderungen bei der Therapie von Knochendefekten gezielt überwunden und der Heilungserfolg betroffener Patienten signifikant gesteigert werden. Die entwickelten Scaffolds werden umfangreich mechanisch und biologisch derart charakterisiert, dass die Grundlagen für eine MDR-konforme (medical device regulation) Risikobewertung gelegt werden. Die Zielwerte sind stark von der späteren Implantationsregion abhängig (z. B. Kiefer vs. Femur). Zur Nachbildung der Kortikalis sollen Druckfestigkeiten/Biegesteifigkeiten von 100 - 200 MPa sowie E-Moduln von 5 - 20 GPa; für Spongiosa Porositäten von 65 - 90 % erreicht werden, wobei die zu entwickelnde Technologie beides in einem Implantat abbildbar macht. Abschließend wird die Fertigungstechnik industriell bei INNOTERE validiert und das KEM-Scaffold somit von TRL4 auf TRL6 angehoben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: INNOTERE GmbH
• Kooperationspartner: Dr. Jörg Opitz