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Einfach wachsen lassen

Werkstoffe plus Biologie: Was Tissue Engineering und andere Ansätze brauchen
Einfach wachsen lassen

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Regenerative Medizin nutzt das Wissen aus Materialwissenschaften und Biologie, um Alternativen zum herkömmlichen Implantat zu schaffen. Sich wie der Salamander einfach ein Bein nachwachsen zu lassen, wird dem Menschen wohl nicht gelingen – aber was geht, wollen die Experten ermöglichen.

Um ein Salamanderbein zu ersetzen, braucht der Körper des Lurches ungefähr 40 Tage. Dass dem Menschen solche Fähigkeiten nicht gegeben sind, hat Ärzte und Tüftler schon früh dazu gebracht, einem Verletzten auf andere Weise zu Hilfe zu kommen. Die Entwicklung der Implantate ist ein Beispiel dafür, welche Lösungswege sich dafür anboten: Von den Anfängen – man nehme, was man hat – über die Phase, in der nach inerten Materialien gesucht wurde, bis hin zu den aktuellen Versuchen, die Interaktion zwischen Körper und Implantat gezielt zu fördern, ist eine deutliche Entwicklung zu erkennen.

Derzeit zeichne sich aber ein „Paradigmenwechsel“ in Richtung Salamander ab: Dass die Zukunft der Medizin nicht Implantate sein werden, sondern neue Verfahren, die den Körper selbst zur Heilung anregen, betont zum Beispiel Prof. C. James Kirkpatrick vom Institut für Pathologie der Universtität Mainz. Denn bei allen Unterschieden zwischen Menschen und Salamandern habe auch der Zweibeiner vielleicht Potenziale in dieser Richtung, die die Medizin nutzen könne. Über solche Überlegungen und neue Entwicklungen im Bereich des Tissue Engineering berichtete der Mainzer Arzt und Wissenschaftler als Referent beim International Materials Forum 2008 im August in Bayreuth. Die Natur in so vielfältiger Weise wie nur möglich zu kopieren, so Kirkpatrick, sei die Devise für aktuelle Forschungsarbeiten in der ganzen Welt.
Als interessantes Beispiel für die Möglichkeiten der regenerativen Medizin nannte der Mainzer die Nanofasern. Im Experiment einer Forschergruppe habe sich nicht nur nachweisen lassen, dass Nervenzellen bevorzugt an solchen Fasern entlang wuchsen. Bei einem Nagetier, das durch eine Wirbelsäulenverletzung gelähmt war, sei die Beweglichkeit teilweise zurückgekehrt, nachdem an der verletzten Stelle spezielle Nanofasern eingeführt wurden. „Auch wenn es keine 100-prozentige Verbesserung gab, ist es schon bemerkenswert, dass überhaupt etwas passierte“, lobte Kirkpatrick.
Seiner Ansicht nach ist es in Zukunft die Aufgabe der Forscher, im menschlichen Körper das zu finden, was er als regenerative Nische bezeichnet – die Stelle, an der sich mit Hilfe von Biomaterialien etwas induzieren lässt, das zur Heilung führt. „Meine persönliche Sicht ist, dass die Materialwissenschaftler und Biowissenschaftler dafür spezifische Aufgaben lösen, aber auch eng zusammenarbeiten müssen.“
Einen möglichen Weg zu neuen Materialien skizzierte Prof. Peter Fratzl vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam. Er berichtete in Bayreuth über die Ergebnisse, die seine Gruppe zum Aufbau von Knochen erzielt hat. „Um zu neuen Materialien zu kommen, müssen wir als erstes biologische Gewebe aus materialwissenschaftlicher Sicht betrachten und gegebenenfalls auch mit Hilfe von Computermodellen versuchen zu verstehen, wie sie aufgebaut sind und funktionieren“, so der Wissenschaftler. Wenn auch die biochemischen, mechanischen und geometrischen Wechselwirkungen an der Schnittstelle zwischen Werkstoff und Zellen besser bekannt seien, könne man auf diesen Säulen aufbauen und Werkstoffe gezielt entwickeln.
Von den Herausforderungen, den geeigneten Werkstoff für ein innovatives Implantat herzustellen, berichtete Dr. Hinrich Wiese von der Polymaterials AG. Die Kaufbeurer nutzen ein spezielles Polyurethan, aus dem die Form eines menschlichen Ohres nachgebildet wird und das Knorpelzellen im Labor besiedeln. Ein solcherart vorbereitetes Implantat kann unter der Haut eingepflanzt werden und soll zu natürlicheren Ergebnissen führen als Ohr-Prothesen aus Kunststoff. Als Basis nutzen die Kaufbeurer ein Polyurethan mit einer zu 78 % offenen Oberfläche, das zu 90 % aus Poren besteht und daher gut besiedelt werden kann. In Wasser quillt es kaum auf, es ist sehr elastisch und wird langsam im Körper abgebaut – setzt dabei allerdings weniger Säure frei als ein Polylactid. Die entscheidenden Kniffe lagen darin, die richtigen Ausgangs- und Zusatzstoffe für einen Schaum zu finden, der solch speziellen Anforderungen genügen sollte.
Dass es auf der Suche nach Materialien, die für den Zellkontakt geeignet sind, die eine oder andere Überraschung geben könnte, zeigen Ergebnisse der Forscher vom Institut für Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie (IMT) in Jena. Sie haben das Zellwachstum auf Epoxiden beobachtet und festgestellt, dass die Zellen eine Vorliebe für diesen als giftig eingestuften Stoff entwickelten. Er kam überhaupt nur ins Spiel, weil die Jenaer ihn als Hilfsstoff einsetzen wollten. Auf dem Weg zu neuen Implantat-Werkstoffen beschichten und strukturieren sie Implantate mit speziellen Eiweißen. Diese Eiweiße – extrazelluläre Matrixproteine (ECM) genannt – sind nur wenige Nanometer dick und halten im natürlichen Gewebe die Zellen zusammen. Sie, so hofften die Forscher, sollten das Zellwachstum fördern und es den menschlichen Zellen erleichtert, sich mit dem Implantat zu verbinden. Die Materialoberflächen zwischen den ECM-Eiweißen füllten sie mit künstlichen Epoxiden auf. „Epoxide sind als eher unzuträglich für die Gesundheit bekannt“, sagt Dr. David Trimbach. Bisher werden sie zur Herstellung von Kleb- oder Verbundstoffen genutzt. Doch die Körperzellen zogen im Test das Epoxid den natürlichen Matrixproteinen vor.
Weitere Tests sollen in den kommenden Jahren zeigen, ob Epoxid-beschichtete Implantate auch im menschlichen Körper zu einer besseren Anpassung führen. Sollten auch hier die Zellen den Kunststoff vorziehen, hätte das enorme wirtschaftliche Folgen: Das bisher für die Beschichtung von Implantaten verwandte ECM-Eiweiß ist teuer und kann nur sehr sparsam eingesetzt werden. Epoxide hingegen sind kostengünstig. Das mache Hoffnung, dass zukünftig Implantate viel preiswerter als bisher hergestellt werden können. op
Weitere Informationen Innovative Materials Forum: www.new-materials.de Institut für Pathologie, Uni Mainz: www-klinik.uni-mainz.de/pathologie/ Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung: www.mpikg-golm.mpg.de Polymaterials: www.polymaterials.de Institut für Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie: www.matwi.uni-jena.de/

Ihr Stichwort
• Regenerative Medizin
• Herausforderung für Werkstoffe
• Nanofasern • Polyurethanschaum • Epoxide

Schlaue Polymere
Mit Werkstoffen besonderer Art, den so genannten Smart Polymers, die auf Wunsch ihre Konsistenz ändern, befasst sich Daniel Cohn vom Casali Institute of Applied Chemistry der Hebrew University in Jerusalem – ein weiterer Referent der Bayreuther Tagung. „Was wir suchen, ist im Prinzip eine Art Koffer auf Nanoebene, in den wir etwas hineintun können, das wir abschicken und das an vorbestimmter Stelle wieder ausgepackt wird.“
Einen Werkstoff, der die dafür geforder- ten Eigenschaften aufweist, nimmt seine Arbeitsgruppe derzeit unter der Lupe. Durch Temperaturwechsel lassen sich zum Beispiel Größenänderungen im Nanomaßstab hervorrufen. Nach chemischen Änderungen sei die Viskosität durch die Temperatur ebenfalls stark beeinflussbar – und aus einem solchen Werkstoff ließen sich auch auf der Makroebene interessante Produkte bilden, wie Cohn am Beispiel eines Schlauches zeigte, der Drücke weit über denen im Blutgefäßsystem aushält.
Weitere Informationen: chem.ch.huji.ac.il/ casali/faculty.htm
Mit schlauen Polymeren, die auf Temperatur reagieren und einen Memory-Effekt aufweisen, arbeiten auch Wissenschaftler am Institut für Werkstoffwissenschaften der TU Berlin. Das Prinzip ihres polymeren Stents beruht darauf, dass ein Kunststoffröhrchen in die Länge gereckt wird und dabei einen kleinen Durchmesser annimmt. Diese Form behält es bei, bis es sich durch Wärmezufuhr bei Körpertemperatur wieder aufweitet.
Weitere Informationen: www.ptk.tu-berlin.de
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