Wo Knochen gerne wachsen

Bei rund 15 % aller Operationen am Skelettsystem ist der Einsatz von Knochenersatz notwendig. Körpereigene Knochensubstanz ist aber nur begrenzt verfügbar und zur Entnahme ist ein zusätzlicher Eingriff nötig. Eine Möglichkeit, dies zu umgehen, ist das Züchten von Knochensubstanz mittels Tissue Engineering. Lebende Zellen werden dafür in vitro kultiviert und vermehrt. Um die dreidimensionale Struktur zu erzeugen, sind Trägerstrukturen (Scaffolds) zur Zellbesiedlung notwendig, die exakt die gleiche Geometrie und Konfiguration wie das fehlende Knochenteil haben. Nur wenn sich innerhalb des porösen Scaffolds ein Gefäßsystem ausbilden kann, lässt sich ein Knochenstück mit körperähnlichen Eigenschaften erzeugen. Textile Materialien, wie sie bereits bei der Implantatherstellung zum Einsatz kommen, können hier sehr gut verwendet werden.

Zur Herstellung komplexer dreidimensionaler Scaffolds wurde am Institut für Textil- und Bekleidungstechnik (ITB) der Technischen Universität Dresden das Verfahren „Net Shape Nonwoven“ (NSN) entwickelt, das die Vorteile der generativen Techniken nutzt. Durch zusammengebundene kurze Textilfasern entsteht eine dreidimensionale Struktur, die sehr porös und zugleich steif ist. Beim NSN-Verfahren ist keine Negativform (Gesenk) notwendig, sodass es den generativen Verfahren zugeordnet werden kann und den Rapid-Prototyping-Technologien ähnelt. Das maßgeschneiderte Scaffold wird direkt aus den Daten der dreidimensionalen Geometrie erzeugt, die etwa aus CT-Bildern stammen können. Diese Geometrie wird in einem CAD-System in verschiedene Ebenen zerlegt, die wiederum aus parallelen Rasterlinien aufgebaut werden. Die Verläufe dieser Linien werden in einen NC-Code übersetzt und geben die Fahrwege der Klebstoffdüse an, die die später aufgestreuten Fasern zusammenklebt. Nach dem Aushärten unter UV-Licht wird der Prozess auf der nächst höheren Ebene fortgesetzt. So wird das Scaffold schichtweise aufgebaut, bis die Geometrie des Knochenersatzstücks erzeugt wurde.

Die am ITB mit dem NSN-Verfahren hergestellten Scaffolds weisen eine Porosität von durchschnittlich 91 % auf. Dies ermöglicht eine sehr dichte Zellbesiedlung, was wiederum zu einer hohen Festigkeit der Knochenstücke führt. Höhere Porositäten bis rund 98 % lassen sich mit feineren Fasern realisieren. Durch das direkte Erzeugen der individuellen Geometrie besitzt das NSN-Verfahren starke Vorzüge hinsichtlich des Zeit- und Kostenaufwands bei der Implantatherstellung. Aufgrund der Vielfalt der verwendbaren textilen Fasermaterialien kann eine biokompatible, resorbierbare und/oder nicht abbaubare Vliesstoffstruktur erzeugt werden. Aktuelle Forschungsschwerpunkte liegen auf dem Prozess zur anforderungsgerechten Verarbeitung der resorbierbaren Fasermaterialien (wie PHB, PLA) und der Herstellung komplexer Scaffolds sowie deren zellbiologischen Untersuchungen.

Weitere Informationen http://tu-dresden.de/mw/itb