Friedrich-Schiller-Universität Jena

Forscher entwickeln selbstheilenden Knochenzement

Wissenschaftler haben einen Knochenersatz auf Kalziumphosphat-Zement-Basis entwickelt, der mit Kohlenstofffasern verstärkt ist. Diese erhöhen die Schadenstoleranz und bewirken, dass sich Risse im Material von selbst auffüllen. Das könnte auch für die MKG-Chirurgie bedeutsam sein.

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen des neuen Kalzium-Phosphat-Zements, der beschädigt, geheilt und erneut beschädigt wurde, in der Übersicht (a) sowie eine detaillierte Ansicht der Mineralisierung im Riss (b) sowie für einen Vergleichszement (c) und (d). Creative Commons 4.0 / https://www.nature.com/articles/s41598-020-66207-2/figures/7

Wissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität Jena haben jetzt ein Knochenersatzmaterial entwickelt, das sich selbst heilen können soll. Über ihre Forschungsergebnisse berichten sie im Forschungsmagazin Scientific Reports

Der Nachteil: Das Material ist sehr spröde

Dabei konzentrierten sich die Jenaer Experten mit Kollegen der Universität Würzburg auf sogenannten Kalziumphosphat-Zement – einen Knochenersatzstoff, der in der Medizin bereits häufig zum Einsatz kommt. Denn dieses Material regt einerseits die Knochenbildung an und steigert das Einwachsen von Blutgefäßen. Andererseits lässt es sich minimalinvasiv als Paste in den Körper einbringen, wo es sich wegen seiner Verformbarkeit eng an die Knochenstruktur anpasst.

„Aufgrund seiner hohen Sprödigkeit bilden sich im Material jedoch bei zu großer Belastung Risse, die sich schnell weiter öffnen, das Implantat destabilisieren und schließlich zerstören können – ähnlich wie bei Beton an Gebäuden“, erklärt Prof. Dr. Frank A. Müller von der Universität Jena. „Deshalb wird Kalziumphosphat-Zement bisher hauptsächlich an Knochen eingesetzt, die keine lasttragende Rolle im Skelett einnehmen, etwa im Mund- und Kieferbereich.“

Die Fasern sollen die Risse wieder verschließen

Die Forscher haben nun einen Kalziumphosphat-Zement entwickelt, bei dem sich mögliche Risse nicht zu katastrophalen Schäden entwickeln, sondern das Material sie dank beigemengter Kohlenstofffasern selbst wieder verschließt.

„Diese Fasern erhöhen zum einen die Schadenstoleranz des Zements enorm, da sie entstehende Risse überbrücken und so verhindern, dass sich diese weiter öffnen“, erklärt Müller. „Zum anderen haben wir die Oberfläche der Fasern chemisch aktiviert. Das bedeutet, sobald die offenliegenden Fasern in Kontakt mit Körperflüssigkeit kommen, die sich durch die Rissbildung in den entstandenen Öffnungen sammelt, wird ein Mineralisierungsprozess initiiert. Der dabei entstehende Apatit – ein generell wichtiger Grundbaustein des Knochengewebes – verschließt den Riss dann wieder.“

Diesen Prozess haben die Forscher im Rahmen ihrer Experimente nachgestellt, indem sie den Kalziumphosphat-Zement gezielt schädigten und in simulierter Körperflüssigkeit ausheilten. Dank dieser intrinsischen Selbstheilungsfähigkeit – und der mit der Faserverstärkung verbundenen größeren Belastbarkeit – könnten sich die Anwendungsgebiete für Knochenimplantate aus Kalziumphosphat-Zement erheblich erweitern und möglicherweise zukünftig auch lasttragende Skelettbereiche umfassen. 

Anne V. Boehm, Susanne Meininger, Uwe Gbureck, Frank A. Mueller (2020): Self-healing capacity of fiber-reinforced calcium phosphate cements, Scientific Reports, DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-020-66207-2

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