Neues thermoplastisches Biomaterial bietet präzise Kontrolle über Abbau und mechanische Eigenschaften für medizinische Anwendungen

Forscher der Universität Birmingham (UK) und der Duke University (USA) haben einen neuartigen thermoplastischen Polyester entwickelt, der eine unabhängige Kontrolle über seine im Körper ablaufende Abbaurate und mechanische Leistung ermöglicht. Das Material ist auf Weichgewebereparatur und flexible Bioelektronik zugeschnitten.

Ein Biomaterial zu erreichen, das die Elastizität und Festigkeit nativer Gewebe nachbildet und gleichzeitig in einem klinisch relevanten Tempo abbaut, ist notorisch schwierig. Die Chemie, die mechanische Belastbarkeit verleiht, diktiert oft die Abbaukinetik.

Das Team demonstrierte, dass die Einbindung von Bernsteinsäure – einem natürlich vorkommenden Metaboliten – einen Hebel bietet, um die Abbaurate feinabzustimmen.

Die Studie, veröffentlicht in Nature Communications, berichtet, dass der Polyester über vier Monate stetig abbaut, während neues Gewebe einwächst und das Gerüst letztlich ersetzt. In-vivo-Tests an Ratten bestätigten die Biokompatibilität und Sicherheit des Materials. Durch Modulation des Bernsteinsäuregehalts regulierten die Forscher die Wasseraufnahme und damit das Abbau-tempo. Wichtig: Die ingenieurtechnisch gestaltete Stereochemie des Materials, modelliert nach Naturkautschuk, entkoppelt mechanische Festigkeit von Abbaurate, sodass Festigkeit durch stereochemisches Tuning erhalten oder wiederhergestellt werden kann – eine beispiellose Fähigkeit in abbaubaren Biomaterialien.

Professor Andrew Dove von der Universität Birmingham, Co-Autor der Studie, merkt an, dass biologische Gewebe ein breites Spektrum elastischer Verhaltensweisen aufweisen. „Synthetische Substitute zu entwerfen, die diese Eigenschaften nachbilden und gleichzeitig in situ abbauen, war lange eine gewaltige Aufgabe“, sagt er. „Eine universelle Lösung ist unzureichend; unsere Arbeit zeigt, dass Implantate nun mit anwendungsspezifischen Leistungsprofilen konstruiert werden können.“

Professor Matthew Becker von Duke, dessen Expertise Chemie, Maschinenbau und Materialwissenschaft umfasst, beobachtet, dass das Biomaterial-Feld durch eine enge Auswahl an Optionen begrenzt war. „Unsere Entwicklung markiert einen signifikanten Sprung nach vorne“, sagt er. „Die Einstellbarkeit des Materials öffnet Türen für diverse Anwendungen – von Knochentransplantaten und Gefäßstents bis zu tragbarer Elektronik. Wir verfolgen aktiv weitere Biokompatibilitätsstudien und anspruchsvollere Demonstrationen.“

Finanzierung wurde bereitgestellt von der National Science Foundation, den John S. & James L. Knight Foundations, dem European Research Foundation und dem National Health and Medical Research Council of Australia.

Die Technologie ist auch durch internationale Patentanmeldungen der Universität Warwick und der Akron University geschützt.