Thermoplastisches Biomaterial „Feinabgestimmt“ für medizinische Anwendungen

Forschern der britischen University of Birmingham und der US-amerikanischen Duke University ist es gelungen, ein neues thermoplastisches Biomaterial so abzustimmen, dass sowohl seine Abbaugeschwindigkeit im Körper als auch seine mechanischen Eigenschaften unabhängig voneinander gesteuert werden können. Das Material ist eine Art Polyester und wurde für den Einsatz in der Weichgewebereparatur oder in der flexiblen Bioelektronik entwickelt.

Materialien, die erfolgreich die notwendige Elastizität und Festigkeit von biologischem Gewebe reproduzieren, die sich aber auch über einen angemessenen Zeitraum biologisch abbauen, sind äußerst schwierig zu entwickeln. Dies liegt daran, dass die Chemie, die verwendet wird, um die mechanischen Eigenschaften eines Materials zu erzeugen, normalerweise auch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der es abgebaut wird.

Dieses Forschungsteam hat die Technologie weiterentwickelt, indem es gezeigt hat, wie die Zugabe von Bernsteinsäure – einem im Körper natürlich vorkommenden Produkt – verwendet werden kann, um die Abbaurate zu kontrollieren.

In einer neuen Studie, veröffentlicht in Nature Communications, Forscher zeigten, wie das Polyester-Biomaterial über einen Zeitraum von vier Monaten allmählich abgebaut wird, wobei gesundes Gewebe in das Implantat einwächst und es schließlich ersetzt. Auch Tests an Ratten wurden durchgeführt, um die Biokompatibilität und Sicherheit des Materials zu bestätigen. Durch Variation der Bernsteinsäuremengen konnte das Team die Geschwindigkeit steuern, mit der Wasser in das Material eindringt und damit die Abbaugeschwindigkeit. Normalerweise würden die strukturellen Veränderungen, die die Abbaugeschwindigkeit erhöhen, zu einem Festigkeitsverlust führen, aber dieses Material wurde mit einer speziellen Stereochemie entwickelt, die Naturkautschuk nachahmt und eine genaue Kontrolle seiner mechanischen Eigenschaften ermöglicht . Dadurch kann ein etwaiger Festigkeitsverlust durch geeignete stereochemische Anpassungen ausgeglichen werden. Dies ist ein bedeutender Fortschritt, der bisher bei keinem anderen abbaubaren Biomaterial erreicht wurde.

Co-Autor der Studie Andrew Dove, Professor an der University of Birmingham, erklärt:„Biologische Gewebe sind komplex mit unterschiedlichen elastischen Eigenschaften. Seit Jahrzehnten wird an synthetischen Ersatzstoffen gearbeitet, die die richtigen physikalischen Eigenschaften aufweisen und auch im Körper abbauen können. Ein Teil der Herausforderung besteht darin, dass ein „one-size-fits-all“-Ansatz nicht funktioniert. Unsere Forschung eröffnet die Möglichkeit, biologische Implantate mit Eigenschaften zu entwickeln, die für jede spezifische Anwendung fein abgestimmt werden können.“

Der Duke University-Professor Matthew Becker, der eine Doppelfunktion in Chemie, Maschinenbau und Materialwissenschaften innehat, stellt fest, dass die Gemeinschaften der Biomaterialien und der regenerativen Medizin stark auf einige wenige Materialien beschränkt sind, denen die in dieser Studie berichtete Vielfalt an Eigenschaften fehlt. „Die von uns entwickelten Materialien bieten einen echten Fortschritt bei der laufenden Suche nach neuen Biomaterialien. Die abstimmbare Natur des Materials macht es für eine Reihe verschiedener Anwendungen geeignet, von Knochenersatz über Gefäßstents bis hin zu tragbarer Elektronik. Weitere Arbeiten zum Nachweis der Biokompatibilität des Materials und seiner Verwendung in fortgeschritteneren Demonstrationen sind im Gange.“

Die Forschung wurde von der National Science Foundation, der John S. and James L. Knight Foundation, der European Research Foundation und dem National Health and Medical Research Council of Australia finanziert.

Inzwischen ist die Technologie Gegenstand internationaler Patentanmeldungen der University of Warwick und der Akron University.