Forschende der ETH Zürich haben ein neuartiges Hydrogel entwickelt, das mit Laserlicht in Rekordgeschwindigkeit zu hochpräzisen, knochenähnlichen Strukturen verfestigt werden kann. Das weiche, wasserreiche Material soll in Zukunft als biologisch abbaubares Implantat dienen, um die Heilung großer Knochenbrüche oder Defekte nach Tumorentfernungen zu verbessern.

Das Hydrogel besteht zu 97 Prozent aus Wasser und zu drei Prozent aus einem biokompatiblen Polymernetzwerk. Durch Zugabe eines speziell entwickelten Verbindungsmoleküls und eines lichtempfindlichen Initiators lässt es sich mit fokussierten Laserpulsen extrem schnell und präzise strukturieren. Die Verfestigung erfolgt nur in den bestrahlten Bereichen, nicht bestrahlte Teile können anschließend ausgewaschen werden. So entstehen Strukturen mit einer Auflösung von lediglich 500 Nanometern bei einer Schreibgeschwindigkeit von bis zu 400 Millimetern pro Sekunde – ein neuer Weltrekord für die Strukturierung von Hydrogelen.

Die ETH-Forschungsgruppe um Prof. Xiao-Hua Qin (Biomaterials Engineering) und Prof. Ralph Müller orientierte sich dabei an der natürlichen Knochenheilung: Nach einem Bruch bildet der Körper zunächst weiches, durchlässiges Gewebe (Hämatom und Fibrinnetz), das Zellen, Immunzellen und Nährstoffe einwandern lässt, bevor daraus harter Knochen entsteht. Das neue Hydrogel ahmt diesen Prozess nach und bietet eine poröse, knochenbälkchenartige Architektur mit feinen Kanälen – vergleichbar mit dem natürlichen Knochen, der pro Kubikzentimeter etwa 74 Kilometer tunnelartige Hohlräume enthält.

In Labortests besiedelten knochenbildende Zellen (Osteoblasten) das strukturierte Hydrogel rasch, produzierten Kollagen und zeigten keine Schädigung durch das Material. Die Biokompatibilität wurde bestätigt. Als Vorlagen für die komplexen Strukturen dienten Aufnahmen aus der medizinischen Bildgebung.

Im Vergleich zu herkömmlichen Implantaten – autologen Knochenstücken (Autografts), Metall- oder Keramikteilen – bietet das Hydrogel Vorteile: Es entfällt die Entnahme an einer zweiten Operationsstelle, es ist nicht zu starr wie Metalle und löst sich mit der Zeit im Körper auf, während neuer Knochen entsteht.

Das Basismaterial wurde patentiert. Die Forschenden planen als nächsten Schritt Tierversuche in Kooperation mit dem AO Forschungsinstitut Davos, um die Förderung der Zellmigration, die Integration ins Knochengewebe und die Wiederherstellung der mechanischen Stabilität im lebenden Organismus zu prüfen. Eine klinische Anwendung bei Patienten liegt noch in weiter Ferne.

Die Studie erschien in der Fachzeitschrift Advanced Materials.

Original Paper:

A Water‐Soluble PVA Macrothiol Enables Two‐Photon Microfabrication of Cell‐Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1 – Qiu – Advanced Materials – Wiley Online Library

Redaktion: X-Press Journalistenbüro GbR

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