Orthopädie

[Arbeitsprobe]:

Wie aus Watte Knochen wird

Interview mit Prof. Dr. Wendelin J. Stark, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Institut für Chemie-/Bioingenieurwissenschaft

Klinisch orientierte Wissenschaftler in Zürich haben einen neuartigen Knochenersatz entwickelt. Er sieht aus und fühlt sich an wie Watte. Und er ist auch so zu handhaben, sagt der Chemiker und Bioingenieur Prof. Dr. Wendelin Stark.

Professor Stark, Sie und Ihre Kollegen haben ein neues Knochenersatzmaterial entwickelt. Worum handelt es sich dabei?

Prof. Dr. Wendelin J. Stark: Wir haben eine biodegradierbare Watte entwickelt, die nach Implantation das Signal an den Körper aussendet: Hier bitte spongiösen Knochen bilden! Im Vordergrund stand dabei die Aufgabe, ein gut zu handhabendes, verformbares Material zu entwickeln, das für den Operateur keinerlei zeitlichen Mehraufwand auslöst.

Wie sieht diese „Knochenwatte” aus und wie funktioniert sie?

Stark: Das Material ist optisch und mechanisch nicht von klassischer Watte zu unterscheiden. Bei einer Fraktur werden ja lokal Signale generiert, die die Knochenheilung anregen. Wir nützen diese „Gewebsintelligenz“ aus, indem wir selbst diese Signale setzen.

Und wie übermitteln Sie das Signal?

Stark: Wir brauchen Kalzium und Phosphat in Ionen-Form. Es ist uns gelungen, die beiden Grundbestandteile von Knochen so als „Watte“ zu binden, dass die Ionen erst im Knochen aktiv werden und dort kristallisieren. Die materialwissenschaftliche Erfindung, die das erst ermöglicht hat, ist eine Hochtemperatursynthese von kleinsten Biomaterial-Partikeln. Dabei entsteht ein feiner Staub: Nanopartikel aus glasartigem, hochreaktivem Kalziumphosphat. Dieses Material enthält noch viel thermische Energie, da es sich noch nicht in seinem thermodynamischen Gleichgewicht befindet. Kommen diese energiereichen Partikel im Körper mit Feuchtigkeit in Verbindung, bildet sich Hydroxylapatit, die thermodynamisch günstigste Form von Kalziumphosphat, genau so wie es der Organismus vorgibt.

Woraus besteht die „Watte“?

Stark: Aus einem bereits zugelassenen biodegradierbaren Polymer, einer Polymilchsäure. Daraus werden seit langem Schrauben und andere Implantate hergestellt. Die Kalziumphosphat-Nanopartikel vermengen wir mit dem Polymer, aus dem Polymer werden dünne Fasern gemacht und in die Form eine Wolle gebracht, sodass wir schließlich die Watte erhalten. In feuchtem Milieu fängt das Material an, Kalzium und Phosphat „auszuschwitzen“. Innerhalb von Stunden findet an der Oberfläche der Polymerfaser eine Mineralisierung statt. Diese Mineral/Polymer-Oberfläche motiviert das umliegende Gewebe, dort einen Spongiosa-artigen Knochen auszubilden. Vorteil der Watte ist vor allem die im Vergleich zu Spongiosa-Bröckchen oder „Knochen aus der Dose“ bessere Handhabung. Die Watte stopft man einfach dorthin, wo sie hin soll und dort hält sie dann auch.

Für welche Anwendungen ist die Watte geeignet?

Stark: Kieferchirurgen könnten nach Wurzelextraktionen die verbliebene Lücke im Kieferknochen durch präventive Implantation der Watte verstärken. Bei kiefer- und gesichtschirurgischen Eingriffen soll das Knochenersatzmaterial demnächst geprüft werden, um Verankerungspunkte für Implantate zu schaffen. Am Stütz- und Bewegungsapparat ist das Material dort interessant, wo spongiöser Knochen vorhanden ist, etwa nach Tumorextraktionen. Am Schaf haben wir schon kleinfingergroße Knochendefekte an den Vorder- und Hinterläufen erfolgreich versorgt.

Erschienen in: Extracta orthopaedica, Mai 2011