Behandlung von Knieverletzungen 3D-Biodruck: Drucktinten mit Knorpelzell-Implantaten gegen Arthrose

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Unbehandelte Knorpeldefekte im Knie können zu Arthrose führen. 3D-Biodruck mit speziellen Drucktinten, die körpereigene Knorpelzellen enthalten, soll Abhilfe schaffen.

Sportliche Aktivitäten sind gesund und können das Leben verlängern. Doch zum Beispiel eine regelmäßige falsche Belastung des Bewegungsapparats beim Sport kann zu Verletzungen führen. Oft betrifft dies den Knorpel in den Kniegelenken. Unbehandelte Knorpeldefekte können im Alter zu Arthrose führen –  für die es aktuell jedoch keine wirksame Therapie gibt. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP arbeiten an einem 3D-Biodruck, der Betroffenen Linderung bringen soll.

Das Problem bei Knorpelschäden im Knie oder anderen Gelenken ist, dass Knorpel keine Blutgefäße besitzen und damit nur eine geringe Fähigkeit zur Selbstheilung haben. Eine bislang bewährte Methode zur Behandlung solcher Defekte ist die Transplantation von körpereigenen Knorpelzellen: Hierbei werden gesunde Knorpelzellen aus einem weniger beanspruchten Bereich des betroffenen Gelenks entnommen, im Labor vermehrt und anschließend in den geschädigten Bereich des Knorpels transplantiert. Doch diese Technik ist nicht allen Fällen anwendbar, etwa bei großen Knorpelschäden.

3D-Biodruck: Biologisches Gewebe in einem dreidimensionalen Format 

Der 3D-Biodruck, auch Bioprinting genannt, eröffnet hier laut den Forschern des Fraunhofer IAP enorme Potenziale. Die Technologie ermöglicht es, biologisches Gewebe in einem dreidimensionalen Format herzustellen. Wie bei herkömmlichen Verfahren der additiven Fertigung werden beim 3D-Biodruck Schichten von Materialien zu einer bestimmten Struktur aufgebaut. Allerdings werden als Drucktinten Biomaterialien verwendet, in die sogar lebende Zellen eingebettet sein können.

Unser Ansatz, die Knorpelzellen zu verdrucken, geht über herkömmliche Verfahren hinaus, denn wir bringen die biologische Komponente – also die Knorpelzellen – direkt in Form.

Prof. Ursula Anderer, Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU)

„Im Projekt BioPol-3D entwickeln wir Tinten für den 3D-Biodruck, die bereits die Knorpelzellen des  Patienten enthalten. Die Zellen sind dabei in ein Hydrogel eingebettet. Diese Biotinten können während oder nach dem Druck vernetzt oder stabilisiert werden, um die gewünschte Form und Struktur zu erzeugen“, erklärt Professor Ruben R. Rosencrantz, Leiter des Forschungsbereichs „Life Science und Bioprozesse“ am Fraunhofer IAP und Inhaber des Lehrstuhls „Biofunktionelle Polymermaterialien“ an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU).

Als Hydrogelmatrix setzen die Forscher unter anderem auf Glykopolymere. Diese werden eigens synthetisiert und eignen sich hervorragend dafür, die natürliche Umgebung von Knorpelzellen im Körper nachzubilden. Bislang kamen Glykopolymere jedoch nicht als Konstruktionsmaterial zum Einsatz. Im Rahmen des Projekts untersucht das Team, wie gut sich die Glykopolymere bezüglich ihrer Material- und Verarbeitungseigenschaften für den 3D-Biodruck eignen, und optimiert sie dafür. 

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Drucken direkt in Form

„Unser Ansatz, die Knorpelzellen zu verdrucken, geht über herkömmliche Verfahren hinaus, denn wir bringen die biologische Komponente – also die Knorpelzellen – direkt in Form“, ergänzt Professorin Ursula Anderer, die die Arbeitsgruppe „Zellbiologie und Tissue Engineerin“ an der BTU leitet . Es werde also nicht erst ein Gerüst gedruckt, auf dem später Zellen angesiedelt werden.

„Es gibt eine Vielzahl an Parametern, die wir berücksichtigen müssen, um druckfähige Tinten zu entwickeln: Die empfindlichen Knorpelzellen müssen vital bleiben, die Tinten müssen biokompatibel und kontrolliert bioabbaubar sein und schließlich muss die gewünschte Knorpelform eine hohe Stabilität und Festigkeit aufweisen“, so Anderer. Das Ziel sei, eine fortschrittliche 3D-Zellkultur für die Therapie von Knorpelschäden zu etablieren und gleichzeitig die Herstellung solcher Formkörper durch additive Fertigung zu revolutionieren.

Das Projekt für den 3D-Biodruck startete im Januar 2024. Es wird mit rund 2 Millionen Euro durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

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