Dyna-Implant – Personalisierte orthopädische Implantate durch biomechanische Stimulierung von hybriden Materialien

Hybride Hydrogele – Personalisierbare Materialien als Knorpelersatz

Das Interesse an personalisierten Therapien zur Behandlung von Verletzungen oder altersbedingter Degeneration des Knorpelgewebes ist groß. Individuelle biologische Knorpelimplantate bieten den Vorteil, dass sie Gewicht und körperliche Aktivität des Patienten berücksichtigen und die Neubildung von Knorpel unterstützen. Zur Realisierung solcher Knorpelersatzmaterialien wurden im Projekt Dyna‑Implant durch das Fraunhofer IPA die physikalischen Eigenschaften des zu implantierenden Gewebeersatzes biomechanisch simuliert.

Das Fraunhofer IGB stellte gelatinebasierte hybride Hydrogele her, die die natürliche Gewebeumgebung von Knorpelzellen nachbilden und so die Biofunktionalität und Matrixproduktion der Zellen begünstigen. Dabei wurde ein additives Verfahren entwickelt, mit dem Hydrogellösungen mit einem Gradienten an knorpelspezifischen Proteoglykanen zu einem biomimetischen zonalen Hydrogel vereint werden können. Die zellhaltigen Hydrogele konnten mit einer mechanischen Festigkeit von bis zu 170 kPa hergestellt und anschließend in einem vom IPA konstruierten Bioreaktor unter dynamischer Kompression kultiviert werden.

Die Fixierung der Gewebeäquivalente an das natürliche Gewebe stellt eine weitere Herausforderung in der Behandlung von Knorpeldefekten dar. Zur Verklebung der entwickelten Knorpelmaterialien mit dem biologischen Gewebe wurden die Hydrogeloberflächen so modifiziert, dass sowohl mit als auch ohne kommerzielle Gewebekleber eine initiale Haftung erreicht wurde. Hierzu wurden Oberflächenmodifizierungen mit blutgerinnungsfördernden Eigenschaften eingesetzt.