Gerry Koons, Doktorand am Rice and Baylor College of Medicine, bereitet einen 3D-gedruckten Bioreaktor für Tests vor. (Kredit: Jeff Fitlow / Reis)
Eine neue Technik züchtet lebenden Knochen, um Schädel-Gesichts-Verletzungen zu reparieren, indem ein 3D-gedruckter Bioreaktor - im Grunde genommen eine Form - an einer Rippe angebracht wird.
Stammzellen und Blutgefäße aus der Rippe infiltrieren das Gerüstmaterial in der Form und ersetzen es durch natürlichen Knochen, der an den Patienten angepasst ist.
Der Bioingenieur Antonios Mikos, ein Pionier auf dem Gebiet des Tissue Engineering, und seine Kollegen haben Technologien kombiniert, die sie in einem jahrzehntelangen Programm entwickelt haben. Ziel ist es, die kraniofaziale Rekonstruktion voranzutreiben, indem die natürlichen Heilkräfte des Körpers genutzt werden.
Die Forscher entwickelten eine Technik zur Herstellung passgenauer Knochenimplantate zur Reparatur von Kieferknochenverletzungen an der Rippe eines Patienten. (Bildnachweis: Mikos Research Group)
Die Technik wird entwickelt, um derzeitige Rekonstruktionstechniken zu ersetzen, bei denen Knochentransplantatgewebe aus verschiedenen Bereichen eines Patienten wie Unterschenkel, Hüfte und Schulter verwendet werden.
Knochenersatz
„Eine wichtige Neuerung dieser Arbeit ist die Nutzung eines 3D-gedruckten Bioreaktors zur Bildung von Knochen, der in einem anderen Körperteil gewachsen ist, während wir den Defekt auf die Aufnahme des neu erzeugten Gewebes vorbereiten“, sagt Mikos, Professor für Biotechnik sowie chemische und biomolekulare Verfahrenstechnik bei Rice Universität und Mitglied der National Academy of Engineering und der National Academy of Medicine.
"Frühere Studien ergaben eine Technik zur Herstellung von Knochentransplantaten mit oder ohne eigene Blutversorgung aus echtem Knochen, der in die Brusthöhle implantiert wurde", sagt Co-Autor Mark Wong, Professor, Vorsitzender und Programmdirektor der Abteilung für Mund- und Kieferchirurgie an der Schule der Zahnmedizin an der Universität von Texas Health Science Center in Houston.
„Diese Studie hat gezeigt, dass wir aus künstlichen Knochenersatzmaterialien lebensfähige Knochentransplantate herstellen können. Der wesentliche Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass Sie nicht den eigenen Knochen eines Patienten entnehmen müssen, um ein Knochentransplantat herzustellen, sondern dass andere nicht autogene Quellen verwendet werden können “, sagt er.
Gestrickt und bezogen
Um ihr Konzept zu beweisen, machten die Forscher einen rechteckigen Defekt im Unterkiefer von Schafen. Sie erstellten eine Vorlage für den 3D-Druck und druckten eine implantierbare Form und einen Abstandhalter aus PMMA, auch Knochenzement genannt. Das Ziel des Spacers ist es, die Heilung zu fördern und zu verhindern, dass Narbengewebe die Defektstelle ausfüllt.
Sie entfernten genügend Knochen von der Rippe des Tiermodells, um das Periost freizulegen, das als Quelle für Stammzellen und Gefäße diente, um Gerüstmaterial innerhalb der Form zu säen. Zu den Testgruppen gehörten gebrochene Rippen oder synthetische Calciumphosphatmaterialien, um das biokompatible Gerüst herzustellen.
Die Form mit der offenen Rippenseite zur Herstellung einer dichten Grenzfläche blieb neun Wochen lang an Ort und Stelle, bevor sie entfernt und an die Stelle des Defekts übertragen wurde, wobei der Abstandshalter ersetzt wurde. In den Tiermodellen wuchs der neue Knochen, der mit dem alten und dem weichen Gewebe verbunden war, um die Stelle herum und bedeckte sie.
Warum Rippen?
„Wir haben uns für die Verwendung von Rippen entschieden, da diese leicht zugänglich sind und eine reichhaltige Quelle an Stammzellen und Gefäßen darstellen, die in das Gerüst eindringen und zu neuem Knochengewebe wachsen, das dem Patienten entspricht“, sagt Mikos. "Es werden keine exogenen Wachstumsfaktoren oder Zellen benötigt, die den Zulassungsprozess und die Umsetzung in klinische Anwendungen erschweren würden."
Rippen bieten einen weiteren Vorteil. "Wir können potenziell neuen Knochen auf mehreren Rippen gleichzeitig anbauen", sagt Co-Autor Gerry Koons, Doktorand am Rice and Baylor College of Medicine, das derzeit in Mikos Labor arbeitet.
Laut Mikos war die Verwendung von PMMA für die Form und den Abstandhalter eine einfache Entscheidung, da es seit Jahrzehnten als Medizinprodukt für biologische Anwendungen zugelassen ist. Im Zweiten Weltkrieg, als Kampfflugzeuge PMMA-Windschutzscheiben verwendeten, bemerkten die Ärzte, dass Scherben, die in verletzte Piloten eingebettet waren, keine Entzündung hervorriefen, und hielten sie daher für harmlos. Während das ursprüngliche Ziel der Studie darin besteht, die Behandlung von Schlachtfeldverletzungen zu verbessern, umfasst das Gesamtbild auch zivile Operationen.
Die Ergebnisse erscheinen in der Proceedings of the National Academy of Sciences.
Über die Autoren
Weitere Mitautoren kommen von Rice; das Health Science Center der Universität von Texas in Houston; Baylor College of Medicine; Synthasome, Inc., San Diego; und Radboud University Medical Center, Niederlande.
Das Institut der Streitkräfte für Regenerative Medizin finanzierte die Forschung. Zusätzliche Unterstützung für die Forschung kam von den National Institutes of Health, der Osteo Science Foundation, dem Barrow Scholars Program und der Robert und Janice McNair Foundation.
Quelle: Rice University
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