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Eine wirksame Behandlung und Reparatur von geschädigtem Knorpel stellt noch immer eine große Herausforderung für die heutige Medizin dar. Forscher der Duke University in den USA haben kürzlich ein neuartiges Verbundmaterial auf Hydrogelbasis entwickelt, das die Festigkeit und Haltbarkeit von natürlichem Knorpelgewebe erreicht. Die neue Entwicklung verspricht, die Grenzen der derzeitigen Knorpelreparaturtechniken zu überwinden.

Gelenkknorpel ist ein hochspezialisiertes Gewebe, das im menschlichen Körper eine entscheidende Rolle spielt. Gesunder Knorpel sorgt für reibungsarme Bewegungen und gewährleistet eine effiziente Lastaufnahme und Gewichtsverteilung in den Skelettgelenken.

Knorpel – ein Wunder der Natur

Natürlicher Knorpel besteht aus spärlich verteilten Chondrozytenzellen, die in die extrazelluläre Matrix des Knorpels eingebettet sind. Sie besteht hauptsächlich aus Wasser (60-85 Gew.-%), 15-22 Gew.-% Typ-II-Kollagen (eines der primären Bindegewebe des Körpers) und 4-7 Gew.-% Glykosaminoglykanen (lange lineare Polysaccharidmoleküle).

Diese drei miteinander verflochtenen Komponenten verleihen dem Knorpelgewebe seine einzigartigen Eigenschaften. Mit einer durchschnittlichen Dicke von 2,2 mm durchdringt der Knorpel teilweise das darunter liegende poröse Knochengewebe, überzieht die Knochenoberfläche und sorgt für eine reibungsarme Bewegung im Gelenk. Gleichzeitig ist der Knorpel hochgradig verformbar, was eine effektive Lastverteilung durch Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen im gesamten Gelenk erleichtert.

Knochen- und Gelenktraumata haben erhebliche Auswirkungen auf die moderne Gesellschaft

Knorpelgewebe hat keine Blutgefäße, was zu einer schlechten Nährstoffversorgung und einem langsamen Abtransport von Abfallprodukten (abhängig von der Diffusion durch die Knorpelmatrix) sowie zu einer Verringerung der Stoffwechselaktivität der Chondrozyten führt. Dies schränkt die Selbstregeneration und die intrinsische Reparatur ein.

Neben dem normalen Knorpelverschleiß nach jahrzehntelangem Gebrauch tragen Knochen- und Gelenkverletzungen im Zusammenhang mit sportlichen Aktivitäten und Verkehrsunfällen erheblich zur Nachfrage nach Knorpelreparaturbehandlungen und -produkten auf der ganzen Welt bei, wobei in den USA jedes Jahr über 600.000 Kniegelenkersatzoperationen durchgeführt werden und der weltweite Markt für Knorpelreparaturen im Jahr 2018 einen Wert von 4.Der weltweite Markt für Knorpelreparaturen wird im Jahr 2018 auf 4,80 Mrd. USD geschätzt.

Die derzeit gängigsten Behandlungen von geschädigtem Knorpelgewebe bieten nur kurzfristige symptomatische Linderung (durch Entfernung loser Teile des geschädigten Knorpels oder durch Transplantation von Spenderknorpel) oder erfordern den Ersatz des geschädigten Gelenks durch ein künstliches. Alle diese Methoden haben typischerweise hohe Ausfallraten (25-50 % nach 10 Jahren) und erfordern lange Rehabilitationszeiten (12 Monate oder länger).

Die Grenzen der derzeitigen Strategien zur Knorpelreparatur und -regeneration haben intensive biomedizinische F&D-Anstrengungen sowohl akademischer als auch industrieller Forschungsgruppen ausgelöst, die darauf abzielen, Ersatzmaterialien mit ähnlichen biomechanischen Eigenschaften wie natürlicher Knorpel zu entwickeln.

Smarte Materialien können helfen, beschädigten Knorpel zu reparieren

Verschiedene biokompatible und nicht abbaubare technische Materialien wie Kobalt-Chrom-Legierungen, Keramiken und ultrahochmolekulares Polyethylen werden derzeit als Knorpel- oder Gelenkersatz verwendet. Diese Materialien weisen jedoch im Vergleich zu natürlichem Knorpel deutlich andere mechanische Eigenschaften auf und haben oft negative Auswirkungen auf die umgebende Knochenstruktur.

Seit den 1970er Jahren haben Hydrogele (hoch hydratisierte Netzwerke aus vernetzten hydrophilen Polymeren) aufgrund ihrer Biokompatibilität, ihres hohen Wassergehalts und ihrer geringen Permeabilität, was zu einer außergewöhnlichen Schmierfähigkeit führt, sowie ihrer geringen Proteinadsorption die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler als Knorpelersatzmaterialien auf sich gezogen.

Die Hauptnachteile dieser Materialien sind die fehlende Bruchfestigkeit und der unzureichende Elastizitätsmodul, der erforderlich ist, um die erwartete Belastung im Gelenk zu tragen.

Eine Forschungsgruppe an der Duke University unter der Leitung der Professoren Benjamin Wiley und Ken Gall hat ein neuartiges Verbundmaterial auf Hydrogelbasis entwickelt, das die physikalischen Eigenschaften und das Verhalten von natürlichem Knorpelgewebe nachahmt.

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Weich und stark wie natürlicher Knorpel

Natürlicher Knorpel inspiriert die Struktur des neuen Verbundstoffs. Das Hydrogel besteht aus einem Netzwerk aus bakteriellen Zellulose-Nanofasern (BC), die in ein Doppelnetzwerk-Hydrogel aus vernetztem Poly(vinylalkohol) (PVA) und Poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propansulfonsäure-Natriumsalz) (PAMPS) eingearbeitet sind.

Die drei sich gegenseitig durchdringenden Netzwerke arbeiten zusammen, um die biomechanischen Eigenschaften des Materials zu gewährleisten. Das BC-Netzwerk trägt zur Zugfestigkeit bei (ähnlich wie Kollagen im Knorpel), während die PVA- und PAMPS-Netzwerke für die Retention des erforderlichen Wassers (59 Gew.-%) sorgen und die viskoelastische Energiedissipation, die elastische Rückstellkraft (analog zum Glykosaminoglykan-Netzwerk im Knorpel) und die gleichmäßige Spannungsverteilung im BC-Netzwerk gewährleisten.

Verbund-Hydrogel mit hervorragenden biomechanischen Eigenschaften

In der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials beschreiben Prof. Wiley und seine Mitarbeiter, dass das neue biomimetische Hydrogel das erste technische Material ist, das die Festigkeit und den Elastizitätsmodul von natürlichem Knorpel sowohl bei Zug als auch bei Druck erreicht.

Mechanische Tests haben gezeigt, dass das neue Verbund-Hydrogel unter Druck einen ähnlichen Elastizitätsmodul wie Knorpel hat und die gleiche zeitabhängige mechanische Reaktion zeigt. Unter einer Druckbelastung von 1,43 MPa wies das neue Material eine Dehnung von weniger als 5 % auf. Zum Vergleich: Die Druckbelastung im Kniegelenk eines 90 Kilogramm schweren, gehenden Menschen beträgt etwa 2,5 MPa.

Dauerhafte Alternative zu herkömmlichen Knorpelersatzmaterialien

Gleichzeitig ist der Reibungskoeffizient des Materials 45 % niedriger als der von Knorpel und hat eine 4.4 mal höhere Verschleißfestigkeit als reine PVA-Hydrogele (die derzeit als Knorpelersatz verwendet werden) und weist eine Ermüdungsfestigkeit nach 100.000 Belastungszyklen auf, die der des natürlichen Knorpels entspricht.

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Die drei Bestandteile des Hydrogel-Verbundstoffs haben sich bereits als biokompatibel erwiesen, und erste Kompatibilitätstests deuten darauf hin, dass das Material für im Labor gezüchtete Zellen ungiftig ist.

Schritte in Richtung realer Anwendungen

Als nächsten Schritt will das Forscherteam ein Implantat entwickeln, das für In-vivo-Tests an Tieren geeignet ist. Sie gehen davon aus, dass das neue Knorpelersatzmaterial innerhalb von drei Jahren in kommerziellen Therapien als bessere Alternative zu den herkömmlichen Knorpelreparaturbehandlungen oder Knieersatzoperationen eingesetzt werden kann.

Referenzen und weiterführende Literatur

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