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Fragestellung: Die Behandlung von großen Knochendefekten ist ein Kernforschungsthema der Orthopädie und Unfallchirurgie. Bislang ist die Behandlung komplex, langwierig und teuer. Vor allem bei großen Knochendefekten stoßen die etablierten Methoden mit autologer Knochentransplantation an ihre Grenzen. Eine Lösungsstrategie für dieses Problem ist die Entwicklung eines neuartigen Knochenersatzes, der auf dem sogenannten Bone Tissue Engineering (BTE) Konzept basiert. Im Idealfall rekrutiert hierbei ein Knochenersatzmaterial (Scaffold), sobald es in den Knochendefekt eingebracht wurde, osteogene und angiogene Stammzellen (osteokonduktiv), steuert die Zelldifferenzierung und stimuliert schließlich die Knochen- und Gefäßbildung (osteoinduktive und angiogene Eigenschaften). Das Gerüstdesign und das Gerüstmaterial des Scaffolds haben einen erheblichen Einfluss auf das knochenregenerative Potenzial. In einer früheren Arbeit haben wir bereits ein 3D-druckbares, osteokonduktives, hierarchisch organisiertes Gerüstsystem entwickelt. Durch die Wahl des geeigneten Materials sollten nun noch osteoinduktive Eigenschaften integriert werden. Vielversprechend sind Verbundwerkstoffe aus Polylaktid (PLA) (Polymer)/Bioglas (BG) (Mineral/Ionenquelle). Frühere Studien zu PLA/BG-Verbundwerkstoffen haben einen BG-Anteil von 10 % nie überschritten, da eine Erhöhung der bioaktiven BG-Komponente die Druckfähigkeit des Verbundwerkstoffs negativ beeinflusst. Uns ist es nun gelungen einen neuartigen, 3D-druckbaren PLA/BG-Verbundstoff mit BG-Anteilen von bis zu 20 % zu entwickeln und in vitro zu charakterisieren.

Methodik: Mittels Extruder konnten Filamentstränge mit einem BG-Gehalt von 5%, 10% und 20% hergestellt werden. Deren Einfluss wurde anschließend in vitro an einem MSC-Pool (mesenchymale Stammzellen) untersucht. Im Fokus stand die Zelladhäsion (MTT-Test, Fluoreszenzmikroskopie), die Genexpression (osteogene Differenzierung, Inflammation; ELISA) und das immunostimulatorische Potential (Vollblutstimulationsassay).

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Es zeigt sich eine gute Zytokompatibilität des Materials. Mit steigendem BG-Gehalt nimmt die Besiedlungsdichte zu. Die metabolische Aktivität wird durch das Bioglas nicht beeinträchtigt. Die Genexpressionsanalysen sprechen für eine Stimulation der osteogenen Differenzierung. Gleichzeitig kommt es zu einer Suppression von inflammatorischen Genen. Durch ein Abfangexperiment mittels Chelator konnten durch das Filament freigesetzte Calcium-Ionen als Ursache für die Suppression identifiziert werden. Die Ergebnisse des Vollblutstimmulationsassays zeigen keine signifikante Entzündungsreaktion.

Durch höhere BG-Anteile in PLA/BG-Kompositen lässt sich die Bioaktivität und die Verträglichkeit verbessern.