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Fragestellung: Kontinuitätsunterbrechende Knochendefekte werden nach wie vor als Goldstandard mit der Transplantation von autologem Knochenmaterial behandelt. Die Entwicklung eines Knochenersatzmaterials mit ausreichender Belastungsstabilität für große Defekte und gleichzeitig hohen osteokonduktiven- und induktiven Eigenschaften stellt eine bisher nicht gelöste Herausforderung dar, denn: Die Besiedlung und Durchbauung mit Knochenzellen aus angrenzendem Knochengewebe funktioniert am besten in weichen Materialien, welche aber inhärent nicht mechanisch belastbar sind. Wir haben daher untersucht, inwiefern sich weiche, osteokonduktive- und induktive Biopolymere mit mechanisch belastbaren Scaffolds formstabil verbinden lassen. In dieser Studie wurden die Vitalität und die Matrixsynthese von ossären Zellen in einem Scaffold mit stabilen und weichen Anteilen untersucht. Ziel der Studie war die Entwicklung einer Scaffoldarchitektur, die bei gleichzeitiger mechanischer Stabilität ausreichendes Volumen für zellfreundliches Weichmaterial bietet und dort einen hohen Grad an Nährstoffperfusion ermöglicht.

Methodik: Verschiedene Scaffoldarchitekturen wurden mittels CAD in-silico iteriert und anschließend unter sterilen Bedingung additiv im Extrusionsverfahren mit einem 3D- Drucker aus PLA Polymer hergestellt. Parallel wurden osteoblastische Vorläuferzellen kultiviert und in unterschiedlicher Dichte in ein UV-polymerisierbares Hydrogel auf Gelatinebasis eingesät. Nach Beladung der Hydrogele mit Zellen wurden diese im Gussverfahren in die Scaffolds eingebracht und dort mit lowdose UV-Strahlung im Scaffold fixiert.

Die Scaffolds wurden 28 Tage jeweils in osteoinduktivem- und nicht osteoinduktivem Medium kultiviert und nach 7, 14, 21 und 28 Tagen mittels konfokaler Laserscanning-Mikroskopie, Histochemie und quantitativer Real-Time PCR auf Vitalität, Zellverteilung und osteogene Differenzierung der eingebrachten Zellen sowie der Synthese von Knochenmatrix untersucht.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: In einem der Scaffolds mit einer segmentierten Dreiecks-Architektur wiesen die eingebrachten Zellen nach 28 Tagen eine Vitalität von über 90% auf. Die Lasermikroskopie zeigte ubiquitär eine Ausbreitung der Zellen innerhalb der Weichkomponente. Die Analyse der Genexpression erbrachte in der osteoinduzierten Gruppe im Verhältnis zur Kontrollgruppe einen signifikanten Anstieg der ossären Differenzierungsmarker über 28 Tage. Die histologische Analyse zeigte in der osteoinduzierten Gruppe bereits nach 21 Tagen eine deutliche Bildung von kollagenen Knochenfasern und deren Anreicherung mit Hydroxylapatit.

Zusammenfassend sind hybride Scaffolds aus harten Exoskeletten und osteokonduktiven Weichmaterialien ein vielversprechender Ansatz in der Entwicklung neuartiger Implantate für Knochendefekte. In unserer Studie zeigen wir insbesondere die Bedeutung der Mikroarchitektur des Scaffolds für dessen Eigen-schaft, erfolgreich Zellpopulationen zu inkooperieren und deren gewebespezifische Differenzierung- und Matrixbildung zu ermöglichen.