Design and Fabrication of Bio-Inspired Bouligand-Structured Scaffold for Bone Tissue Engineering Applications

Wenn ein Knochen schwer bricht, müssen Ärzte oft das fehlende Stück durch ein Gerüst ersetzen, ein temporäres dreidimensionales Framework, das das Wachstum neuen Knochens leitet. Damit dies funktioniert, muss das Gerüst mehr als nur ein hohler Käfig sein; es muss stark genug sein, um Gewicht zu tragen, porös genug, um den Fluss von Blutgefäßen und Nährstoffen zu ermöglichen, und chemisch aktiv genug, um Zellen dazu zu bewegen, neues Gewebe aufzubauen. Die Natur hat dieses Problem bereits in den Schalen von Krustentieren und den Schuppen von Fischen gelöst, wo Materialschichten in einem Spiralmuster gedreht sind, um Strukturen zu schaffen, die sowohl zäh als auch flexibel sind. Wissenschaftler nennen dies die Bouligand-Struktur. Die Herausforderung für Ingenieure besteht darin, dieses natürliche Design so nachzubilden, dass es dem menschlichen Knochen ähnelt, ohne zu steif zu sein – was den umliegenden Knochen schwächen und auflösen könnte – oder zu schwach, um den Körper zu stützen.

Ein Forschungsteam am Vellore Institute of Technology in Indien setzte sich zum Ziel, ein neues Arten von Knochengerüst zu entwerfen und zu bauen, das diese Spiralarchitektur mit einer speziellen Mischung aus Materialien kombiniert. Sie wollten eine Struktur schaffen, die nicht nur Gewicht trägt, sondern auch winzige elektrische Signale erzeugt, wenn sie zusammengedrückt wird – eine Eigenschaft, die als Piezoelektrizität bekannt ist. Im menschlichen Körper erzeugt natürlicher Knochen diese elektrischen Signale, wenn er belastet wird, und diese Signale helfen dabei, den Knochenzellen zu sagen, dass sie wachsen und sich reparieren sollen. Um dies zu erreichen, mischten die Forscher eine knochenähnliche Keramik namens Hydroxylapatit mit einer piezoelektrischen Keramik namens Bariumtitanat und einer winzigen Menge des leitfähigen Kohlenstoffmaterials Graphen. Sie nutzten Computersimulationen, um Tausende von verschiedenen Kombinationen dieser Materialien und unterschiedliche Grade der Porosität zu testen, auf der Suche nach der perfekten Balance, bei der das Gerüst stark ist, Flüssigkeiten durchfließen lässt und genau die richtige Menge an Elektrizität erzeugt, um den Knochen zu heilen.

Die Forscher begannen damit, winzige Würfel ihrer Materialmischung zu modellieren, um vorherzusagen, wie die verschiedenen Inhaltsstoffe zusammen reagieren würden. Sie fanden heraus, dass das Hinzufügen von Bariumtitanat das Material steifer und elektrisch aktiver machte, während das Graphen half, die elektrische Ladung effizienter zu leiten. Sie entdeckten jedoch auch, dass zu viel des piezoelektrischen Materials schädlich für die Zellen sein konnte, weshalb das Finden der richtigen Menge entscheidend war. Sie skalierten diese Erkenntnisse dann hoch, um voll lebensgroße Gerüste mit einer spiraligen, geschichteten Struktur zu entwerfen. Mithilfe fortschrittlicher Computermodelle simulierten sie, wie diese Gerüste Druck standhalten würden und wie Wasser durch ihre Poren fließen würde. Die Simulationen zeigten, dass ein Gerüst mit 70 Prozent festem Material und 30 Prozent leerem Raum das beste Gleichgewicht bot. Dieses spezifische Design, bestehend aus einer Mischung von 90 Prozent Hydroxylapatit, 9,9 Prozent Bariumtitanat und 0,1 Prozent Graphen, entsprach der Steifigkeit von dichtem menschlichem Spongiosa-Knochen und erzeugte ein elektrisches Signal innerhalb des sicheren, vorteilhaften Bereichs für das Knochenwachstum.

Nachdem das Computermodell finalisiert worden war, ging das Team ins Labor, um es zu bauen. Sie mischten die Keramikpulver mit einem flüssigen Bindemittel zu einer dicken Paste, ähnlich wie ein schwerer Ton, die sie in einen 3D-Drucker füllten. Der Drucker arbeitete wie eine hochpräzise Heißklebepistole und drückte die Paste Schicht für Schicht in dünnen Strängen aus. Die Forscher mussten die Druckgeschwindigkeit und den Druck, mit dem die Paste herausgedrückt wurde, sorgfältig abstimmen, um sicherzustellen, dass die Stränge ihre Form behielten, ohne einzustürzen oder zu stark zu zerfließen. Sie testeten verschiedene Konzentrationen des Bindemittels, um dasjenige zu finden, das es den Strängen ermöglichte, unmittelbar nach dem Drucken fest zu bleiben. Mit den richtigen Einstellungen druckten sie erfolgreich die komplexe Spiralstruktur und schufen so ein festes Objekt mit einem Netzwerk aus winzigen, miteinander verbundenen Löchern, die hindurchlaufen.

Das Endprodukt war ein kleiner, weißer, poröser Zylinder, der wie ein Miniatur-Wabenmuster aussah, aber mit einem verdrehten, geschichteten internen Muster. Als die Forscher das gedruckte Objekt unter einem Mikroskop untersuchten, bestätigten sie, dass die verschiedenen Materialien gleichmäßig vermischt waren und die Stränge stark und gleichmäßig waren. Die Computermodelle hatten vorhergesagt, dass dieses spezifische Design es einer Flüssigkeit ermöglichen würde, mit einer Rate durch das Gerüst zu fließen, die der des natürlichen menschlichen Knochens ähnelt, und die physische Struktur bestätigte dieses Potenzial. Die Studie zeigt, dass es durch das Kopieren des natürlichen Spiraldesigns und die sorgfältige Mischung spezifischer Materialien möglich ist, ein Gerüst zu schaffen, das mechanisch mit dem menschlichen Körper kompatibel ist und in der Lage ist, das Knochenwachstum durch elektrische Signale zu stimulieren. Während die Forscher anmerken, dass weitere Tests in lebenden Systemen erforderlich sind, um zu bestätigen, wie gut diese Gerüste innerhalb eines Körpers funktionieren, stellt der erfolgreiche Entwurf und die Herstellung dieser Struktur einen bedeutenden Schritt zur Schaffung besserer, effektiverer Behandlungen für schwere Knochenverletzungen dar.