Extrusion-based 3D printing of 3YSZ–calcium phosphate composite scaffolds

Das menschliche Skelett ist ein Wunderwerk der Ingenieurskunst, das die Balance zwischen der Notwendigkeit, stark genug zu sein, um unser Gewicht zu tragen, und der Notwendigkeit, leicht genug zu sein, um uns zu bewegen, hält. Wenn Knochen durch Verletzungen oder Krankheiten verloren gehen, greifen Ärzte oft auf Implantate zurück, um ihn zu ersetzen. Seit Jahrzehnten sind die besten Materialien für diese Ersatzteile Metalle wie Titan oder Keramiken wie Zirkonia, die aufgrund ihrer unglaublichen Festigkeit und ihrer Fähigkeit ausgewählt werden, ohne zu korrodieren im Körper zu überleben. Diese Materialien haben jedoch einen erheblichen Nachteil: Sie sind viel dichter und steifer als natürlicher Knochen. Diese Diskrepanz kann dazu führen, dass der umliegende Knochen im Laufe der Zeit schwächer wird, ganz ähnlich wie ein schwerer Stiefel, der den weichen Boden darunter zerdrückt. Andererseits sind Materialien, die die chemische Zusammensetzung von Knochen nachahmen, wie etwa Calciumphosphat, hervorragend darin, das Wachstum von neuem Gewebe anzuregen, aber sie sind oft zu spröde, um schwere Lasten zu tragen. Die Herausforderung für Wissenschaftler bestand darin, ein Material zu schaffen, das sowohl stark genug ist, um Gewicht zu tragen, als auch leicht genug, um dem Knochen zu entsprechen, den es ersetzt, während es gleichzeitig in der Lage ist, in komplexe Strukturen geformt zu werden, die der einzigartigen Anatomie eines Patienten entsprechen.

Ein Forschungsteam der NOVA University Lisbon und der University of Lisbon hat einen Schritt zur Lösung dieses Problems unternommen, indem es eine neue Art von Keramikverbundwerkstoff mittels einer Technik namens extrusionsbasierter 3D-Druckverfahren entwickelt hat. Anstatt zu versuchen, ein einzelnes Material zu drucken, mischten sie zwei unterschiedliche Komponenten zu einer dicken, pastenartigen Tinte. Die erste Komponente war 3YSZ, eine zähe, hitzestabilisierte Form von Zirkonia, die für ihre Beständigkeit in dentalen und medizinischen Anwendungen bekannt ist. Die zweite Komponente war Calciumphosphat, eine Substanz, die der chemischen Zusammensetzung von menschlichen Zähnen und Knochen ähnelt und dafür bekannt ist, dem Körper zu helfen, sich mit einem Implantat zu verbinden. Durch das Schichtweise Drucken dieser Pasten und das anschließende Brennen in einem Hochtemperaturofen schuf das Team zylindrische Strukturen, die die Festigkeit des Zirkonias mit der knochenfreundlichen Natur des Calciumphosphats kombinierten.

Die Forscher entdeckten, dass das bloße Hinzufügen von Calciumphosphat zur Zirkonia-Paste einen tiefgreifenden Effekt auf das Endprodukt hatte. Reine Zirkonia-Keramiken sind extrem dicht und wiegen über 3,5 Gramm pro Kubikzentimeter, was deutlich schwerer ist als natürlicher Knochen. Durch die Einbindung von 30 bis 45 Prozent Calciumphosphat in die Mischung gelang es dem Team jedoch, die Dichte der gedruckten Objekte in einen Bereich von 2,2 bis 2,5 Gramm pro Kubikzentimeter zu senken. Diese neue Dichte liegt bemerkenswert nah an der von natürlichem kortikalem Knochen, wodurch das Gewichtsproblem gelöst wurde, ohne die strukturelle Integrität des Materials zu opfern. Um sicherzustellen, dass das Material reibungslos gedruckt werden konnte, testete das Team zudem die Zugabe von Graphit zur Mischung, welches als vorübergehender Platzhalter fungierte, der während des Erhitzungsprozesses verbrannte und so winzige Poren hinterließ, die das Gewicht weiter reduzierten.

Über die Änderung des Gewichts hinaus untersuchte das Team sorgfältig, was auf mikroskopischer Ebene geschah, wenn die Materialien erhitzt wurden. Sie fanden heraus, dass das Zirkonia seine stärkste, stabilste Kristallstruktur selbst nach dem Brennen bei Temperaturen von bis zu 1450 Grad Celsius beibehielt. Gleichzeitig transformierte sich das Calciumphosphat in spezifische Phasen, die als Hydroxyapatit und Beta-Tricalciumphosphat bekannt sind – genau die Mineralien, die der Körper verwendet, um neuen Knochen aufzubauen. Diese zweiphasige Struktur bedeutete, dass das Endobjekt nicht nur eine Mischung aus zwei Pulvern war, sondern ein kohäsives Material, bei dem das zähe Zirkonia ein Gerüst bildete, an dem das bioaktive Calciumphosphat haften konnte. Die Forscher bestätigten diese Veränderungen mittels fortschrittlicher Bildgebungs- und Lichtstreuungsverfahren und verifizierten damit, dass das Material stabil blieb und sich während des Herstellungsprozesses nicht in schwächere Formen zersetzte.

Der wahre Test für jedes Knochenersatzmaterial ist, ob es den physischen Kräften des Körpers standhalten kann und ob lebende Zellen es akzeptieren werden. Als die Forscher die Festigkeit ihrer leistungsfähigsten Proben testeten, die 35 Prozent Calciumphosphat enthielten, stellten sie fest, dass diese einer Druckkraft von 180 Megapascal standhalten konnten. Diese Festigkeitsstufe liegt genau im Bereich des natürlichen menschlichen Knochens, was beweist, dass das Material robust genug für belastende Anwendungen ist. Darüber hinaus platzierten die Forscher menschliche Fibroblasten (eine Art von Weichteilzellen) auf die gedruckten Scheiben, und die Zellen wuchsen und gediehen auf dem neuen Material ebenso gut wie auf standardmäßigen Kunststoff-Labor-Schalen. Dies deutet darauf hin, dass das Material nicht toxisch für lebendes Gewebe ist und eine freundliche Oberfläche bietet, an der sich Zellen anlagern können – ein entscheidender erster Schritt für jedes Implantat, das hofft, in den Körper zu integrieren.

Obwohl die Ergebnisse vielversprechend sind, merken die Forscher an, dass dies ein vorläufiger Schritt ist. Die von ihnen erstellten Proben waren solide Zylinder, während echte Knochengerüste oft hohl oder mit einem Netzwerk von Löchern gefüllt sein müssen, um das Wachstum von Blutgefäßen zu ermöglichen. Sie beobachteten zudem, dass Proben mit sehr hohen Anteilen an Calciumphosphat zu zerbrechlich für die Handhabung wurden, was darauf hindeutet, dass es eine Grenze gibt, wie viel des knochenähnlichen Materials hinzugefügt werden kann, bevor die Struktur an Festigkeit verliert. Das Team kam zu dem Schluss, dass ihre Methode erfolgreich einen leichten, starken und biologisch freundlichen Keramikverbundwerkstoff geschaffen hat, doch zukünftige Arbeiten müssen sich darauf konzentrieren, die interne Architektur dieser Strukturen zu verfeinern und sie mit knochenbildenden Zellen sowie in lebenden Tieren zu testen, um zu sehen, ob sie tatsächlich Knochen in einem klinischen Umfeld regenerieren können.