Knochenregeneration und -adhäsion mit harmlosem sichtbarem Licht fördern

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Hyung Joon Cha vom Fachbereich Chemieingenieurwesen und der Graduiertenschule für Konvergenzwissenschaft und -technologie der POSTECH mit Spezialisierung auf Medizinwissenschaften hat zusammen mit Dr. Jinyoung Yun und dem Studenten des integrierten Programms Hyun Taek Woo vom Fachbereich Chemieingenieurwesen ein innovatives injizierbares adhäsives Hydrogel für die Knochenregeneration entwickelt. Dieses Hydrogel nutzt harmloses sichtbares Licht, um gleichzeitig eine Vernetzung und Mineralisierung zu erreichen, ohne dass Knochentransplantate erforderlich sind. Die bahnbrechende Forschungsarbeit wurde kürzlich online in Biomaterials veröffentlicht.

Neues Hydrogelsystem nutzt sichtbares Licht, um die Knochenregeneration zu unterstützen

Knochendefekte, die durch verschiedene Ursachen wie Traumata, Infektionen und angeborene Anomalien entstehen, treten in alternden Gesellschaften immer häufiger auf. Konventionelle Behandlungen umfassen oft Knochentransplantate in Kombination mit Serum oder Bioadhäsiven, um den Defekt aufzufüllen. Bestehende injizierbare Hydrogele haben jedoch mit Herausforderungen wie der Schwierigkeit, ihre Form im Körper beizubehalten, und einer begrenzten Haftfestigkeit zu kämpfen. Darüber hinaus gelingt es bei herkömmlichen Methoden, bei denen Knochentransplantate mit adhäsiven Materialien verwendet werden, oft nicht, gleichzeitig eine „Knochenregeneration“ und eine „Adhäsion“ zu erreichen.

Das POSTECH-Team hat ein neuartiges System eingeführt, das diese Einschränkungen behebt. Dieses neue Hydrogelsystem nutzt sichtbares Licht – das für den menschlichen Körper ungefährlich ist –, um die Vernetzung zu erleichtern, bei der sich die Hauptkomponenten des Hydrogels verbinden und aushärten, und um gleichzeitig die Mineralisierung zu fördern, bei der sich knochenbildende Mineralien wie Kalzium und Phosphat im Hydrogel bilden. In früheren Studien wurde zwar die Verwendung von Licht in ähnlichen Anwendungen untersucht, dabei traten jedoch Probleme auf, wie z. B. die Notwendigkeit einer getrennten Vorbereitung und Vermischung von Knochentransplantaten und Klebstoffen sowie eine schwache Bindung der Hauptkomponenten, die sich mit der Zeit oft verschlechterte.

Technologie der Knochengeweberegeneration wird erheblich voranschreiten

Der neu entwickelte Hydrogel-Vorläufer besteht aus Alginat (natürliches Polysaccharid aus Braunalgen), RGD-Peptid-haltigem Muschelklebstoffprotein, Kalziumionen, Phosphonodiolen und einem Photoinitiator. Die auf Koazervat basierende Formulierung, die nicht mit Wasser mischbar ist, sorgt dafür, dass das Hydrogel nach der Injektion in den Körper seine Form und Position beibehält. Bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht kommt es zur Vernetzung und gleichzeitig zur Bildung von amorphem Calciumphosphat, das als Knochentransplantatmaterial dient. Dadurch entfällt die Notwendigkeit separater Knochentransplantate oder Klebstoffe, sodass das Hydrogel sowohl die Knochenregeneration als auch die Adhäsion ermöglicht.

In Experimenten an Tiermodellen mit Oberschenkelknochendefekten wurde das Hydrogel erfolgreich injiziert, haftete präzise und lieferte effektiv die für die Knochenregeneration wesentlichen Komponenten. Professor Cha kommentierte: „Das von unserem Forschungsteam entwickelte injizierbare Hydrogelsystem für die Knochenregeneration stellt eine innovative Alternative zu herkömmlichen komplexen Behandlungen von Knochenerkrankungen dar und wird die Technologie der Knochengeweberegeneration erheblich voranbringen.“