Polymerbasierte Biomaterialien
Eine neue Generation von Kunststoffen bildet die Basis für schonende Implantate
Foto: HZG/Christian Schmid
Kunststoffe werden in der Medizin seit langem verwendet – zum Beispiel als engmaschige Netze, die das Gewebe nach einem Leistenbruch stabilisieren. Doch nur selten sind sie gezielt für den Einsatz im Körper entwickelt worden – in der Regel werden Polymere benutzt, die man einst für ganz andere Zwecke entworfen hatte. Eine prominente Ausnahme sind Nähte, die man nach Verheilen einer Wunde nicht mehr ziehen muss, weil sie sich von selbst auflösen. Das Helmholtz-Zentrum Geesthacht entwickelt in seinem Institut für Biomaterialforschung in Teltow neuartige Polymere für die Medizin, insbesondere für Implantate. Sie sollen künftig dabei helfen, Gewebe gezielt zu regenerieren, verengte Herzgefäße zu weiten und Medikamente wohldosiert über längere Zeiträume freizusetzen.
Gelschwamm als Anschub
Im Lichtmikroskop werden die Proben des Gelschwamms überprüft. Foto: HZG/Frank Bierstedt
Ein Beispiel ist die Entwicklung eines künstlichen Gelschwamms, der die Bildung von Knochengewebe begünstigen kann. Ausgangspunkt ist das Biopolymer Gelatine, ein natürlicher Bestandteil des Körpers. Zum einen enthält dieses Nanostrukturen, die es knochenbildenden Zellen ermöglichen, gezielt an der Gelatine anzudocken. Zum
anderen kann sie problemlos vom Körper abgebaut werden, wobei die Abbauprodukte sogar den Regenerationsprozess zu stimulieren scheinen.
Allerdings ist das Biopolymer ein schwieriger Werkstoff. Gummibärchen, die zum großen Teil aus Gelatine bestehen, können im Wasser auf ein Vielfaches ihrer Größe aufquellen – eine höchst unerwünschte Eigenschaft für ein Implantat. Deshalb mussten die Wissenschaftler spezielle Aufschäumverfahren entwickeln, welche die Gelatine in eine stabile Form bringen. Dabei sollte sich zugleich eine innere Struktur bilden, die erste Zellen, sogenannte Vorläuferzellen, anlockt und diese dazu bringt, den gewünschten Gewebetyp aufzubauen.
Das Resultat: ein schwammartiges, offenporiges Gel. Es wird in defektes Gewebe eingebracht und löst sich – nachdem es seine Funktion als Anschubhilfe erfüllt hat – nach einigen Wochen wieder auf. Versuche im Tiermodell haben gezeigt, dass das Konzept aufzugehen scheint: In einer Ratte war ein Knochendefekt binnen weniger
Wochen ausgeheilt, der Körper hatte das Material gut vertragen.
Medikamente im Körper freisetzen
Mikropartikuläre Trägersysteme mit poröser innerer Struktur können bioaktive Substanz einkapseln. Foto: HZG/Institut für Biomaterialforschung
Bei einem weiteren Projekt forschen die Teltower Experten an neuartigen Freisetzungssystemen für Medikamente. Viele Arzneien müssen regelmäßig über längere Zeiträume angewendet werden. Doch das Schlucken von Tabletten hilft zuweilen wenig – es kommt schlicht zu wenig Dosis am eigentlichen Wirkungsort an. Für diese Fälle setzen die Forscher auf eine andere Strategie: Sie verpacken größere Mengen eines Wirkstoffs in kleine Polymerkügelchen. Diese werden in unmittelbarer Nähe des Wirkungsortes deponiert, um dort das Medikament nach und nach freizugeben: Entweder zersetzt sich das Polymer im Laufe der Zeit, oder der Wirkstoff kann allmählich durch das Polymer diff undieren, quasi hindurchsickern.
Konkret arbeiten die HZG-Forscher im Rahmen eines Sonderforschungsbereichs daran, Wirkstoffe in Haarfollikel einzubringen. Haarfollikel sind kleine Hautkanäle, in denen Haare wachsen und die sich entzünden können. Konventionelle Heilsalben erzielen nicht immer den gewünschten Erfolg, manchmal hält ihre Wirkung nicht lange genug an. Deshalb entwickeln die Fachleute in Teltow neuartige Polymerpartikel, die sich für längere Zeit in den Haarfollikeln festsetzen und dabei langsam, aber stetig einen entzündungshemmenden Wirkstoff abgeben – was die Heilung deutlich beschleunigen dürfte.
Kardiovaskuläre Implantate aus Kunststoff
Foto: HZG/Frank Bierstedt
Die Beschaffenheit des Materials ist auch für andere Forschungsfelder wichtig – wie zum Beispiel für die Entwicklung kardiovaskulärer Implantate: Muss eine Herzklappe ersetzt werden, war dafür bis vor einiger Zeit ein aufwendiger Eingriff nötig: Der Chirurg musste den Brustkorb öffnen und die neue Herzklappe einnähen. Seit einigen Jahren gibt es eine schonendere, weil minimalinvasive Alternative: Bei dieser schieben die Ärzte ein zusammengefaltetes Implantat mit einem Katheter über die Blutgefäße zum Herzen. Am Ziel wird das Implantat entfaltet und verankert, sodass es seine Funktion ausüben kann.
Für diese Implantate arbeiten die HZG-Experten an Formgedächtnismaterialien aus Kunststoff, die als Gefäßstützen (Stents) künftig Einsatz finden sollen, um zum Beispiel Blutgefäße offen zu halten. Derzeit untersuchen Wissenschaftler, wie verträglich die Polymere für diesen Einsatzzweck sind und wie das Design aussehen sollte.
Erste Prototypen haben sie bereits entwickelt.
Biomaterialien in klinischer Praxis
Eine In-vitro-Testung im Labor. Foto: HZG/Christian Schmid
Biomaterialien anzuwenden setzt deren Reinheit und Verträglichkeit voraus. Eine Herausforderung besteht darin,
größere Mengen eines neuen Polymers in hochreiner, steriler Form herzustellen. In Teltow kann dank Technologien wie Upscaling-Verfahren und zertifizierten Reinräumen nach den Richtlinien der Qualitätssicherung synthetisiert und verarbeitet werden.
Ferner müssen die Materialien auf Biokompatibilität getestet werden, um rechtzeitig zu erkennen, ob eine neue Substanz schädlich oder sogar giftig ist. Die HZG-Wissenschaftler untersuchen hierzu die biologischen Umgebungen auf Wechselwirkungen zwischen Zellen und Material mit dem Ziel, die Natur ein Stück weit nachzubilden. Um die Grundlagenforschung so schnell wie möglich in die klinische Anwendung zu bringen, müssen die Kompetenzen aus den Bereichen Materialwissenschaften, Chemie, Biologie, Physik, Ingenieurwesen und Medizin gebündelt werden.
Eine wichtige Partnereinrichtung ist das Berlin-Brandenburger Centrum für Regenerative Therapien (BCRT). Ein gemeinsames Translationszentrum der Charité-Universitätsmedizin Berlin und des Helmholtz-Zentrums Geesthacht. Hier beraten BCRT Mitarbeiter die Forschungsgruppen frühzeitig und begleiten sie kontinuierlich von der Geschäftsentwicklung über regulatorische Fragen bis hin zur Gesundheitsökonomie. Somit können Ergebnisse aus der Grundlagenforschung schnell in die Praxis zu überführt werden.
Verschließen durch Handauflegen
Der Kunststoff-Verschluss bei 20°C und 37°C. Foto: HZG/Institut für Biomaterialforschung.
Doch die Formgedächtniskunststoffe eignen sich auch für den Einsatz außerhalb des Körpers. So haben die Fachleute ein Polymer entwickelt, das seine Form ändert, wenn zwischen Zimmer- und Körpertemperatur gewechselt wird. Der neue Werkstoff könnte durch seine Fähigkeit des Hin- und Herschaltens für eine originelle Anwendung taugen – einen Mechanismus, mit dem sich Schuhverschlüsse derart einfach auf- und zumachen ließen, dass sie auch von älteren Menschen leicht zu bedienen wären: Statt eines Klettverschlusses würde der
Schuh eine Art Kunststoff schnalle besitzen, die sich bei 20 Grad Celsius zusammenkrümmt und bei 37 Grad Celsius entspannt.
Durch Handauflegen ließe sich der Schuh öffnen, beim Wegnehmen der Hand würde er sich elegant schließen. Dass dieses Prinzip zuverlässig funktioniert, konnten die Forscher bereits an einem Demonstrator zeigen.