Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gelenkknorpelschäden: Hilfe aus dem Drucker

24.01.2013
Knorpeldefekte heilen: Das ist das Ziel eines neuen internationalen Forschungsverbunds. Implantate, die ähnlich wie das natürliche Gewebe aufgebaut sind, sollen Schäden im Gelenk dauerhaft reparieren. Die EU finanziert das Projekt mit fast zehn Millionen Euro; koordiniert wird es von Würzburg aus.

Wenn Jürgen Groll die Eigenschaften von Knorpel aufzählt, ist die Bewunderung kaum zu überhören. „Knorpel ist im Prinzip ein Hightech-Komposit“, sagt er. Was für den Laien nach einer einheitlich weißlichen Substanz aussieht, erweist sich bei genauer Betrachtung als raffiniertes Schichtwerk unterschiedlicher Strukturen.


Ein mehrschichtiges Implantat: So könnte der Knorpelersatz aussehen, den die Wissenschaftler des Forschungsverbunds HydroZONES entwickeln wollen.
Grafik HydroZONES


Ein mehrschichtiges Implantat: So könnte der Knorpelersatz aussehen, den die Wissenschaftler des Forschungsverbunds HydroZONES entwickeln wollen.

„Beispielsweise sind die Kollagenfasern in der Knorpelschicht, die dem Knochen anliegt, senkrecht orientiert und sorgen somit für eine feste Verbindung“, erklärt Groll. In höheren Schichten liegen die Fasern hingegen quer und können damit besonders gut Scherkräfte absorbieren.

Knorpel: ein ganz besonderes Material

Tiefere Schichten ähneln einem Gel, das stark negativ geladen ist. Auf diese Weise zieht es massiv Wasser an. Wasser, das wieder entweicht, wenn Druck auf das Gewebe ausgeübt wird, beispielsweise beim Laufen auf das Knie. Damit dämpft Knorpel die Erschütterung. Sinkt der Druck, kehrt das Wasser von alleine wieder zurück.

Ganz besonders fasziniert ist Groll von den Eigenschaften der Knorpeloberfläche. Damit Bewegungen im wahrsten Sinne des Wortes möglichst reibungslos verlaufen, ist Knorpel dort „so glitschig, wie man es technisch nicht erreichen kann“, sagt er. Der Reibungskoeffizient erreiche dort einen Wert „ähnlich wie Wasser auf Eis.“

Kurz: „Es gibt kein anderes Material, das über die Eigenschaften von Knorpel verfügt“, sagt Groll. Jürgen Groll hat seit August 2010 an der Universität Würzburg den Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe in der Medizin und der Zahnheilkunde inne. Er forscht dort an neuen Materialien, die am Patienten zum Einsatz kommen sollen. Seit Anfang dieses Jahres leitet er einen neuen, europaweiten Forschungsverbund, in dessen Mittelpunkt Knorpelgewebe steht.

„HydroZONES“: So lautet der Name des Forschungsverbunds. Neben der Universität und dem Universitätsklinikum Würzburg sind Forschungseinrichtungen und Firmen aus Heidelberg, Dresden, Aachen, München, Oxford, Utrecht, Groningen, Pamplona und dem portugiesischen Leiria daran beteiligt. Und auch eine Gruppe aus Australien ist mit im Boot. Mit 9,75 Millionen Euro wird die EU die Arbeit der Wissenschaftler in den kommenden fünf Jahren finanzieren. Etwas mehr als zwei Millionen davon werden nach Würzburg fließen.

Knorpelschäden – ein Volksleiden

Knorpelschäden sind eine der Hauptursachen für chronische Schmerzen, eingeschränkte Beweglichkeit und einem Verlust an Lebensqualität. Arthrose ist die häufigste aller Gelenkerkrankungen. Weltweit sollen mehr als 151 Millionen Menschen davon betroffen sein; in Deutschland leiden mehr als fünf Millionen Menschen daran. Sportverletzungen können die Ursache sein, aber genauso auch ein normaler Altersverschleiß. Am Anfang steht häufig nur ein kleiner Defekt, der weiter wächst, weil der Körper nicht in der Lage ist, Knorpelgewebe selbst neu zu bilden. Ist die Knorpelschicht großflächig zerstört, ist ein operativer Eingriff in der Regel unumgänglich. In schweren Fällen bleibt dann der Einsatz eines künstlichen Gelenks einzige Alternative.

Das könnte sich ändern, wenn der Forschungsverbund sein Ziel erreicht. „Wir verfolgen die Hypothese, dass es mit speziell konstruierten Implantaten möglich ist, den Körper dazu zu bringen, Knorpeldefekte mit eigenem Gewebe wieder zu schließen“, erklärt Groll. Der Trick dabei: Die Wissenschaftler wollen Implantate entwickeln, die in ihrem mehrschichtigen Aufbau möglichst exakt dem Vorbild aus der Natur entsprechen.

Regenerieren statt reparieren

Mehrere Lagen eines Hydrogels, stabilisierende Lagen aus Kunststoffgeweben und dazu Botenstoffe, die spezielle Zellen anlocken, oder die entsprechenden Zellen gleich selbst: So könnte der Knorpelersatz aussehen. Aufgabe des Implantats ist es, das körpereigene Gewebe zum Wachsen zu bringen: „Regenerieren statt reparieren“, lautet nach Grolls Worten das Motto. Und weil der Knorpel dazu von allein nicht in der Lage ist, müsse man ihm eben helfen. Das Implantat selbst soll vom Körper im Laufe der Zeit in dem Maße abgebaut werden, in dem dieser neues Knorpelgewebe selbst aufbaut.

Zwar gibt es auch heute schon Implantate, mit denen Mediziner defekte Knorpelstellen ausbessern können. Die sind aber nicht dazu fähig, natürlichen Gelenkknorpel mit all seinen Eigenschaften in vergleichbarer Weise zu ersetzen. Und das Ersatzgewebe, das durch die derzeit in der Klinik verwendeten Materialien induziert wird, hält dem Einsatz an hoch belasteten Stellen wie beispielsweise dem Knie nicht für lange Zeit stand. Der Grund dafür liegt nach Ansicht der an dem Forschungsverbund beteiligten Wissenschaftler auf der Hand: Weil diese Implantate nicht wie natürlicher Knorpel in Schichten aufgebaut sind, können sie auch nicht die Bildung echten Knorpelgewebes induzieren.

Produktion im Drucker

Die Technik für die Produktion der Implantate ist vom Prinzip her einfach: Wie bei einem Tintenstrahldrucker bauen kleine Biofabriken die künstlichen Knorpelscheiben Schicht für Schicht auf. Mit dem Unterschied, dass die Druckköpfe in diesem Fall nicht Tinte enthalten, sondern je nachdem, welche Schicht gerade aufgetragen wird, Hydrogele unterschiedlicher Dichte, Wachstumsfaktoren, Hormone, Knorpel bildende Zellen – Chondrozyten genannt – und anderes mehr. Der ganze Prozess soll vollautomatisch ablaufen und natürlich unter sterilen Bedingungen.

Das hört sich einfach an, ist aber gerade wegen der gewünschten Automatisierung und der zwingend erforderlichen Sterilität eine große, interdisziplinäre Herausforderung, wie Jürgen Groll sagt. Auch deshalb ist der Forschungsverbund mit 17 Partnern, die teilweise aus mehreren Gruppen zusammengesetzt sind, so groß. „Eine solche Herausforderung kann man nur in einem großen europäischen Konsortium mit vielen Experten aus unterschiedlichen Fachgebieten bewältigen“, sagt Groll.

Die Würzburger Beteiligten

Würzburg ist sowohl mit der Universität als auch dem Universitätsklinikum in das Forschungsprojekt eingebunden. Jürgen Groll ist der Experte für das Trägermaterial. Er kennt sich aus mit Hydrogelen, Kunststoffgeweben und deren Eigenschaften. Heike Walles, Professorin und Inhaberin des Lehrstuhls für Tissue Engineering und regenerative Medizin, hat langjährige Erfahrung mit der automatisierten Herstellung von Biomaterialien. In ihrem Labor züchtet sie schon seit Längerem Leber, Haut und andere Gewebe. Thorsten Blunk hat seit gut drei Jahren an der Würzburger Universitätsklinik die Professur für experimentelle Unfallchirurgie inne. Dort forscht er unter anderem am Tissue Engineering von Knorpelgewebe. Aus klinischer Sicht begleiten Professor Maximilian Rudert, Inhaber des Lehrstuhls für Orthopädie und Leiter der Orthopädischen Klinik König-Ludwig-Haus, sowie Professor Ulrich Nöth, Leiter der experimentellen Orthopädie am König-Ludwig Haus, das Projekt. Beiden sind die Anwendungsorientierung der Forschung und die Nähe zum Patienten besondere Anliegen.

Das Ziel

„Wenn alles optimal läuft, haben wir in fünf Jahren ein Konstrukt, das in klinische Tests gehen kann“, beschreibt Jürgen Groll das Ziel des Forschungsverbunds. Wenn dort keine Probleme auftauchen, dauere es noch einmal mindestens fünf Jahre, bis ein Implantat existiert, das tatsächlich in der Klinik am Patienten zum Einsatz kommen kann, schätzt der Wissenschaftler. Aber auch wenn dies hochgesteckte Ziel nicht erreicht wird, werde die Arbeit nicht umsonst gewesen sein. Dafür unterteilen die Forscher ihr Projekt in mehrere Arbeitsschritte mit zunehmendem Komplexitätsgrad. Verbesserungen an den bereits heute existierenden Verfahren werde es somit auf jeden Fall geben, ist sich Groll sicher. Wie weit diese Verbesserungen gehen, müssen die kommenden Jahre zeigen.

Kontakt

Prof. Dr. Jürgen Groll, T: (0931) 201-73510;
E-Mail: juergen.groll@fmz.uni-wuerzburg.de

Gunnar Bartsch | Uni Würzburg
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Mikroplastik in Meeren: Hochschule Niederrhein forscht an biologisch abbaubarer Sport-Kleidung
18.09.2017 | Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences

nachricht Flexibler Leichtbau für individualisierte Produkte durch 3D-Druck und Faserverbundtechnologie
13.09.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie