Diese Materialien könnten die Qualität der Knochenreparatur durch Autotransplantate im Vergleich zu Keramiken, die zwangsläufig makroporös sind, schwer resorbierbar sind und die Bildung von Knochen mit geringer Remodellierungsrate verursachen, erheblich verbessern.
a) REM-Aufnahme von entkalktem menschlichem kompaktem Knochen bei geringer Vergrößerung. Maßstab: 50 µm.
b) Dasselbe Probenstück bei starker Vergrößerung. Maßstab: 5 µm.
c) REM-Aufnahme eines synthetischen Kollagenmaterials mit einer dichten und organisierten biomimetischen Struktur (Col100). Maßstab: 5 µm.
d) REM-Aufnahme eines unorganisierten kollagenen Fibrillennetzwerks mit großen interfibrillären Räumen (Col40). Maßstab: 2 µm.
Das Diagramm unter (b) veranschaulicht die Schichtstruktur.
Knochengewebe besteht aus einer hybriden organisch/anorganischen Matrix, die hauptsächlich aus Fibrillen eines Proteins namens Kollagen und Nanopartikeln aus Apatit (HA), der stabilsten kristallinen Phase von Calciumphosphat, besteht. Diese einzigartige Zusammensetzung verleiht den Knochen ihre mechanischen Eigenschaften.
Knochen ist ein bemerkenswertes Gewebe, das eine beeindruckende Fähigkeit zur Selbstreparatur aufweist. Bei größeren Defekten reicht diese angeborene Regenerationsfähigkeit jedoch oft nicht aus. Traditionelle Ansätze zur Knochenreparatur beruhen auf der Verwendung von autologen Knochentransplantaten, bei denen Spender und Empfänger dieselbe Person sind. Diese Transplantate sind sehr effektiv, da ihre biologischen Eigenschaften die Akzeptanz des Transplantats, ein gutes Knochenwachstum und ein etabliertes Gefäßnetzwerk gewährleisten.
Autologe Knochentransplantate haben jedoch einige Einschränkungen, wie eine gewisse Morbidität im Zusammenhang mit der Entnahmestelle und die Verfügbarkeit einer ausreichenden Knochenmenge für die Entnahme. Daher hat sich die Forschung auf die Entwicklung alternativer Knochenersatzmaterialien konzentriert, die die Geweberegeneration effektiv unterstützen können.
Keramiken, insbesondere Biokeramiken, mineralbasierte Materialien, werden in der klinischen Praxis häufig zur Reparatur von Knochengewebe eingesetzt. Obwohl sie optimale mechanische Eigenschaften (Steifigkeit) aufweisen, ist ihre Resorption im Körper verbesserungswürdig, da die Eigenschaften, die durch die organische Matrix verliehen werden, fehlen (Video).
In diesem Zusammenhang haben Wissenschaftler des Labors für Chemie der kondensierten Materie in Paris (CNRS/Sorbonne Université) in Zusammenarbeit mit klinischen Universitätsärzten (Université Paris Cité, Université Paris Nord, Hôpital Bichat, INSERM), Tierärzten (IMM) und Akademikern (ENS Lyon) Materialien entwickelt, die durch biomimetische Selbstorganisation hergestellt werden und die präzise Anordnung von Kollagen und Apatit steuern. Sie erreichen eine Struktur, die der des natürlichen Knochens näher kommt als alle auf dem Markt erhältlichen Biomaterialien.
Eine Reihe von Analysetechniken, darunter Histopathologie, computergestützte Tomographie, Röntgenweitwinkelstreuung, Mikroindentation und Elektronenmikroskopie, wurde eingesetzt, um die biologischen, mechanischen und strukturellen Eigenschaften dieser neuen Materialien zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass sie die Qualität der Knochenreparatur im Vergleich zu Keramiken signifikant verbessern können.
Diese biomimetischen Materialien fördern nicht nur die Zellbesiedlung, sondern ermöglichen auch die Entwicklung natürlicher Resorptions- und Remodellierungsprozesse, was zu einer schnelleren und vollständigeren Heilung führt. Darüber hinaus zeigen diese Ergebnisse erstmals, dass die strukturellen Muster der Knochenmatrix eine Rolle bei ihrer Leistung als Transplantat spielen können.
Diese Arbeit, die in Nature veröffentlicht wurde, eröffnet neue Wege für die Entwicklung wettbewerbsfähiger Biomaterialien zur Knochenreparatur und -regeneration sowie für die Etablierung relevanter Modelle, die unser grundlegendes Verständnis der Knochenbiomineralisation verbessern können.
Redakteur: CCdM
Referenz
Marc Robin, Elodie Mouloungui, Gabriel Castillo Dali, Yan Wang, Jean-Louis Saffar, Graciela Pavon-Djavid, Thibaut Divoux, Sébastien Manneville, Luc Behr, Delphine Cardi, Laurence Choudat, Marie-Madeleine Giraud-Guille, Anne Meddahi-Pellé, Fannie Baudimont, Marie-Laure Colombier & Nadine Nassif.
Mineralized collagen plywood contributes to bone autograft performance
Nature 2024
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08208-z