Stahlbeton für den Knochen: Der erste hochlastragende resorbierbare Knochenersatz für große Defekte in Orthopädie und Unfallchirurgie

Treten durch Trauma oder Tumorerkrankungen große Knochendefekte auf, so reicht das Regenerationspotenzial des Knochens für die Heilung nicht mehr aus und es muss ein Knochenersatzmaterial implantiert werden, um den Defekt über längere Zeiträume zu stabilisieren, bis neugebildeter Knochen die tragende Funktion wieder übernehmen kann. Häufig kommen dabei metallische Vollmaterialien aus Titanlegierungen, Edelstahl oder CoCr-Legierungen zum Einsatz, die auch Jahre nach der Implantation im Körper verbleiben. Dabei bieten diese Materialien zwar den Vorteil, dass sie mechanisch hoch belastbar sind, jedoch kann nur eine unzureichende biologische Integration in den Knochen erfolgen, da das Knochengewebe, wenn überhaupt, nur außen anwachsen kann. Zudem übertreffen diese Materialien die mechanische Belastbarkeit des umliegenden Knochengewebes um ein Vielfaches, schirmen den Knochendefekt mechanisch ab ("stress shielding"). Dadurch fehlt dem Knochen der mechanische Reiz, den Defekt selbst durch Knochenneubildung zu stabilisieren.

Vor diesem Hintergrund wurden im POROMES-Projekt, Teil des Wachstumskerns "Molecular Designed Biological Coating", von der Firma InnoTERE gemeinsam mit den Dresdner Fraunhofer-Instituten IFAM und IKTS sowie dem Max-Bergmann-Zentrum für Biomaterialien der Technischen Universität Dresden hochbelastbare Metall-Zement-Komposite entwickeltet (Abb. 1).
Das Prinzip ist seit langer Zeit aus der Bauindustrie bekannt. Dort wird der Zement ebenfalls mit einem Stahlgeflecht verstärkt und man erhält wesentlich belastbarerer Materialien. Basis der neu entwickelten Verbundmaterialien für Knochenimplantate bilden offenzellige Metallstrukturen aus degradierbaren Eisenlegierungen. Diese werden mit hochfesten und resorbierbaren mineralischen Knochenzementen beladen. Die Kombination von duktilem Metall mit sprödem aber druckfestem Knochenzement ermöglicht eine hohe mechanische Belastbarkeit, die auch über einen großen Verformungsbereich erhalten bleibt (Abb. 2).
Da die verwendeten mineralischen Knochenzemente bioaktiv sind, erfolgt die knöcherne Integration der Verbundmaterialien in gleicher Weise, wie sie bei den verwendeten Knochenzementen selbst zu beobachten ist. Durch den sukzessiven Austausch der resorbierbaren Zementmatrix mit neu gebildetem Knochen wandelt sich das Implantat zunächst nach und nach in einen Metall-Knochen-Verbund um. Währenddessen nimmt die Stabilität des Implantats durch den aktiven Abbau der Zementmatrix nach und nach ab. Gleichzeitig steigt dadurch die Last auf den umliegenden bzw. einwachsenden Knochen, wodurch das Knochengewebe wieder biomechanisch stimuliert wird und stress shielding vermieden wird (Abb. 3).

In in-vitro Untersuchungen zur Bioverträglichkeit mit humanen Stammzellen (hMSCs) konnte gezeigt werden, dass das Metall-Zement-Komposit ähnlich gute Ergebnisse wie der mineralische Knochenzement alleine erzielt. Ein weiterer wesentlicher Schritt in die Richtung eines vollständig resorbierbaren Implantats wurde dadurch erreicht, dass Metallschäume aus Eisen durch eine bioaktive Brushit-Beschichtung zunächst vollständig vor Korrosion geschützt werden können. Erst der aktive Abbau dieser Schicht durch Knochenzellen wird dazu führen, dass auch das noch vorhandene Metallgerüst langsam abgebaut werden kann. So kann das Implantat am Ende tatsächlich völlig abgebaut und durch körpereigenen Knochen ersetzt sein.

Die gewonnen Erkenntnisse müssen in den nachfolgenden Entwicklungsarbeiten noch weiter vertieft werden, um Metall-Zement-Verbundmaterialien als Implantat auf den Markt bringen zu können. Insbesondere müssen Implantationsstudien die Eignung für eine zukünftige klinische Verwendung bestätigen.