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Knochendefekte, ob angeboren oder durch einen Unfall verursacht, erfordern eine ursachengerechte Behandlung. Zu den Behandlungsoptionen gehört ein 3D-gedrucktes Zinkgerüst, das von Forschern der Beihang-Universität, des Renji-Krankenhauses, der Shanghai Jiao Tong-Universität, der Tsinghua-Universität und Peking entwickelt wurde und sich bei der Behandlung großer Knochendefekte als vielversprechend erweist. Unterstützt wird das Projekt von der chinesischen Bright Laser Technology Company (BLT), die die notwendigen 3D-Drucker und Systeme bereitstellt.
Diese 3D-gedruckten porösen Zinkstrukturen stellen einen neuen Ansatz zur Reparatur von Knochendefekten durch Knochenregeneration dar. Ein großes Hindernis war bisher jedoch der schnelle Abbau von Zink, der zu einer potenziellen Toxizität führen kann. Um dieses Problem zu lösen, wurden Anstrengungen unternommen, die Legierungszusammensetzung, Oberflächenstruktur und Porengeometrie des Gerüsts zu optimieren.
Abbauverhalten von 3D-gedruckten Zinkgerüsten in Rattenfemuren nach drei Tagen und drei Monaten (Fotoquelle: Li, S., Yang, H., Qu, immunmodulatorische Osteogenese. Nat Commun 15, 3131, 2024).
In den letzten drei Jahren haben Forscher eine neue biologisch abbaubare Zinklegierung (Zn-Li) für den 3D-Druck dieser Strukturen entwickelt. Zink-Lithium-Legierungen weisen ein hervorragendes Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Plastizität und Korrosionsbeständigkeit auf. Die Rahmen werden mit dem DMLS-System von BLT hergestellt, das präzise Designs und komplexe Strukturen ermöglicht.
Nach dem 3D-Druck werden verschiedene Oberflächenbehandlungen wie Ultraschallbehandlung, Säureätzen und Elektropolieren eingesetzt, um die Oberflächenrauheit zu optimieren und die Zellinteraktion zu fördern. Diese Prozesse ermöglichen eine präzise Mikrostrukturierung der Oberfläche und verbessern so die Zelladhäsion und -proliferation, die wesentliche Elemente für eine effektive Knochenregeneration sind.
Design von 3D-gedruckten biologisch abbaubaren porösen Gerüsten auf Zinkbasis (Bildquelle: Li, S., Yang, H., Qu, Scale Architecture Design. Nat Commun 15, 3131, 2024)
Darüber hinaus erleichtern spezifische Oberflächenstrukturen die Interaktion mit Makrophagen, weißen Blutkörperchen, die für Immunreaktionen auf potenziell schädliche Substanzen notwendig sind. Dieses Zusammenspiel verbessert die Immunantwort und unterstützt dadurch die Knochenregeneration. Darüber hinaus wurden die 3D-gedruckten Zinkgerüste im Körper kontrolliert abgebaut. Diese Fähigkeit ist entscheidend für die Schaffung einer optimalen Umgebung für die Regeneration und Integration von Implantaten.
3D-gedruckte Gerüste stellen einen Fortschritt gegenüber herkömmlichen Implantaten dar, da sie eine effizientere Knochenregeneration fördern. Die strukturellen und chemischen Eigenschaften dieser Gerüste stimulieren die Bildung neuen Knochens. Der 3D-Druck von Zink-Lithium-Gerüsten ermöglicht eine präzise Kontrolle der Struktur und Porosität des Implantats, die wesentliche Elemente für eine erfolgreiche Knochenregeneration sind.
