Qingyang Liu, Fei Wei, Melanie Coathup, Wen Shen, Dazhong Wu

Full text link : https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37689976/

Einfluss von Porosität und Porengeometrie auf die mechanischen und biologischen Eigenschaften additiv gefertigter Knochenscaffolds

1. Wissenschaftliche Referenz

• Studientitel: Einfluss von Porosität und Porengeometrie auf die mechanischen und biologischen Eigenschaften additiv gefertigter Knochenscaffolds
• Originaltitel: Effect of Porosity and Pore Shape on the Mechanical and Biological Properties of Additively Manufactured Bone Scaffolds
• Autoren: Qingyang Liu, Fei Wei, Melanie Coathup, Wen Shen, Dazhong Wu
• Fachzeitschrift: Advanced Healthcare Materials
• Erscheinungsjahr: 2023
• DOI: 10.1002/adhm.202301111

2. Wissenschaftlicher Hintergrund

Die additive Fertigung eröffnet neue Möglichkeiten zur Herstellung patientenspezifischer Gerüststrukturen (Scaffolds) für die Knochenregeneration. Im Bereich des Bone Tissue Engineering gewinnt dabei nicht nur die Auswahl des Biomaterials an Bedeutung, sondern zunehmend auch die präzise Gestaltung der inneren Architektur. Eigenschaften wie Porosität und Porengeometrie können sowohl die mechanische Stabilität als auch die biologische Interaktion zwischen Scaffold und Zellen beeinflussen.

Insbesondere im Zusammenhang mit der Knochenrekonstruktion und einer späteren implantologischen Versorgung besteht ein großes Interesse an Gerüststrukturen, die eine ausreichende Belastbarkeit mit einer günstigen Umgebung für Zelladhäsion und Gewebeneubildung verbinden. Vor diesem Hintergrund untersucht die vorliegende Studie den Einfluss verschiedener Porenarchitekturen auf das mechanische Verhalten sowie auf die zelluläre Antwort in einem präklinischen Versuchsmodell.

3. Ziel der Studie

Ziel dieser Untersuchung war es, den Einfluss unterschiedlicher Porositätsgrade und Porengeometrien auf die biologischen und mechanischen Eigenschaften additiv gefertigter Knochenscaffolds zu analysieren. Die Autoren wollten klären, welche strukturellen Merkmale sowohl die Zellproliferation als auch die Druckfestigkeit der Scaffolds günstig beeinflussen und damit zur Optimierung zukünftiger Gerüstsysteme für das Bone Tissue Engineering beitragen können.

4. Methodik

Es handelt sich um eine präklinische In-vitro-Studie.

Scaffolds aus Polymilchsäure (PLA) wurden mittels Fused Filament Fabrication hergestellt. Die Porosität variierte zwischen 15 % und 78 %. Untersucht wurden drei unterschiedliche interne Architekturen: eine regelmäßige Struktur mit rechteckigen Poren sowie zwei sogenannte Triply Periodic Minimal Surface (TPMS)-Geometrien, Gyroid und Diamond.

Zur biologischen Bewertung wurden murine Makrophagen sowie humane mesenchymale Stromazellen aus dem Knochenmark (hBMSCs) auf den Scaffolds kultiviert. Ergänzend erfolgten Druckversuche zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften sowie Untersuchungen der Oberflächenmorphologie. Angaben zur Anzahl der Proben oder zu weiteren experimentellen Parametern sind im verfügbaren Abstract nicht enthalten.

5. Zentrale Ergebnisse

Sowohl die Porosität als auch die Form der Poren beeinflussten das biologische Verhalten und die mechanischen Eigenschaften der untersuchten Scaffolds.

Die günstigste Zellproliferation von Makrophagen und humanen mesenchymalen Stromazellen wurde bei Porositäten von 15 %, 30 % und 45 % beobachtet. Im Vergleich zu den regelmäßigen Strukturen zeigten die Gyroid- und Diamond-Architekturen eine stärkere Vermehrung der Makrophagen. Die höchste Proliferation der hBMSCs wurde bei den Diamond-Scaffolds festgestellt.

Auch hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften schnitten die TPMS-Strukturen besser ab als die regelmäßigen Gerüstarchitekturen. Besonders die Diamond-Geometrie erreichte die höchsten Werte für Druckmodul und Druckfestigkeit. Darüber hinaus wiesen Gyroid- und Diamond-Scaffolds bei gleicher Porosität eine ausgeprägtere Oberflächenrauigkeit auf, die in dieser Studie mit einer verbesserten Zellanhaftung und Zellproliferation in Verbindung gebracht wurde.

6. Klinische Einordnung

Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die innere Architektur eines Scaffolds einen wesentlichen Einfluss auf dessen funktionelle Eigenschaften besitzt. Neben der Materialauswahl kann somit auch die gezielte Gestaltung der Porengeometrie entscheidend dazu beitragen, sowohl die mechanische Stabilität als auch die biologische Leistungsfähigkeit eines Gerüstsystems zu verbessern.

Für zukünftige Anwendungen in der Knochenrekonstruktion und möglicherweise auch in der Implantologie könnten derartige Erkenntnisse bei der Entwicklung individualisierter Knochenersatzmaterialien berücksichtigt werden. Insbesondere TPMS-Strukturen wie die Diamond-Geometrie erscheinen unter den untersuchten Bedingungen vielversprechend, da sie mechanische Belastbarkeit mit günstigen biologischen Eigenschaften kombinieren.

Gleichzeitig ist zu berücksichtigen, dass sämtliche Ergebnisse unter Laborbedingungen gewonnen wurden. Aussagen über die klinische Leistungsfähigkeit oder den Erfolg einer späteren Implantatversorgung lassen sich aus dieser Untersuchung nicht ableiten. Vor einer Übertragung auf die klinische Praxis sind tierexperimentelle Untersuchungen sowie klinische Studien erforderlich.

7. Klinische Anwendungsmöglichkeiten

Die vorliegenden Ergebnisse können als Grundlage für die Weiterentwicklung additiv gefertigter Knochenersatzstrukturen dienen.

Insbesondere bei der Entwicklung patientenspezifischer Scaffolds für die Knochenregeneration liefern die Erkenntnisse Hinweise darauf, welche Porengeometrien günstige mechanische und biologische Eigenschaften besitzen könnten. Dies könnte langfristig für rekonstruktive Verfahren im Bereich der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie sowie für die Vorbereitung komplexer implantologischer Rehabilitationen von Bedeutung sein. Eine unmittelbare klinische Anwendung lässt sich aus den vorliegenden präklinischen Daten jedoch nicht ableiten.

8. Evidenzniveau, Limitationen und Transparenz

Bei dieser Arbeit handelt es sich um eine präklinische experimentelle In-vitro-Studie und damit um ein frühes Evidenzniveau.

Die Untersuchung liefert grundlegende Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Scaffold-Architektur, mechanischer Belastbarkeit und biologischer Zellantwort. Eine Validierung im Tiermodell oder am Menschen wurde im verfügbaren Abstract nicht beschrieben. Ebenso werden keine Langzeitdaten oder klinischen Ergebnisse berichtet.

Methodische Limitationen werden in den vorliegenden Informationen nicht näher erläutert. Angaben zu möglichen Interessenkonflikten oder finanziellen Verbindungen der Autoren sind ebenfalls nicht enthalten.

9. Kernaussagen der Studie

• Studientyp: Präklinische In-vitro-Studie
• Evidenzniveau: Präklinisch
• Untersuchungsmaterial: PLA-Scaffolds mit unterschiedlichen Porositäten und Porengeometrien
• Anzahl der Patienten oder Implantate: Nicht zutreffend
• Nachbeobachtungszeit: Nicht angegeben
• Primärer Endpunkt: Einfluss von Porosität und Porengeometrie auf biologische und mechanische Eigenschaften
• Wichtigstes Ergebnis: Diamond- und Gyroid-Strukturen zeigten eine bessere mechanische Leistungsfähigkeit; Diamond-Scaffolds wiesen zudem die günstigste Zellproliferation der hBMSCs auf.
• Wissenschaftliche Schlussfolgerung: Die innere Scaffold-Architektur stellt einen wesentlichen Konstruktionsparameter für die Optimierung additiv gefertigter Gerüstsysteme dar.
• Limitationen: Präklinisches In-vitro-Modell; weitere Einschränkungen werden im Abstract nicht beschrieben.

10. Wissenschaftliche Bedeutung

Die Studie erweitert das Verständnis darüber, wie sich die Mikroarchitektur additiv gefertigter Scaffolds auf deren funktionelle Eigenschaften auswirkt. Anstatt ausschließlich den Werkstoff in den Mittelpunkt zu stellen, zeigt sie, dass die geometrische Gestaltung der inneren Struktur einen entscheidenden Beitrag zur biologischen und mechanischen Leistungsfähigkeit leisten kann.

Für die Forschung im Bereich der regenerativen Medizin und der digitalen Knochenrekonstruktion liefern die Ergebnisse wertvolle Anhaltspunkte für die Entwicklung zukünftiger Scaffold-Designs. Insbesondere TPMS-basierte Architekturen könnten eine interessante Grundlage für weitere präklinische Untersuchungen darstellen. Ob sich diese experimentellen Vorteile auch in klinisch relevanten Situationen bestätigen lassen, muss jedoch erst durch weiterführende Studien geklärt werden.

11. Redaktionelles Fazit

Diese präklinische Untersuchung unterstreicht die Bedeutung von Porosität und Porengeometrie für die Entwicklung additiv gefertigter Knochenscaffolds. Unter den getesteten Strukturen zeigte insbesondere die Diamond-Architektur eine vorteilhafte Kombination aus mechanischer Stabilität und biologischer Leistungsfähigkeit. Die Ergebnisse liefern wichtige Impulse für die Weiterentwicklung regenerativer Biomaterialien, bedürfen jedoch einer Bestätigung durch In-vivo- und klinische Studien, bevor eine Anwendung im klinischen Alltag in Betracht gezogen werden kann.