Biomimetische Gerüste bieten Hoffnung auf die Reparatur von Schädeldefekten

Der Schädelknochen im menschlichen Körper erfüllt sehr wichtige Funktionen, wie z. B. den Schutz des Gehirns und die Ermöglichung des Durchgangs der Hirnnerven, die für die physiologische Funktion unerlässlich sind. Schädeldefekte kritischer Größe können sowohl das physische als auch das psychische Wohlbefinden der Patienten beeinträchtigen. Die Wiederherstellung von Schädeldefekten kritischer Größe durch Kranioplastik stellt eine Herausforderung für rekonstruktive Chirurgen dar, die lieber autologe Knochentransplantate verwenden. Der Erwerb von autologem Knochen erfordert zusätzliche chirurgische Eingriffe und birgt Risiken wie den Verlust des freien Lappens, Infektionen, tiefe Venenthrombosen und Nervenverletzungen. Diese Einschränkungen erfordern die Entwicklung von Alternativen zu autologen Knochentransplantaten für die Wiederherstellung von Schädeldefekten.

Biomaterialien, die die Zusammensetzung und Mikrostruktur von natürlichem Knochen nachahmen, gelten weithin als ideal für die Regeneration von Knochendefekten. Die Schädelknochen bestehen hauptsächlich aus Kalziumphosphat und sind typische flache Knochen, die im Allgemeinen dünn und breit sind und eine abgeflachte oder gekrümmte Oberfläche haben. Der flache Knochen hat zwei äußere kompakte Tische aus kortikalem Knochen. Der Bereich zwischen den beiden Tafeln wird Diploe genannt und besteht aus Spongiosa. Kortikaler Knochen weist eine geringe Porosität (5 bis 10 %) mit miteinander verbundenen röhrenförmigen Poren auf, die als Havers-Kanäle und Volkmann-Kanäle bezeichnet werden. Die Spongiosa besteht aus unregelmäßigen schwammartigen Trabekeln mit einer hohen spezifischen Oberfläche, und die mittlere Oberflächenkrümmung der Trabekeloberfläche liegt nahe bei Null. Die architektonischen Eigenschaften von Spongiosa ähneln denen der Porentopologie mit dreifach periodischer Minimaloberfläche (TMPS) vom Gyroid-Typ.

Inspiriert von der Zusammensetzung und den Strukturmerkmalen der Schädelknochen entwickelten Wissenschaftler der South China University and Technology zwei flache, knochenähnliche biokeramische Gerüste aus β-Tricalciumphosphat (Gyr-Comp und Gyr-Tub) durch hochpräzisen 3D-Druck auf der Basis von Küpenfotopolymerisation . Beide Gerüste hatten zwei Außenschichten und eine Innenschicht mit Gyroidporen, die die Diploe-Struktur nachahmten. Die äußeren Schichten der Gyr-Comp-Gerüste simulierten die geringe Porosität der äußeren Tische, während die der Gyr-Tub-Gerüste die röhrenförmige Porenstruktur der Tische flacher Knochen nachahmten. Die Gyr-Comp- und Gyr-Tub-Gerüste besaßen eine höhere Druckfestigkeit und förderten in vitro deutlich die Zellproliferation, osteogene Differenzierung und angiogenen Aktivitäten im Vergleich zu herkömmlichen Gerüsten mit Kreuzschraffurstrukturen. Nach 12-wöchiger Implantation in Schädeldefekte von Kaninchen erzielte Gyr-Tub die besten Reparatureffekte durch die Beschleunigung der Bildung von Knochengewebe und Blutgefäßen. Die Gyr-Tub-Gerüste haben gute Aussichten für die Behandlung von Schädelknochendefekten in klinischen Anwendungen. Diese Arbeit bietet eine fortschrittliche Strategie zur Herstellung biomimetischer Biomaterialien, die den strukturellen und funktionellen Anforderungen einer wirksamen Knochenregeneration entsprechen.