Zeitschrift für Regenerative Medizin

Biomaterialien und Bioingenieurwesen

Es gibt technologische Fortschritte bei der Entwicklung einer kontinuierlichen Überwachung und Regulierung des Glukosespiegels durch die Implantation von Sensorchips. Von der Lab-on-a-Chip-Technologie wird erwartet, dass sie die Diagnostik modernisiert und einfacher und regulierter macht. Ein weiterer Bereich, der die Gesundheitsversorgung von morgen verbessern kann, ist die Arzneimittelverabreichung. Mikronadeln haben das Potenzial, die Einschränkungen herkömmlicher Nadeln zu überwinden, und werden derzeit für die Verabreichung von Arzneimitteln an verschiedenen Stellen im menschlichen Körper untersucht. Auf dem Gebiet der Gerüstherstellung gibt es enorme Fortschritte, die die Möglichkeiten des Tissue Engineering verbessert haben. Die meisten neuen Gerüste für das Tissue Engineering sind Hydrogele und Kryogele. Dynamische Hydrogele finden große Anwendung im Tissue Engineering und in der Arzneimittelverabreichung. Darüber hinaus ermöglichen die supermakroporösen Kryogele die Anlagerung und Vermehrung der meisten Zelltypen von Säugetieren und haben sich in der Gewebezüchtung und Bioseparation bewährt.

Aus Sicht des Gesundheitswesens können Biomaterialien in folgende Kategorien eingeteilt werden: (1) Synthetisch (Metalle, Polymere, Keramik und Verbundwerkstoffe); (2) Natürlich gewonnen (tierischen und pflanzlichen Ursprungs); (3) Halbsynthetische oder Hybridmaterialien. Alle diese Arten von Biomaterialien werden seit langem im Gesundheitswesen eingesetzt, doch die darauffolgenden Entwicklungen haben ihren Nutzen im Gesundheitswesen verbessert. Metalle sind die Materialklasse, die häufig für tragende Anwendungen verwendet wird. Zu den Beispielen gehören Drähte und Schrauben für Frakturfixationsplatten und künstliche Gelenke. Beim Hüftgelenkersatz werden Femurkomponenten üblicherweise aus Co-Cr-Mo- oder Co-Ni-Mo-Legierungen oder Titanlegierungen hergestellt. Polymere werden als Implantate oder biomedizinische Geräte als Gesichtsprothesen, Trachealtuben, Nieren- und Leberteile, Herzkomponenten usw. verwendet. Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE) hat sich in Knie-, Hüft- und Schultergelenken bewährt.

Keramik hat sich als Zahnimplantat oder Füllmaterial bewährt. Da Keramik eine geringe Bruchzähigkeit aufweist, sind ihre Einsatzmöglichkeiten als tragende Materialien begrenzt. Aufgrund der Kombination aus geringer Dichte und hoher Festigkeit werden Verbundwerkstoffe häufig für Gliedmaßenprothesen verwendet. Nur wenige Arten von Verbundwerkstoffen wie Bisphenol A-Glycidyl-Quarz/Silica-Füllstoff und Polymethylmethacrylat-Glasfüller werden häufig für Zahnrestaurationen verwendet. Natürlich gewonnene Polymere wie Kollagen, Gelatine, Alginat, Hyaluronsäure usw. werden im Gesundheitswesen häufig zur Herstellung dreidimensionaler (3D-)Gerüste zur Unterstützung des Zellwachstums und der Zellproliferation verwendet. Solche 3D-Zellgerüste ahmen das native Wirtsgewebe nach und sind daher im Bereich der regenerativen Medizin von großem Nutzen. Da natürlich gewonnene Biomaterialien eine begrenzte mechanische Festigkeit aufweisen, schränkt dies ihre Anwendung in lasttragenden Bereichen ein. Daher werden solche Materialien chemisch verändert, um ihre mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Beispiele hierfür sind mit Lysin und Hydroxyl-Lysin modifizierte Kollagenketten, PEGyliertes Fibrinogen (PF) usw.

Die erste Generation von Biomaterialien wurde in den 1960er und 1970er Jahren für ihre Anwendung als medizinische Implantate entwickelt. Das Hauptziel bei der Herstellung dieser Biomaterialien bestand darin, ein Gleichgewicht zwischen physikalischen und mechanischen Eigenschaften bei minimaler Toxizität für das Wirtsgewebe aufrechtzuerhalten. Ideale Eigenschaften der von Chirurgen angestrebten Biomaterialien der ersten Generation waren (1) geeignete mechanische Eigenschaften; (2) Korrosionsbeständigkeit in wässriger Umgebung; und (3) sollten in lebendem Gewebe keine Toxizität oder Karzinogenität hervorrufen. Aber Biomaterialien der zweiten Generation wurden entwickelt, um bioaktiv zu sein. Weitere Entwicklungen in der Biomaterialtechnologie führen nun zur Erweiterung von Biomaterialien der dritten Generation, die spezifische Zellreaktionen stimulieren können. Beispiele hierfür sind bioaktives Glas (3. Generation) und poröse Schäume, die so konzipiert sind, dass sie Gene aktivieren, die die Regeneration lebenden Gewebes anregen können. Es werden auch Anstrengungen unternommen, Gerüstmaterialien zu entwickeln, die nanoskalige Eigenschaften aufweisen, um die native extrazelluläre Matrix des Wirts nachzuahmen.

Derzeit liegt der Schwerpunkt der Forscher auf der Entwicklung künstlicher Gewebe (als Biomaterialien), die die gleichen architektonischen Merkmale wie das natürliche Gegenstück aufweisen. Es wird erwartet, dass die Entwicklung und Nutzung von Biomaterialien in den kommenden Jahren zunehmen wird. Neue Prognosemethoden werden entwickelt und stehen zur Verfügung, um den Fortschritt innovativer Ansätze für eine bezahlbare Gesundheitsversorgung zu unterstützen.