Was sind Biomaterialien?

Biomaterialien spielen heute eine wichtige Rolle in der Medizin – sie stellen Funktionen wieder her und erleichtern die Heilung von Menschen nach Verletzungen oder Krankheiten. Biomaterialien können natürlich oder synthetisch sein und werden in der Medizin eingesetzt, um beschädigtes Gewebe oder eine biologische Funktion zu unterstützen, zu verbessern oder zu ersetzen. Die erste historische Verwendung von Biomaterialien geht auf das Altertum zurück, als die alten Ägypter Nahtmaterial aus Tiersehnen verwendeten. Das moderne Gebiet der Biomaterialien vereint Medizin, Biologie, Physik und Chemie sowie neuere Einflüsse aus dem Tissue Engineering und der Materialwissenschaft. Das Gebiet ist in den letzten zehn Jahren aufgrund von Entdeckungen in der Gewebezüchtung, der regenerativen Medizin und anderen Bereichen erheblich gewachsen.

Metalle, Keramiken, Kunststoffe, Glas und sogar lebende Zellen und Gewebe können für die Herstellung von Biomaterialien verwendet werden. Sie können zu geformten oder maschinell bearbeiteten Teilen, Beschichtungen, Fasern, Filmen, Schäumen und Geweben verarbeitet werden, die in biomedizinischen Produkten und Geräten zum Einsatz kommen. Dazu können Herzklappen, Hüftgelenkersatz, Zahnimplantate oder Kontaktlinsen gehören. Sie sind oft biologisch abbaubar, und einige sind biologisch resorbierbar, d. h. sie werden nach Erfüllung ihrer Funktion allmählich aus dem Körper ausgeschieden.

Wie werden Biomaterialien in der heutigen medizinischen Praxis eingesetzt?

Ärzte, Forscher und Bioingenieure verwenden Biomaterialien für die folgende breite Palette von Anwendungen:

• Medizinische Implantate, einschließlich Herzklappen, Stents und Transplantate, künstliche Gelenke, Bänder und Sehnen, Hörimplantate, Zahnimplantate und Geräte zur Nervenstimulation.
• Methoden zur Förderung der Heilung von menschlichem Gewebe, einschließlich Nahtmaterial, Klammern und Heftklammern für den Wundverschluss und auflösbare Verbände.
• Regenerierte menschliche Gewebe unter Verwendung einer Kombination aus Biomaterialträgern oder Gerüsten, Zellen und bioaktiven Molekülen. Beispiele sind ein knochenregenerierendes Hydrogel und eine im Labor gezüchtete menschliche Blase.
• Molekulare Sonden und Nanopartikel, die biologische Barrieren durchbrechen und bei der Krebsbildgebung und -therapie auf molekularer Ebene helfen.
• Biosensoren, die das Vorhandensein und die Menge bestimmter Stoffe feststellen und diese Daten übermitteln. Beispiele sind Geräte zur Überwachung des Blutzuckerspiegels und Sensoren für die Gehirnaktivität.
• Systeme zur Medikamentenabgabe, die Medikamente zu einem Krankheitsziel transportieren und/oder applizieren. Beispiele hierfür sind mit Medikamenten beschichtete Gefäßstents und implantierbare Chemotherapie-Wafer für Krebspatienten.

Auf Funktion ausgelegte Biomaterialien

Bioingenieure messen die Funktion eines Biomaterials daran, wie gut es eine bestimmte Aufgabe erfüllt und wie es verwendet werden soll. Ein Wundheilungssystem muss das Hautwachstum und die Bildung von Blutgefäßen fördern. Knochenersatzmaterial muss die Zellanlagerung unterstützen und das Knochenwachstum fördern.

Eine neue Familie faserförmiger Proteinsysteme
Stammzellen sind nicht spezialisiert und können sich unter den richtigen Bedingungen in jede beliebige Art von Zelle verwandeln. Biomaterialien können zur Steuerung des Schicksals und der Funktion von Stammzellen eingesetzt werden. NIBIB-finanzierte Forscher arbeiten daran, Seide mit Tropoelastin, einem hochelastischen und dynamischen Strukturprotein, zu kombinieren, um eine Reihe von Protein-Biomaterialien zu konstruieren. Diese Materialien sollen die Elastizität verschiedener Gewebestrukturen nachahmen und folglich die biologische Funktion, insbesondere die Differenzierung von Stammzellen, steuern.

Ein Pflaster als Lungenabdichtung

Dichtungen und Pflaster aus Biomaterialien ermöglichen die Regeneration und Heilung von beschädigtem Gewebe.  Von der NIBIB finanzierte Forscher untersuchen die Verwendung von Alginat, das aus Braunalgen gewonnen wird, als Dichtungsmittel und therapeutisches Pflaster zur Behandlung von Lecks in der Lunge infolge von Operationen, Verletzungen oder Erkrankungen wie Lungenentzündung und zystischer Fibrose. Nachdem das Alginat gefriergetrocknet wurde, wird es auf die Wunde aufgetragen und mit körpereigenem Wasser rehydriert. Vorläufige Tests sind vielversprechend und zeigen, dass das Pflaster lungenähnlichem Druck standhält, Lungenlecks wirksam behandelt und die Regeneration von Lungengewebe unterstützt.

Intelligente Wundauflagen zur Behandlung chronischer diabetischer Geschwüre

Patienten mit diabetischen Geschwüren, die nicht abheilen, leiden unter verminderter Lebensqualität, Infektionen, Amputationen und Tod. NIBIB-Forscher entwickeln einen intelligenten Wundverband, der Sauerstoff und blutgefäßfördernde biochemische Faktoren liefern und gleichzeitig die Heilung überwachen kann. Durch die Kombination von Elektronik, Wundheilung, Mikrofabrikation, Biomaterialien und Medikamentenabgabe integriert der Verband Sensoren und Aktoren in engem Kontakt mit der Haut. Es wird erwartet, dass er die Heilung fördert und gleichzeitig unnötige Verbandwechsel und Besuche in medizinischen Einrichtungen reduziert.

Laserschweißen und -reparatur von gerissenem Gewebe

Ein Viertel der Patienten, die sich einer Operation unterziehen, um Teile ihres Dickdarms wieder zusammenzufügen, haben anschließend ein Leck in der Wundstelle. NIBIB-finanzierte Forscher erforschen eine Laserschweißtechnik für die Dickdarmreparatur als Alternative zum Nähen oder Klammern. Bei dem Verfahren kommen photothermische Nanokomposite zum Einsatz – Materialien in Nanogröße und Goldstäbchen, die in eine Matrix eingebettet sind und bei Erwärmung mit einem Laser mit dem gerissenen Gewebe verschmelzen können.

Auflösbarer Verband für die Behandlung von Verbrennungen

Verbrennungspatienten leiden unter akuten Schmerzen, wenn der Verband entfernt werden muss. Derzeitige klinisch zugelassene Verbände kleben an der Wundoberfläche, wodurch neu gebildetes Gewebe traumatisiert und die Heilung verzögert wird. NIBIB-finanzierte Forscher entwickeln einen Hydrogel-Verband, der sich automatisch auflöst, eine Barriere gegen Infektionen bildet und die Heilung fördert. Indem sich das Hydrogel kontrolliert in sichere Nebenprodukte auflöst, wird es möglich sein, den Verband bei Bedarf zu entfernen und die Wunde wieder freizulegen, ohne dass ein mechanisches Debridement und Schneiden erforderlich sind, was zu einer einfacheren, weniger traumatischen Behandlung führt.

Auflösbare Zinkstents

Metallstents werden üblicherweise verwendet, um Blutgefäße offen zu halten, aber Stents können langfristige Komplikationen verursachen, darunter erneute Verengung des Gefäßes, Blutgerinnsel und Blutungen. Von der NIBIB finanzierte Forscher entwickeln einen biologisch absorbierbaren Zinkstent, der sich im Laufe der Zeit harmlos abbaut und so die normalen chronischen Risiken, die mit permanenten Stents verbunden sind, minimiert. Erste Tests mit absorbierbaren Zinkstents waren vielversprechend.

Autarke Energieversorgung für implantierbare biomedizinische Geräte

Ein biomedizinisches Gerät hält nur so lange wie seine Batterie. NIBIB-geförderte Forscher wollen diese Einschränkung überwinden, indem sie Energie aus dem menschlichen Körper gewinnen, um implantierbare biomedizinische Geräte zu betreiben.  Sie erforschen derzeit innovative Nanotechnologien, um ultradünne, leichte, dehnbare und biokompatible Membranen zu entwickeln. Die Membranen können mechanische Energie, die im menschlichen Körper erzeugt wird, effizient und diskret in elektrische Energie umwandeln, was zu einer autarken Energieversorgung führt.

Was sind wichtige Bereiche für die künftige Forschung zu Biomaterialien?

Die folgenden drei faszinierenden Technologien zeigen, wohin die Reise bei den Biomaterialien gehen wird:

Unter Immunmodulation versteht man die Anpassung der Immunantwort an ein gewünschtes Niveau. Immunmodulierende Biomaterialien könnten dazu beitragen, weit verbreitete chronische Krankheiten wie Typ-1-Diabetes zu bekämpfen, eine Autoimmunerkrankung, bei der die körpereigene Abwehr die Insυlinhormonproduzierenden Zellen in der Bauchspeicheldrüse zerstört. Forscher haben vor kurzem ein injizierbares, synthetisches Biomaterial entwickelt, das Typ-1-Diabetes bei nicht fettleibigen, diabetischen Mäusen rückgängig machte – ein wichtiger Schritt zur Entwicklung einer biologisch abbaubaren Plattform, die helfen soll, die Auswirkungen der Krankheit zu kontrollieren.

Injizierbare Biomaterialien werden zunehmend für die Verabreichung von therapeutischen Wirkstoffen wie Medikamenten, genetischem Material und Proteinen verwendet. Sie bieten die Möglichkeit, eine Vielzahl von Krankheiten zu behandeln, indem sie gezielt verabreicht werden, ohne dass das Immunsystem sie aufnimmt. Die derzeit laufenden Forschungsarbeiten, bei denen sowohl synthetische als auch natürlich gewonnene injizierbare Biomaterialien zum Einsatz kommen, könnten eines Tages zur Behandlung von Knochendefekten, Krebs und Herzinfarkten verwendet werden.

Supramolekulare Biomaterialien – Molekülkomplexe, die die Grenzen dessen, was Moleküle allein tun können, überschreiten – haben das Potenzial, sowohl zu erkennen als auch zu reagieren, was sie zu idealen Materialien für die Behandlung von Verletzungen oder Krankheiten macht. Forscher erforschen die Entwicklung von supramolekularen Biomaterialien, die als Reaktion auf physiologische Signale ein- oder ausgeschaltet werden können oder die natürliche biologische Signalübertragung nachahmen.

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