Biopolymere für Knochendefekte

Dr. rer. nat. med. habil. Eva Gottfried

25.06.2026

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Biokompatibilität, Resorbierbarkeit und Kombinierbarkeit mit Additiven bieten vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für Biopolymere in der Medizin. Insbesondere Polymilchsäure (PLA) findet durch 3D-Druck in Bioglas-Komposit-Scaffolds ihren Weg in die Branche. Die Reparatur von Knochendefekten gilt als Paradeanwendung.

Knochengewebe zeigt in der Regel gute Heilungseigenschaften. Bei großen Defekten von mehr als 2,5 cm kommt die endogene Regenerationsfähigkeit allerdings an ihre Grenzen, sodass jährlich mehr als 2,2 Millionen Eigen- und Fremdtransplantationen weltweit erfolgen. Doch Gewebeverfügbarkeit, Komplikationsgefahren an der Entnahmestelle und mögliche Abstoßungsreaktionen beim Empfänger sind nach wie vor herausfordernd [1, 2]. Infolgedessen werden eine Vielzahl von Ersatzmaterialien untersucht. Die additive Fertigung von Gewebeersatz durch Kombination von biologisch abbaubaren Polymeren mit bioaktiven Substanzen ist einer der Hoffnungsträger [1, 2]. Ideales Knochenersatzmaterial sollte biokompatibel und aus mechanischer Sicht dem Knochensystem mit Kortikalis (Rinde) und Spongiosa (Schwamm) vergleichbar fest sein. Darüber hinaus sollte es nur minimale fibrotische Reaktionen hervorrufen und durch Remodelling die Knochenneubildung fördern [2].

Polymilchsäure (PLA), Polyhydroxyalkanoate (PHA), Polycaprolacton (PCL), Polymilchsäure-Co-Glykolsäure (PLGA) und Stärke-Blends sind nur einige, der auch außerhalb der Medizin genutzten Biopolymere [3]. Nachdem ihre Abbauprodukte ungiftig und resorbierbar sind, gelten einige auch als Kandidaten für die Behandlung von Knochendefekten. Die Anwendung des häufig genannten PLA im Körper ist allerdings heikel und erfordert den Zusatz verschiedener Additive [1, 2].

PLA – ein häufig genutztes Biopolymer

Polymilchsäure, kurz PLA für polylactic acid, bietet ein biobasiertes Polymere, das oft etwas unscharf als Biokunststoff bezeichnet wird. Es dient bereits zur Herstellung verschiedenster Produkte für die Textilindustrie, die Landwirtschaft und den Gesundheitsbereich, von langlebigen Produkten bis Einwegartikeln [3, 4].

PLA kann durch chemische oder fermentative Synthese aus Monomeren der Milchsäure (LA, lactic acid) hergestellt werden. Bei der chemischen Synthese entsteht durch die Hydrolyse von Lactonitril mit starken Säuren eine Mischung aus L- und D-Milchsäure-Enantiomeren; dieses Racemat ist eine Mischung aus spiegelbildlichen Molekülen mit gleicher chemischer Summenformel. Dagegen kann durch Fermentation im Bioreaktor mithilfe von Mikroorganismen reine L- oder D-Milchsäure gewonnen werden [4]. Diese Stereochemie der einzelnen Milchsäure-Moleküle (Monomere) beeinflusst die Kristallinität und Packungsdichte eines PLA-Polymers, was wiederum seine Schmelztemperatur (Tm), Glasübergangstemperatur (Tg), Abbauzeit und damit seine mechanischen und rheologischen Eigenschaften wie Stabilität und Fließfähigkeit beeinflusst [4]. Inzwischen kommen etwa 90% des genutzten PLA aus dem Bioreaktor, hergestellt aus Kohlenhydraten wie Stärke, die von Nutzpflanzen oder aus Abfallströmen als Ausgangsmaterial stammen [4].

Abbau im sauren Milieu erschwert Einsatz von PLA

Im medizinischen Bereich wird der Einsatz von reinem PLA durch den Abbau im sauren Milieu erschwert. So kann die Anreicherung von Milchsäuremonomeren im Gewebe zum Absinken des pH bis zur Azidose führen, was wiederum Entzündung im umgebenden Gewebe fördert [1, 4]. Nachdem Fälle von leichter bis schwerer Osteolyse bei Patient:innen mit PLA-Implantaten wie Schrauben, Stiften oder Platten beschrieben wurden [4], wird PLA zur Produktion nun vermehrt mit anderen Polymeren und Additiven wie Polyglykolsäure (PGA) oder Puffersalzen gemischt, wodurch weniger saure Nebenprodukte entstehen und die hydrolytische Stabilität des Polymers verbessert ist [1, 4].

Additive und Bioglas

Besonders untersucht werden auch bioaktive Keramiken mit Hydroxylcarbonat-Apatit (HCA), Hydroxylapatit, Tricalciumphosphat, sowie bioaktives Glas. Sie führen zu einem knochenähnlichen Milieu, guter Zelladhäsion und porösen Oberflächen, was wiederum die Knochenbildung leitet [1, 2, 4].

Bioaktives Glas, auch als Bioglas, Bioglass oder bioglass bezeichnet, bildet eine Gruppe synthetischer, bioaktiver anorganischer Materialien auf Siliziumdioxidbasis [2]. Das erste dieser Materialien wurde bereits Ende der 1960er Jahre von Larry Hench entwickelt; chemisch gehören sie zum SiO₂-Na₂O-CaO-P₂O₅-System, daher auch der Name Bioglas [1, 2]. Durch die Adsorption von Ca²⁺, PO₄ und CO₃²⁻ an die Silikageloberfläche wird die Knochenbildung gefördert, was mit SP53P4-Bioglas im Tiermodell bei Knochendefekten in kritischer Größe als osteokonduktiver Effekt gezeigt wurde [1, 2]. Positiv ist darüber hinaus, dass Bioglas auch das Wachstum einer Reihe multiresistenter anaerober Bakterienstämme unterdrückt [1, 2]. Inzwischen werden unterschiedlichste Herstellungsverfahren untersucht, von PLA-Bioglas-Mixturen, über pastöse Kombinationen bis zum Zusatz von Polyethylenglykol (PEG) als Weichmacher [1]. Auch Verfahren mit Mischen und Schmelzen zu Verbundwerkstoffen in Form von Pellets und Filamenten werden entwickelt. Im Fused-Filament-Fabrication-Druck (FFF) lassen sich dann Gittergeometrien mit definierten Porengrößen und Gradienten erreichen, was die Zelladhäsion und Osteointegration verbessert und wiederum Vaskularisierung und Knochenbildung fördert [1].

Biopolymere mit PLA finden aufgrund ihrer Biokompatibilität und Kombinierbarkeit mit anderen Polymeren sowie Additiven breite Anwendungsmöglichkeiten im Gesundheitswesen. Beispiele reichen von Therapie, über Diagnostiktools bis Einwegartikel, wie u.a. [5]

• maßgeschneiderte Scaffolds für Gewebezüchtung und regenerative Medizin durch 3D-Druck und Beschichtung

• resorbierbare, antimikrobielle Nahtmaterialien

• Drug delivery Systeme für die kontrollierte Freisetzung von Wirkstoffen wie Antibiotika, antivirale Substanzen, Chemotherapeutika, Hormone

• Prothesen- und Orthesenmaterialien

• Einwegmaterialien und Instrumente für Diagnostik und Chirurgie

• Bioabbaubare Sensoren

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