Wissenschaftler des CNRS haben in Zusammenarbeit mit klinischen UniversitÀtsÀrzten, TierÀrzten und Akademikern innovative Biomaterialien entwickelt, die nicht nur die chemische Zusammensetzung von Knochen, sondern auch deren dreidimensionale Mikroarchitektur nachahmen.
Diese Materialien könnten die QualitÀt der Knochenreparatur durch Autotransplantate im Vergleich zu Keramiken, die zwangslÀufig makroporös sind, schwer resorbierbar sind und die Bildung von Knochen mit geringer Remodellierungsrate verursachen, erheblich verbessern.
a) REM-Aufnahme von entkalktem menschlichem kompaktem Knochen bei geringer VergröĂerung. MaĂstab: 50 ”m.
b) Dasselbe ProbenstĂŒck bei starker VergröĂerung. MaĂstab: 5 ”m.
c) REM-Aufnahme eines synthetischen Kollagenmaterials mit einer dichten und organisierten biomimetischen Struktur (Col100). MaĂstab: 5 ”m.
d) REM-Aufnahme eines unorganisierten kollagenen Fibrillennetzwerks mit groĂen interfibrillĂ€ren RĂ€umen (Col40). MaĂstab: 2 ”m.
Das Diagramm unter (b) veranschaulicht die Schichtstruktur. Knochengewebe besteht aus einer hybriden organisch/anorganischen Matrix, die hauptsÀchlich aus Fibrillen eines Proteins namens Kollagen und Nanopartikeln aus Apatit (HA), der stabilsten kristallinen Phase von Calciumphosphat, besteht. Diese einzigartige Zusammensetzung verleiht den Knochen ihre mechanischen Eigenschaften.
Knochen ist ein bemerkenswertes Gewebe, das eine beeindruckende FĂ€higkeit zur Selbstreparatur aufweist. Bei gröĂeren Defekten reicht diese angeborene RegenerationsfĂ€higkeit jedoch oft nicht aus. Traditionelle AnsĂ€tze zur Knochenreparatur beruhen auf der Verwendung von autologen Knochentransplantaten, bei denen Spender und EmpfĂ€nger dieselbe Person sind. Diese Transplantate sind sehr effektiv, da ihre biologischen Eigenschaften die Akzeptanz des Transplantats, ein gutes Knochenwachstum und ein etabliertes GefĂ€Ănetzwerk gewĂ€hrleisten.
Autologe Knochentransplantate haben jedoch einige EinschrĂ€nkungen, wie eine gewisse MorbiditĂ€t im Zusammenhang mit der Entnahmestelle und die VerfĂŒgbarkeit einer ausreichenden Knochenmenge fĂŒr die Entnahme. Daher hat sich die Forschung auf die Entwicklung alternativer Knochenersatzmaterialien konzentriert, die die Geweberegeneration effektiv unterstĂŒtzen können.
Keramiken, insbesondere Biokeramiken, mineralbasierte Materialien, werden in der klinischen Praxis hĂ€ufig zur Reparatur von Knochengewebe eingesetzt. Obwohl sie optimale mechanische Eigenschaften (Steifigkeit) aufweisen, ist ihre Resorption im Körper verbesserungswĂŒrdig, da die Eigenschaften, die durch die organische Matrix verliehen werden, fehlen (Video).
In diesem Zusammenhang haben Wissenschaftler des Labors fĂŒr Chemie der kondensierten Materie in Paris (CNRS/Sorbonne UniversitĂ©) in Zusammenarbeit mit klinischen UniversitĂ€tsĂ€rzten (UniversitĂ© Paris CitĂ©, UniversitĂ© Paris Nord, HĂŽpital Bichat, INSERM), TierĂ€rzten (IMM) und Akademikern (ENS Lyon) Materialien entwickelt, die durch biomimetische Selbstorganisation hergestellt werden und die prĂ€zise Anordnung von Kollagen und Apatit steuern. Sie erreichen eine Struktur, die der des natĂŒrlichen Knochens nĂ€her kommt als alle auf dem Markt erhĂ€ltlichen Biomaterialien.
Eine Reihe von Analysetechniken, darunter Histopathologie, computergestĂŒtzte Tomographie, Röntgenweitwinkelstreuung, Mikroindentation und Elektronenmikroskopie, wurde eingesetzt, um die biologischen, mechanischen und strukturellen Eigenschaften dieser neuen Materialien zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass sie die QualitĂ€t der Knochenreparatur im Vergleich zu Keramiken signifikant verbessern können.
Diese biomimetischen Materialien fördern nicht nur die Zellbesiedlung, sondern ermöglichen auch die Entwicklung natĂŒrlicher Resorptions- und Remodellierungsprozesse, was zu einer schnelleren und vollstĂ€ndigeren Heilung fĂŒhrt. DarĂŒber hinaus zeigen diese Ergebnisse erstmals, dass die strukturellen Muster der Knochenmatrix eine Rolle bei ihrer Leistung als Transplantat spielen können.
Diese Arbeit, die in
Nature veröffentlicht wurde, eröffnet neue Wege fĂŒr die Entwicklung wettbewerbsfĂ€higer Biomaterialien zur Knochenreparatur und -regeneration sowie fĂŒr die Etablierung relevanter Modelle, die unser grundlegendes VerstĂ€ndnis der Knochenbiomineralisation verbessern können.
Redakteur: CCdM
Referenz
Marc Robin, Elodie Mouloungui, Gabriel Castillo Dali, Yan Wang, Jean-Louis Saffar, Graciela Pavon-Djavid, Thibaut Divoux, Sébastien Manneville, Luc Behr, Delphine Cardi, Laurence Choudat, Marie-Madeleine Giraud-Guille, Anne Meddahi-Pellé, Fannie Baudimont, Marie-Laure Colombier & Nadine Nassif.
Mineralized collagen plywood contributes to bone autograft performance
Nature 2024
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08208-z
Quelle: CNRS INC