Entwicklung eines 3D-gedruckten degradablen Polycaprolacton-basierten Implantates für die chirurgische Versorgung chronischer Sehnenrupturen

Chronische Sehnenrupturen stellen, vor allem in der älteren Bevölkerung, häufige Verletzungen im Bereich der Orthopädie dar. Neben traditionellen Nahtverfahren, werden oft zusätzlich Implantatmaterialien zur Versorgung der chronischen Rupturen benötigt, welche mit großen Retraktionen und degenerativen Veränderungen einhergehen. Implantate, die die benötigten mechanischen und biologischen Eigenschaften aufweisen sind momentan nicht verfügbar. Aus diesem Grund wurden in der hiesigen Studie 3D-gedruckte Matten als Ausgangsmaterial für Implantate hergestellt, mit Polycaprolacton als Grundwerkstoff. Zwei verschiedene Polycaprolactone wurden eingesetzt, eines in einem chemischen Reinheitsgrad und eines in einem medizinischen Reinheitsgrad. Beide wurden mechanisch, mittels einer Materialtestungsmaschine, und biologisch, in der Zellkultur mit mesenchymalen Stammzellen, charakterisiert. Das PCL des chemischen Reinheitsgrades wies bessere Haltekräfte auf, in der Zellkultur zeigte aber das PCL in medizinischem Reinheitsgrad einen besseren Verlauf der Viabilität (ermittelt mit WST-8 Test) über die Zeit. Deshalb und wegen einer späteren leichteren Übertragbarkeit in die Klinik wurde für weitere Versuche mit dem medizinisch reinem PCL weitergearbeitet.

Eine Designadaptation der 3D-gedruckten PCL-Matten konnte die mechanischen Eigenschaften leicht, aber nicht signifikant verbessern.

Zur Bewertung der generellen Zytotoxizität der PCL-Matten in medizinischem Reinheitsgrad wurden L929-Mausfibroblasten eingesetzt. Es zeigte sich, dass die PCL-Matten nach 3 Tagen knapp unter 70 % der Zellkontrolle lagen, nach 7 Tagen war dieser Effekt nicht mehr feststellbar.

Zur Erhöhung der Hydrophilie und dadurch der Zytokompatibilität wurden 3D-gedruckte PCL-Matten plasmabehandelt. Kontaktwinkel wurden mittels eines Kontaktwinkelmessgeräts ermittelt. Es zeigte sich eine deutliche, teils signifikante, Verringerung des Kontaktwinkels für plasmabehandelte Matten. Zellkulturtests mit mesenchymalen Stammzellen zeigten keinen deutlichen Unterschied zu den unbehandelten Matten in der Vitalität. Eine Färbung mit DAPI und Phalloidin zeigte dennoch einen leicht erhöhten Zellbewuchs.

Um die Zytokompatibilität weiter zu erhöhen, wurden plasmabehandelte Matten mit Fibronektin bzw. Kollagen I beschichtet. Dies erzeugte eine signifikante Erhöhung der Zellviabilität im WST-8 Test in der Fibronektingruppe. Für die Kollagengruppe war hier ein deutlicher Trend zu höheren Werten erkennbar. In der DAPI-Phalloidin Färbung zeigte die Kollagengruppe die beste Zellverteilung und -morphologie.

Als weiteres wurde ein neuartiges biomechanisches Testsystem an Schafsehnen etabliert: Die digitale Bildkorrelation (DIC). Der Einsatz des Systems auf nativen Sehnen war möglich. Dehnungen konnten ermittelt werden. Weitere Adaptationen des Systems, auch für die Anwendung an verändertem Sehnengewebe, sind noch vonnöten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Herstellung PCL-basierter Implantate durch 3D-Druck möglich war. Eine Erhöhung der Biokompatibilität durch verschiedene Verfahren wie Plasmabehandlung und Proteinbeschichtung konnte erreicht werden. Um für einen späteren Einsatz bei chronischen Sehnenrupturen wirklich Einsatz finden zu können, werden weitere Anpassungen, vor allem zur Erhöhung der mechanischen Haltekräfte, vonnöten sein.