Erste In-vivo-Untersuchung von 3D-gedruckten FeMn-Akermanit-Scaffolds zur Knochenregeneration:

Knochendefekte kritischer Größe sind nach wie vor schwer zu behandeln, da derzeitige Ersatzmaterialien selten eine anatomische Passform, mechanische Festigkeit, vernetzte Porosität und kontrollierten biologischen Abbau vereinen. Biomaterialien auf Eisenbasis haben sich als vielversprechend erwiesen, doch herkömmliche Herstellungsverfahren schränken ihre geometrische Präzision und Anpassungsfähigkeit ein. Die additive Fertigung (AM) bietet eine Möglichkeit, diese Einschränkungen zu überwinden, indem sie poröse, aus mehreren Materialien bestehende FeMn-Akermanit-Scaffolds auf Eisenbasis mit maßgeschneidertem Abbauverhalten und Bioaktivität ermöglicht. Aufbauend auf früheren In-vitro-Untersuchungen, die gezeigt haben, dass Fe–Mn–Akermanit (Ak)-Verbundwerkstoffe zellverträglich, osteogen und MR-kompatibel sind und ein verbessertes Abbauverhalten aufweisen, befasst sich diese Studie mit einer großen Wissenslücke: In-vivo-Studien zu AM-Scaffolds auf Eisenbasis sind rar, und es ist allgemein anerkannt, dass In-vitro- und In-vivo-Ergebnisse für biologisch abbaubare Metalle nur in geringem Maße miteinander korrelieren. Die Autoren führten daher die erste In-vivo-Bewertung dieses aus mehreren Materialien bestehenden, im Extrusionsverfahren gedruckten FeMn-Ak-Verbundwerkstoffs durch, um den biologischen Abbau, die Osseointegration, die mechanische Integrität und die Biosicherheit in einem semi-orthotopen Modell für kritische Knochendefekte bei Mäusen zu untersuchen.

Zwei Verbundformulierungen (Fe mit 35 Gew.-% Mn und entweder 20 oder 30 Vol.-% Ak) wurden als druckbare Tinten hergestellt und mithilfe eines GeSiM BioScaffolder 3.2 zu porösen zylindrischen Scaffolds verarbeitet. Die gemessenen Abmessungen der Streben und Poren lagen nahe an den Auslegungswerten (Abweichung von etwa 3–6 %), bei einer Porosität von 61–63 %. Nach dem Entbindern und Sintern wurden die Scaffolds mittels SEM/EDS und μCT charakterisiert. In-vitro-Eintauchversuche in modifizierter SBF dienten der Bewertung der Ionenfreisetzung und des Abbauverhaltens. Zur In-vivo-Bewertung wurden die Gerüste in Defekte kritischer Größe in zylindrischen Trabekelknochen-Explantaten von Rindern eingesetzt, die anschließend für 16 Wochen subkutan in Nacktmäuse implantiert wurden (vier Mäuse, jeweils vier Konstrukte). Die entnommenen Konstrukte wurden einer μCT-Untersuchung, histologischen Untersuchung, SEM/EDS-Analyse sowie mechanischen Push-out-Tests unterzogen, während die wichtigsten Organe auf systemische Toxizität untersucht wurden.

Beide Scaffoldtypen unterstützten die Neubildung von Knochen und zeigten eine hervorragende Osseointegration, wobei Knochen neben den Scaffolds wuchs und begann, deren Poren zu durchdringen. Der biologische Abbau in vivo verlief deutlich langsamer als in vitro (6–8 % Volumenverlust nach 16 Wochen), was nach Ansicht der Autoren auf dichte Schichten aus Abbauprodukten zurückzuführen ist, die den Sauerstofftransport einschränken. Das mechanische Verhalten unterschied sich zwischen den beiden Formulierungen. FeMn-20Ak-Scaffolds behielten ihre mechanische Integrität weitgehend bei, wobei ihre Eigenschaften im Bereich des menschlichen Trabekelknochens lagen, während FeMn-30Ak-Gerüste, die einen höheren Keramikanteil aufweisen, spröde wurden und während der Tests nicht intakt blieben. Es wurden keine Pathologien der Hauptorgane beobachtet, und in der Leber war lediglich eine leichte Eisen- und Mangananreicherung festzustellen, was die Autoren auf das hohe Verhältnis von Implantat zu Körpergewicht bei den Mäusen zurückführen.

Insgesamt deuten diese vorläufigen Ergebnisse darauf hin, dass extrusionsbasierte, mittels additiver Fertigung hergestellte FeMn-Ak-Scaffolds langsam biologisch abbaubar sind, sich in den Knochen integrieren und – in der FeMn-20Ak-Formulierung – in vivo ihre mechanische Integrität bewahren, was einen Schritt in Richtung ihrer Verwendung als biologisch abbaubare Knochenersatzmaterialien darstellt. FeMn-20Ak erwies sich aufgrund seiner ausgewogenen Kombination aus mechanischer Belastbarkeit und Osseointegration als der vielversprechendste Kandidat. Die Studie weist deutliche Einschränkungen auf: vier immundefiziente Mäuse, drei Proben pro Gruppe für Push-out- und histologische Untersuchungen sowie eine subkutane Umgebung ohne mechanische Belastung. Die Autoren fordern daher umfangreichere Studien an belastbaren orthotopen Modellen bei immunkompetenten Tieren mit detaillierterer histopathologischer Untersuchung, bevor das klinische Potenzial bewertet werden kann. Sie halten FeMn-20Ak für bereit für die nächste Stufe der präklinischen Bewertung.

Im September 2026 trafen sich Biomaterialforscher auf der ESB in Antwerpen und der DGBM-Jahrestagung in Aachen, um Ergebnisse auszutauschen und das Fachgebiet voranzubringen. Während vielversprechende Materialien in die präklinische Testphase vorrücken, bieten Studien wie diese ein nützliches Beispiel für die Fragen, die dabei aufkommen. In vitro abbauten diese Scaffolds mit Geschwindigkeiten im Bereich, der als geeignet für „ “-Knochen angesehen wird, während der Abbau in vivo langsamer verlief und sich die beiden Zusammensetzungen im mechanischen Verhalten unterschieden. Dies macht deutlich, dass Abbaugeschwindigkeit, mechanische Stützkraft und Gewebereaktion am besten gemeinsam betrachtet werden und dass frühe präklinische Ergebnisse als Orientierung für die nächsten Schritte dienen. Wir freuen uns darauf, zu sehen, wie die Fachgemeinschaft auf diesen Ergebnissen aufbaut.

Bild aus dem grafischen Abstract

Dieser Artikel basiert auf folgender Veröffentlichung: Putra, N.E., Xu, J., Leeflang, M.A. et al. Additiv gefertigte, biologisch abbaubare, poröse FeMn-Akermanit-Gerüste für kritische Knochendefekte: die erste In-vivo-Bewertung. Materials Today Bio 34, 102123 (2025). https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2025.102123