Knochenheilung und verschwindet dann spurlos
2017 brach sich Green Bay Packers-Quarterback Aaron Rodgers in einem Spiel gegen die Minnesota Vikings das rechte Schlüsselbein. Normalerweise dauert es etwa 12 Wochen, bis ein Schlüsselbein vollständig verheilt ist, aber Mitte Dezember hofften Fans und Kommentatoren, dass der dreimalige MVP sich früher erholen und eine verlorene Saison retten könnte. Das dachte auch Xudong Wang, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der University of Wisconsin-Madison und Experte für die Entwicklung dünner, bewegungsangetriebener medizinischer Geräte. "Ich begann mich zu fragen, ob wir eine neue Lösung anbieten könnten, um Sportler schneller als je zuvor wieder auf das Spielfeld zu bringen", sagt Wang. Die Forscher veröffentlichten in der Fachzeitschrift PNAS die Arbeit "An implantable and bioresorbable electrostimulation device with its own power supply for the healing of bone fractures with biofeedback".
Forscher wissen, dass Elektrizität die Knochenheilung beschleunigen kann, aber das "Zappen" von Knochenbrüchen hat sich nie wirklich durchgesetzt, da es das chirurgische Implantieren und Entfernen von Elektroden erfordert, die von einer externen Quelle gespeist werden. Die neueste Erfindung von Wang, die eine wichtige Aktualisierung dieses Elektrostimulationskonzepts darstellt, kam nicht rechtzeitig, um den Packers von 2017 zu helfen - sie könnte jedoch vielen anderen helfen, indem sie die Elektrostimulation zu einer viel bequemeren Option zur Beschleunigung der Knochenheilung macht. Sein dünnes, flexibles Gerät ist selbstversorgend, implantierbar und bioresorbierbar, d. h. sobald der Knochen wieder zusammengewachsen ist, lösen sich die Komponenten des Geräts im Körper auf.
Knochen ist ein piezoelektrisches Material, d. h. er erzeugt ein winziges bisschen Strom, wenn er belastet wird. Diese Stromstöße regen Faktoren an, die das Knochenwachstum und die Heilung fördern, weshalb die Elektrostimulation eine wirksame Therapie ist. Es gibt zwar externe Stimulatoren, die ein elektrisches Feld erzeugen, um die Heilung indirekt zu beschleunigen, die ideale Lösung ist jedoch die direkte Stimulation des Knochens. Das Gerät im Körper zu platzieren, stellt jedoch besondere Anforderungen - nicht zuletzt an die Stromversorgung, so Wang.
"Im Idealfall ist das Gerät selbstgenerierend, was es vorher nicht gab", sagt er. Um das neue Gerät zur Elektrostimulation von Knochenbrüchen (FED) zu entwickeln, begannen Wang und sein Team mit einem triboelektrischen Nanogenerator, einem Dünnschichtgerät mit mikrostrukturierten Oberflächen, das die durch winzige Bewegungen erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Sie koppelten den Nanogenerator mit einem Paar Elektroden, um das elektrische Feld auf den Knochen zu verteilen. Sie bauten diese ultradünnen, biologisch abbaubaren und bioresorbierbaren Komponenten auf einem Substrat aus Poly(milch-co-glykolsäure), einem allgemein verwendeten und von der FDA zugelassenen biokompatiblen Polymer.
Die ersten Tests der Forscher bestätigten, dass kleine Bewegungen des Geräts tatsächlich eine elektrische Stimulation von etwa 4 Volt erzeugen, die über sechs Wochen aufrechterhalten werden kann. Anschließend testeten sie das Gerät an Ratten. Die Tiere, denen das Gerät implantiert wurde, erholten sich innerhalb von sechs Wochen vollständig von einem Schienbeinbruch, viel schneller als die Tiere einer Kontrollgruppe. Auch die Mineraldichte und die Biegefestigkeit der geheilten Knochen erreichten bei den Tieren, die die Elektrostimulation erhielten, das gleiche Niveau wie bei gesunden Knochen. Nach der Behandlung wurden die Geräte abgebaut und vom Körper der Ratten absorbiert, ohne dass Komplikationen auftraten oder eine chirurgische Entfernung erforderlich war. Wang sagt, dass es möglich ist, die Lebensdauer des Stimulators im Körper genau einzustellen - von Wochen bis Monaten - indem man die Eigenschaften des bioresorbierbaren Materials, mit dem das Gerät beschichtet ist, verändert.
Schließlich möchte Wang das Gerät zur Elektrostimulation von Frakturen so ausbauen, dass es auch beim Menschen funktioniert. Doch bei diesen selbstversorgten Geräten kann die Energiequelle ein Faktor sein. "Wenn jemand einen Knochenbruch hat, muss er normalerweise seine Bewegung einschränken", erklärt er. Mit anderen Worten: Jemand, der einen Gips trägt, produziert möglicherweise nicht genug mechanische Energie, um den triboelektrischen Nanogenerator zu betreiben.
"Die Art und Weise, wie sich eine Ratte bewegt, bietet eine konstante Stimulation für das Gerät, aber bei einem gebrochenen Knochen in einem Menschen, der nicht bewegt werden kann, ist das ein Problem", sagt Wang. Der menschliche Körper bietet jedoch praktisch endlose Bewegungsquellen, die das Gerät zur Elektrostimulation von Knochenbrüchen antreiben könnten, wenn der gebrochene Knochen unbeweglich bleiben muss. "Möglicherweise muss das Gerät auch auf andere Arten interner mechanischer Quellen reagieren, z. B. auf Blutdruckschwankungen", sagt Wang, der bereits in die Zukunft des FED blickt. "Es wird sehr interessant und aufschlussreich sein, die Entwicklung vom Tier zum Menschen zu untersuchen", sagt er.
Weitere Informationen finden Sie unter:
https://news.wisc.edu/self-powered-implantable-device-stimulates-fast-bone-healing-then-disappears-without-a-trace/ [This is automatically translated from English]