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Carboxymethylchitosan-Alginat als Verstärker für die Reparaturwirkung von Knochenzement

Kritische Knochendefekte erfordern oft den Einsatz von Knochentransplantaten oder künstliche Knochensubsitutenten wie Kalziumphosphatzement (CPC) oder Magnesiumphosphatzement (MPC). In der hier präsentierten Studie wird MPC mit Carboxylmethylchitosan und Natriumalginat zu einem neuartigen Knochenzement modifiziert und seine Eigenschaften in vivo und in vitro untersucht.

CARBOXYLMETHYLCHITOSAN-ALGINAT VERSTÄRKT DIE KNOCHENREPARATURWIRKUNG VON MAGNESIUMPHOSPHAT-KNOCHENZEMENT DURCH AKTIVIERUNG DES FAK-WNT-SIGNALWEGS

Ling Yu, Tian Gao, Wei Li, Jian Yang, Yinchu Liu, Yanan Zhao, Ping He, Xuefeng Li, Weichun Guo, Zhengfu Fan, Honglian Dai, Carboxymethyl chitosan-alginate enhances bone repair effects of magnesium phosphate bone cement by activating the FAK-Wnt pathway, Bioactive Materials, Volume 20, 2023, Pages 598-609, ISSN 2452-199X, https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.06.017.

Knochendefekte haben vielfältige Ursachen wie Verletzungen, Tumoren oder Infektionen. Überschreiten Knochendefekte eine bestimmte Größe, ist eine Selbstreparatur unmöglich. Standardlösungen in der Medizin sind dafür autologe und allogene Knochentransplantationen. Da dort allerdings ein erhöhtes Risiko für Komplikationen bei der Knochenentfernung, Krankheitsübertragung oder auch Abstoßung des Implantats herrscht, geht der Trend zu künstlichen Knochensubstituenten wie Kalziumphosphatzement (CPC). CPC wird häufig für den Knochenaufbau genutzt, hat aber den Nachteil einer geringen Stärke, langen Gerinnungszeit und langsameren Absorption.

Magnesium ist Teil der gesunden Knochenstruktur und macht ca. 60 % des Knochens aus. Aus dem Grund ist Magnesiumphosphatzement (MPC) als Alternative zu CPC in den Fokus von Forschenden geraten. Im Vergleich zu CPC, weißt MPC eine hohe mechanische Stärke und eine gute Bioabbaubarkeit auf. Zudem bestätigten in vivo und in vitro Studien eine sehr gute Biokompabilität und gute Eigenschaften als anorganischer Knochenfiller. Allerdings erschwert eine lange Trocknungszeit mit hoher Temperaturabgabe den praktischen Einsatz von MPC.

Um die osteo-induktiven und mechanischen Eigenschaften von MPC weiter zu verbessern, wurde in der vorgestellten Studien MPC mit Carboxylmethylchitosan (CMC) und Natriumalginat (SA) gekoppelt. CMC ist ein wasserlösliches, positiv-geladenes Chitosanderivat, das mit dem negativ-geladenen SA starke elektrostatische Wechselwirkungen eingehen kann. Zudem ähnelt CMC in der Struktur den Glucosamioglycanen in der extrazellulären Matrix, was den Knochenaufbau fördern kann. Der mit CMC/SA-gekoppelte MPC wurde in der Studie auf seine Biokomptabilität und seine Eigenschaften in Bezug auf Zelladhäsion, Proliferation und Differenzierung an MC3T3-E1 Zellen untersucht. Außerdem wurde die In-vivo-Osteogenität anhand eines Ratten-Kalvarialdefektmodells abgeschätzt.

ERGEBNISSE

  • Höchste mechanische Stärke bei Zugabe von 2 % CMC/SA mit 59,43 ± 8,81 MPa
  • Verlängerung der Trocknungszeit von 3,40±0,66 min (MPC) auf 12,83 ± 1,63 % nach Zugabe von 4 % CMC/SA
  • Verlängerte mögliche Injektionsdauer und verringerte maximale Temperatur bei Zugabe von 4 % CMC/SA
  • Verbesserte Oberflächenstruktur von MPC durch Zugabe von CMC/SA
  • In vitro Studien mit MC3T3-E1 Zellen zeigten, dass es in Anwesenheit von CMC/SA zu einer Ausbildung von mehr Pseudopodien, einer faserartigen Struktur und einer Erhöhung der Zellproliferation kam
  • Keine Anzeichen von Zytotoxizität
  • Im Vergleich zu MPC, Förderung der Expression von osteogenen Proteinen durch CMC/SA
  • MPC-CMC/SA aktivierte den Integrin-Signalweg, was zu einer erhöhten intrazellulären FAK-Phosphorylierung führte
  • In vivo: schnellerer Bioabbau und Ausbildung von dickeren, kontinuierlicheren neuen Knochenfragmenten bei MPC-CMC/SA im Vergleich zu reinem MPC
  • Keine Anzeichen von Entzündung, Nekrose und Infektionen an der Implantatstelle für MPC und MPC-CMC/SA

Schlussfolgerungen: Insgesamt wurde in der vorliegenden Studie ein neuartiger Knochenzement aus MPC gekoppelt mit CMC und SA entwickelt. Durch eine Verbesserung der chemischen Eigenschaften wie mechanische Stärke, verminderte Hitzeentwicklung und einer verlängerte Trocknungsdauer, zeigte MPC-CMC/SA gute Eigenschaften für eine klinische Anwendung. In vitro konnte die osteogene Differenzierung von MC3T3-E1 Zellen durch den Integrin-FAK-Wnt Weg festgestellt werden. Außerdem verbesserte sich in vivo die die Knochenneubildung durch die Kopplung mit CMC-SA. Insgesamt zeigt MPC-CMC/SA ein ausgezeichnetes Potential für die Reparatur und Regeneration von Knochengewebe.

Link zum Artikel: Carboxymethyl chitosan-alginate enhances bone repair effects of magnesium phosphate bone cement by activating the FAK-Wnt pathway - ScienceDirect

Alginat, CMC, Knochenreparatur, Knochenzement

Kongresse und Messen

Treffen Sie uns 2023 auf folgenden Messen:

  • EASO Winterschool 2023, Wittenberg, Deutschland, 15.02.-18.02.2023
  • EUCHIS 2023, Siglufjörður, Island, 11.-14.09.2023
  • EPNOE 2023, Graz, Österreich, 18.09.-22.09.2023
  • Asia Pacific Chitin and Chitosan Symposium 2023, Juju, Süd-Korea, 31.10.-03.11.2023

Zur Vereinbarung von Terminen, bitte kontaktieren Sie Frau Richter über sales(at)medical-chitosan.com

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News

  • Chitosan in Polymer-basierten Nanopartikeln zum Wirkstofftransport ins Auge

    Augenerkrankungen sind durch natürliche Faktoren wie der Blut-Augen-Barriere, Hornhaut oder dem Tränenfilm schwer zu behandeln. Helfen können dort polymerbasierte Nanopartikel u.a. aus Chitosan um den Wirkstofftransport zu verbessern. In diesem Artikel wollen wir Ihnen ein Review zu diesem Thema zusammenfassen.

  • Presseinformation mRNA-Wirkstoffe: Geschützt zur optimalen Wirkung

    Berlin, Halle, 16.03.2023: Seit Januar dieses Jahres wird im Projekt „Zielwirk“ eine neue Chitosan-Technologie zur effizienten Freisetzung von mRNA-Wirkstoffen entwickelt. Die Technologie soll dafür sorgen, dass Medikamente zur Behandlung schwerer Krankheiten besser vom Körper aufgenommen sowie verarbeitet werden können. Die beteiligten Projektpartner Heppe Medical Chitosan GmbH, FDX Fluid Dynamix GmbH, die Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg sowie das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) werden dabei vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) über drei Jahre mit sechs Millionen Euro gefördert.

  • Katja Richter im wissenschaftlichen Komitee der EUCHIS Konferenz 2023

    Wir freuen uns sehr zu verkünden, dass Katja Richter, CEO der Heppe Medical Chitosan GmbH, in das wissenschaftliche Komitee der EUCHIS 2023 berufen wurde. Die EUCHIS 2023, die internationale Konferenz der Europäischen Chitin-Gesellschaft (EUCHIS 2023) und die 15. Internationale Konferenz über Chitin und Chitosan (15. ICCC) wird vom 11. bis 14. September 2023 in Siglufjörður, Island, stattfinden.

  • HMC bei der ESAO Winterschool 2023 in Lutherstadt Wittenberg

    Vom 15.02. bis 18.02.2023 findet in Lutherstadt Wittenberg die ESAO Winterschool 2023 statt. Organisiert wird die Winterschool vom Fraunhofer Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) sowie der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. Neben Experten und Expertinnen aus der Wissenschaft, werden wir, die Heppe Medical Chitosan GmbH, ebenfalls vertreten sein.

  • Arginin-Chitosan Nanopartikel für siRNA Transport

    Small interfering RNAs (siRNAs) können als in Gentherapien für z.B. Krebserkrankungen wie Leukämie genutzt werden. Allerdings ist die Anwendung dieser durch einen fehlenden, effizienten Wirkstofftransport limitiert. In der vorgestellten Studie wurde daher Chitosan mit Arginin zu Nanopartikeln funktionalisiert, mit siRNA beladen und deren Eigenschaften als siRNA-Vektor untersucht.

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