Injizierbares Carboxymethyl-Chitosan-Hydrogel zur Knochenregeneration bei Diabetes

Diabetes mellitus erschwert die Knochenheilung erheblich. Erhöhte Glukosewerte fördern oxidativen Stress, chronische Entzündungen und eine gestörte Aktivität knochenbildender Zellen. Dadurch heilen Knochendefekte bei diabetischen Patientinnen und Patienten oft langsamer oder unvollständig. Zusätzlich besteht ein erhöhtes Risiko für Infektionen, was die Regeneration weiter beeinträchtigen kann.

Für solche komplexen Bedingungen reichen klassische Knochenersatzmaterialien häufig nicht aus. Benötigt werden Materialien, die nicht nur als Gerüst dienen, sondern gleichzeitig Zellschutz, antibakterielle Wirkung und regenerative Signale bereitstellen. Ein injizierbares Hydrogel auf Basis von Carboxymethyl-Chitosan und plättchenreichem Plasma wurde entwickelt, um genau diese Anforderungen zu erfüllen.

Materialbasis: Carboxymethyl-Chitosan mit plättchenreichem Plasma

Die Grundlage des Systems bildet Carboxymethyl-Chitosan, ein wasserlösliches Derivat von Chitosan. Im Vergleich zu unverändertem Chitosan besitzt es eine bessere Löslichkeit, gute Biokompatibilität und antimikrobielle Eigenschaften. Eingesetzt wurde ein Carboxymethyl-Chitosan von Heppe Medical Chitosan mit einem Deacetylierungsgrad von 85 %, einem Substitutionsgrad von 0,80 und einer molaren Masse von 300 kDa.

Als bioaktive Komponente wurde plättchenreiches Plasma, kurz PRP, integriert. PRP enthält eine hohe Konzentration an Wachstumsfaktoren wie PDGF, TGF-β und VEGF. Diese Faktoren unterstützen Zellproliferation, Blutgefäßbildung, Matrixumbau und Knochenneubildung.

Das Hydrogel wurde aus 1,5 % Carboxymethyl-Chitosan hergestellt und mit 30 % PRP kombiniert. Zur Vernetzung wurde Genipin eingesetzt. Dadurch entstand ein injizierbares, viskoelastisches CMC–PRP-Hydrogel, das direkt in einen Knochendefekt eingebracht werden kann.

Mechanismus der Gelbildung und Wirkstofffreisetzung

Das Hydrogel zeigt ein ausgeprägtes scherverdünnendes Verhalten. Bei Belastung, beispielsweise während der Injektion, sinkt die Viskosität deutlich ab. Nach der Applikation kann sich die Struktur wieder stabilisieren. Dadurch eignet sich das Material gut für minimalinvasive Anwendungen.

Bei 37 °C erfolgte die Gelbildung innerhalb weniger Minuten. Nach etwa 8 Minuten wurde der Gelpunkt erreicht, und nach 20 bis 30 Minuten lag bereits ein stabiles Netzwerk vor. Die Viskosität konnte sich nach starker Scherbelastung innerhalb von 3 bis 4 Minuten zu etwa 95 % erholen.

Die Hydrogelstruktur war porös und miteinander verbunden. Der mittlere Porendurchmesser lag bei etwa 14 µm. Diese Porosität ist wichtig, da sie Zellmigration, Nährstofftransport und Gewebeneubildung unterstützen kann. Gleichzeitig zeigte das zusammengesetzte Hydrogel eine erhöhte Druckfestigkeit im Vergleich zu den Einzelkomponenten.

Freisetzung von Wachstumsfaktoren

Ein wichtiger Bestandteil des Systems ist die verzögerte Freisetzung von Wachstumsfaktoren aus PRP. Besonders untersucht wurde PDGF-BB, ein Wachstumsfaktor, der Zellwachstum, Gewebereparatur und Knochenregeneration unterstützt.

Das CMC–PRP-Hydrogel zeigte zunächst eine anfängliche Freisetzung, gefolgt von einer verlängerten Abgabe über mehrere Tage. Nach 120 Stunden wurden etwa 95 % des PDGF-BB freigesetzt. Damit wirkt das Hydrogel nicht nur als Trägermaterial, sondern auch als lokales Depot für regenerative Signale.

Biokompatibilität, antioxidative Wirkung und antibakterielle Eigenschaften

Unter oxidativem Stress konnte das CMC–PRP-Hydrogel die Lebensfähigkeit von Knochenmark-Stammzellen deutlich verbessern. Gleichzeitig wurden intrazelluläre reaktive Sauerstoffspezies reduziert. Diese antioxidative Wirkung ist besonders wichtig, da oxidativer Stress ein zentrales Problem der diabetischen Knochenheilung darstellt.

Auch die Blutverträglichkeit zeigte günstige Ergebnisse in Untersuchungen mit Mäuseblut. Die Hämolyse lag im sicheren Bereich und war deutlich niedriger als beim positiven Kontrollansatz.

Zusätzlich zeigte das Hydrogel antibakterielle Effekte gegen Escherichia coli und Staphylococcus aureus. Beide Bakterien sind für infektionsbezogene Komplikationen relevant. Die Kombination aus CMC und PRP wirkte dabei stärker als die Einzelkomponenten. Besonders das Carboxymethyl-Chitosan trägt wahrscheinlich zur antibakteriellen Wirkung bei, während PRP regenerative Signale liefert.

Förderung der Knochenbildung

Das Hydrogel unterstützte die osteogene Differenzierung von Knochenmark-Stammzellen. In Zellversuchen kam es zu einer stärkeren Mineralisierung und vermehrten Kollagenablagerung. Beides sind zentrale Merkmale der Knochenneubildung.

Auch wichtige osteogene Marker wie RUNX2, Osterix, Osteopontin und Kollagen I wurden stärker exprimiert. Diese Marker zeigen, dass die Zellen in Richtung Knochenbildung aktiviert wurden.

Der zugrunde liegende Mechanismus steht mit der PI3K/Akt-Signalkaskade in Verbindung. Dieser Signalweg ist wichtig für Zellüberleben, Proliferation und osteogene Differenzierung. Wird dieser Signalweg gehemmt, nimmt der osteogene Effekt des Hydrogels deutlich ab.

Knochenregeneration im diabetischen Mausmodell

Im diabetischen Mausmodell wurde das Hydrogel in kritische Femurdefekte eingebracht. Dabei zeigte das CMC–PRP-Hydrogel eine deutlich bessere Knochenregeneration als CMC allein oder die Kontrollbehandlung.

Die Knochendichte und der Knochenvolumenanteil waren erhöht. Histologische Untersuchungen zeigten eine besser organisierte Knochenstruktur, mehr aktive Osteoblasten und eine verstärkte Bildung von Knochenmatrix. Gleichzeitig blieb die Aktivität der Osteoklasten im physiologischen Bereich, sodass keine übermäßige Knochenresorption erkennbar war.

Damit konnte das Hydrogel nicht nur die Knochenbildung fördern, sondern auch ein günstiges Gleichgewicht zwischen Knochenaufbau und Knochenumbau unterstützen.

Welches Chitosan eignet sich für solche Systeme?

Für diese Anwendung eignet sich ein wasserlösliches Carboxymethyl-Chitosan mit definierter molarer Masse und hohem Deacetylierungsgrad. Die eingesetzte molare Masse von 300 kDa und der Deacetylierungsgrad von 85 % liefern eine geeignete Basis für Gelbildung, biologische Verträglichkeit und antimikrobielle Wirkung.

Die Carboxymethylierung verbessert die Wasserlöslichkeit und erweitert die Einsatzmöglichkeiten im physiologischen Milieu. In Kombination mit PRP entsteht ein multifunktionelles Material, das mechanische Stabilität, Zellschutz, antibakterielle Eigenschaften und regenerative Wachstumsfaktoren vereint.

Bedeutung für die regenerative Medizin

Das CMC–PRP-Hydrogel zeigt, wie ein Chitosan-Derivat gezielt für schwierige Regenerationsbedingungen angepasst werden kann. Besonders bei diabetischen Knochendefekten ist ein solches Material interessant, weil es mehrere Probleme gleichzeitig adressiert: oxidativen Stress, Infektionsrisiko, reduzierte Zellaktivität und verzögerte Knochenneubildung.

Das System verbindet die strukturellen und antimikrobiellen Eigenschaften von Carboxymethyl-Chitosan mit der regenerativen Wirkung von plättchenreichem Plasma. Dadurch entsteht ein bioaktives, injizierbares Depot, das die Knochenheilung unter diabetischen Bedingungen deutlich verbessern kann.

Für eine klinische Anwendung sind weitere Untersuchungen notwendig, insbesondere zur Langzeitstabilität, Abbaubarkeit und Übertragbarkeit auf größere Tiermodelle. Dennoch verdeutlicht das CMC–PRP-System das Potenzial maßgeschneiderter Chitosan-basierter Hydrogele für moderne Anwendungen im Bone Tissue Engineering.

Quelle
Wang, F., Wu, M., Gong, D., Zhai, Q., Tao, X., Chen, N.: Injectable carboxymethyl chitosan hydrogel loaded with platelet-rich plasma enhances bone regeneration in diabetic mice. Polymer Bulletin, Springer Nature (2026). Doi: 10.1007/s00289-026-06304-w.

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