Diese Arbeit wertet 6 Originalstudien aus, die zwischen 2011 und 2024 veröffentlicht wurden und Arbeiten von Teams aus den USA, Großbritannien und China sowie chinesisch-indische Kooperationsstudien umfassen, und stellt sie in einem narrativen Überblick dar. Die ausgewählten Studien decken die Phasen Materialentwicklung, In-vitro- und Tierstudien ab; klinische Wirksamkeitsstudien am Menschen sind nicht enthalten. Die Forschungsergebnisse verbleiben bei den jeweiligen Originalautoren.
01Welche Probleme müssen Gerüste für die Knochenreparatur bzw. orale Barrieremembranen lösen?
Die grundlegende Aufgabe einer Membran zur gelenkten Knochenregeneration (GBR) besteht darin, am Zielort Raum für die Regeneration zu schaffen und das unerwünschte Einwandern von Weichgewebe zu verhindern. Ein Gerüst für Knochendefekte muss hingegen möglicherweise das Einwandern von Zellen und Blutgefäßen ermöglichen. Bei der Entwicklung dürfen „Unterstützung des Zellwachstums“ und „Blockade des Zelldurchtritts“ nicht als dasselbe Leistungsziel verstanden werden. Stattdessen muss zunächst geklärt werden, wo die elektrogesponnene Schicht platziert wird und mit welchem Gewebe sie in Kontakt kommt.1,2
| Anwendungsbereiche | Aufgaben, die elektrogesponnene Strukturen übernehmen können | Erforderliche entsprechende Bewertung |
|---|---|---|
| Orale GBR-Barrieremembran | Abdeckung, Grenzflächenschichtung und Isolation des Weichgewebes | Integrität im feuchten Zustand, Raumerhalt, zelluläres Verhalten über die Membran hinweg 1,2 |
| Fasergerüst für das Knochen-Tissue-Engineering | Zelladhäsion, mineralstoffkomposite Zusammensetzung und Porenbildung | Zellinvasion, knochenrelevante Indikatoren und Neubildung von Knochen 3,5 |
| Lokal freisetzende Membran zur Knochenreparatur | Beladung und Freisetzung unterschiedlicher Komponenten | Freisetzungsprozess, zelluläre Reaktion und Defektreparatur 4,6 |
Im oralen Umfeld kommen zudem spezifische Aspekte wie Exposition, Kontakt mit Mikroorganismen und Befestigungsart hinzu. Dass ein Material in vitro die Proliferation von Osteoblasten fördert, bedeutet nicht, dass seine Eignung als parodontale Barriere bereits nachgewiesen ist. Ergebnisse aus Tierstudien mit Schädel- oder Femurdefekten müssen ebenfalls getrennt von ihrer Anwendung im tatsächlichen oralen Umfeld bewertet werden.1,2,3,4,5,6
02Welche Kombinationen aus Materialien und Strukturen bietet Elektrospinnen?
Polycaprolacton (PCL), Polymilchsäure (PLA oder PLLA), PLGA sowie Polyglykolsäure (PGA) können Bestandteile verschiedener Fasersysteme sein. Gelatine, Seidenproteine und Kalziumphosphat-Materialien werden eingesetzt, um die Zellkontaktgrenzfläche, das Verhalten im feuchten Zustand oder die mineralische Zusammensetzung anzupassen. Die Wahl dieser Komponenten zielt darauf ab, Verarbeitbarkeit und gewünschte biologische Eigenschaften miteinander zu verbinden, anstatt die endgültige Anwendung allein anhand des Materialnamens zu bestimmen.1,2,3,4,5,6
Beim Mischspinnen lassen sich einlagige Kompositformulierungen vergleichend gestalten; durch sequenzielle Abscheidung können Membranen mit unterschiedlichen Oberflächen geschichtet werden; beim koaxialen Spinnen lassen sich Aufgaben wie Stützung, Abbau oder Wirkstofffreisetzung auf Kern- und Schichtphase verteilen. Elektrogesponnene Membranen können zudem mit 3D-gedruckten Skeletten kombiniert werden, wobei das gröbere Skelett die räumliche Stütze übernimmt und die Faserschicht die lokale Grenzfläche reguliert.1,2,5,6
03Orale Barrieremembranen: Vom einlagigen Design zum Schichtenaufbau
Knochen- und Weichgewebeseite getrennt gestalten
Bottino, Thomas und Janowski berichteten im Jahr 2011 über eine mittels sequenziellem Elektrospinnen hergestellte funktionell gradierte Membran: Der mittlere Bereich besteht aus einer Kompositlage aus PLCL sowie Protein/Polymer, während auf beiden Seiten Nanohydroxylapatit bzw. Metronidazol eingebracht wurden. Die Studie konzentrierte sich auf Morphologie, Struktur und mechanische Eigenschaften der einzelnen Schichten und zeigte die Machbarkeit einer getrennten Gestaltung der Knochen- und Epithelkontaktflächen auf. Sie liefert eine Grundlage für die materialstrukturelle Forschung, erlaubt jedoch keine direkte Schlussfolgerung darauf, dass das parodontale Gewebe bereits regeneriert wurde.1
Elektrogesponnene Membranen mit dreidimensionalen Stützstrukturen synergistisch nutzen
Liu et al. kombinierten im Jahr 2021 eine mit Heparin modifizierte elektrogesponnene PCL/-Gelatine-Membran mit einem aus PCL/-Gelatine/Nanohydroxylapatit gedruckten Gerüst. Die obere Membran- und die untere poröse Gerüstschicht wurden jeweils zellbiologisch bewertet; in Tierexperimenten wurde die Knochenbildung beobachtet. Dies zeigt, dass die elektrogesponnene Schicht nicht die gesamte Traglast selbst übernehmen muss, sondern auch Teil eines Kompositgerüsts sein kann.2
Obwohl diese Arbeit GBR als Designgrundlage verwendete, erfolgte die tatsächliche In-vivo-Validierung an einem distalen Femurdefekt bei Kaninchen und nicht an einem alveolären Knochendefekt bei Patienten. Die nach 20 Wochen beobachtete Neubildung von Knochen stützt die Erforschung dieses Kompositsystems für die Knochenreparatur, darf jedoch nicht direkt als Aussage zur klinischen Wirksamkeit im oralen Bereich umformuliert werden. Für die industrielle Entwicklung sollte als nächster Schritt die Übertragung der Struktur auf die geplante Anwendungsstelle erfolgen, wobei Befestigung, Raumerhalt und Gewebereaktion erneut bewertet werden müssen.2
04Bei mineralstoffkompositen Fasern geht es nicht nur darum, wie viele anorganische Partikel hinzugefügt werden
Meng et al. führten im Jahr 2024 amorphes Calciumphosphat (ACP) in PLLA-Fasern ein und bauten anschließend durch Nachbehandlung eine hierarchische Porenstruktur auf, wodurch einige in das Polymer eingebettete Partikel an die Faseroberfläche freigelegt wurden. Die Studie untersuchte zudem die Benetzung, die mechanischen Eigenschaften und die zelluläre Reaktion und beobachtete bei der Kultivierung humaner Osteoblasten-ähnlicher Zellen über 7 Tage eine verbesserte Adhäsion und Proliferation.3
Diese Arbeit macht darauf aufmerksam, dass bei gleicher Calciumphosphat-Zusammensetzung unterschiedliches Grenzflächenverhalten auftreten kann, je nachdem, ob die Partikel im Inneren der Fasern eingebettet oder der Kontaktfläche mit den Zellen ausgesetzt sind. Daher sollten beim Vergleich von Verbundformulierungen der Dispersionszustand, die Oberflächenexposition und die Porenstruktur gemeinsam dokumentiert werden. Es handelt sich bei dieser Veröffentlichung um eine materialwissenschaftliche In-vitro-Studie; daraus wird nicht abgeleitet, dass Knochendefekte bereits repariert wurden.3
Sie zeigt zudem, dass die Nachbehandlung als Entwicklungsvariable genutzt werden kann: Das Elektrospinnen bestimmt das anfängliche Gerüst, während die Nachbehandlung die Oberfläche und die Porenstruktur weiter verändert. Vor und nach der Behandlung sollten jedoch dieselben Probenahme- und Bewertungsmethoden angewendet werden, und es ist zu prüfen, ob Struktur, Eigenschaften im befeuchteten Zustand sowie Rückstände dem vorgesehenen Verwendungszweck entsprechen, anstatt lediglich ein nachbehandeltes Mikroskopiebild zu vergleichen.3
05Lokale Wirkstofffreisetzung und Kern-Schale-Fasern: Wie Funktionen entlang des Knochenreparaturprozesses verteilt werden können
Verschiedene Fasern übernehmen unterschiedliche Freisetzungsaufgaben
Al-Baadani et al. kombinierten im Jahr 2023 durch koelektrospinnende Verfahren Gelatinefasern, die P enthielten, mit PCL-Fasern, die Simvastatin enthielten. Die Studie verknüpfte mittels unterschiedlicher Freisetzungsprozesse die Rekrutierung von Zellen, vaskulärbezogene Reaktionen und die Osteoblastendifferenzierung. In-vitro wurden Migration, endotheliale Netzwerkbildung und osteogene Indikatoren bewertet, während in einem Schädeldefektmodell bei Ratten die Knochenbildung beobachtet wurde. Dies ist ein Anwendungsbeispiel für die funktionale Aufteilung zweier Fasertypen in derselben Membran, keine klinische Empfehlung für eine bestimmte Arzneimittelzusammensetzung.4
Regulierung der stützenden Eigenschaften im befeuchteten Zustand und des Abbaus durch Nutzung von Kern-Schale-Unterschieden
Zhang et al. stellten im Jahr 2024 koaxiale Fasergerüste mit einer PGA-Kernschicht und einer Serizinschale her. Die Studie konzentrierte sich auf die Zähigkeit im befeuchteten Zustand, den stufenweisen Abbau und die osteogene Reaktion und bestätigte die Neubildung von Knochen anhand eines Schädeldefektmodells bei Ratten. Der Wert der Kern-Schale-Struktur beschränkt sich hier nicht auf die Wirkstofffreisetzung: Sie kann auch dazu dienen, die strukturelle Stabilität und den Abbau zweier Materialien in Körperflüssigkeiten aufeinander abzustimmen.5
Gleichzeitige Beobachtung von osteogenen und osteoklastenbezogenen Reaktionen
Anjum et al. luden im Jahr 2024 Natriumalendronat in eine PCL-Kernschicht ein, integrierten Hydroxylapatit in eine PLGA-Schale und führten eine Polydopamin-Oberflächenmodifikation durch. In-vitro wurden gleichzeitig osteogene und osteoklastenbezogene Verhaltensweisen untersucht; anschließend wurde in einem Schädeldefektmodell bei Ratten bis zur 12-Woche beobachtet. Damit wurde der Bewertungsumfang von einzelnen osteogenen Indikatoren auf das Zusammenspiel von Knochenbildung und Knochenabbau erweitert; es handelt sich jedoch weiterhin um eine tierexperimentelle Studie zu einem spezifischen System.6
06Literatur zur Knochenreparatur lesen: Wie Ergebnisse auf unterschiedlichen Ebenen voneinander abgegrenzt werden können
Zelladhäsion und -proliferation beantworten die Frage, ob Zellen auf dem Material überleben und sich ausbreiten können; alkalische Phosphatase, die Expression osteogener Gene und Mineralisierungsfärbungen liefern zusätzliche Informationen zur Differenzierung. Tierexperimentelle Mikro-CT und histologische Untersuchungen dienen der Beobachtung der Neubildung von Knochen innerhalb des Defekts. Die Beweise einer früheren Ebene sind zwar wertvoll, können jedoch die nachfolgenden Ebenen nicht direkt ersetzen und schon gar nicht eigenständig eine klinische Knochenintegration oder langfristige Belastbarkeit belegen.2,3,4,5,6
Zudem ist darauf zu achten, ob Kontrollen und Verwendungszweck übereinstimmen. Ein poröses Knochengerüst, das Zellen anzieht, eignet sich nicht zwangsläufig als orale Barriere, die Weichgewebe direkt abgrenzt. Auch Modelle des Schädels, des Femurs und des Alveolarknochens sind nicht vollständig identisch. Die in dieser Arbeit ausgewählte Literatur enthält keine klinischen Wirksamkeitsstudien am Menschen und eignet sich daher eher dazu, Materialkonzepte und Validierungswege zu präzisieren; sie stellt kein klinisches Urteil über alle elektrogesponnenen Materialien zur Knochenreparatur dar.1,2,3,4,5,6
07Von der Literatur zu reproduzierbaren Proben von Membranen zur Knochenreparatur
Bei der Vorbereitung der Probenherstellung kann zunächst die Probenmorphologie beschrieben werden: handelt es sich um eine planare Barriermembran, eine umhüllbare dünne Schicht oder ein dreidimensionales Verbundgerüst, das eine bestimmte Dicke erfordert? Anschließend sind das Materialsystem, die effektiven Abmessungen, die Dicke oder Flächendichte, die Porenstruktur sowie die Anforderungen an die Handhabung im befeuchteten Zustand festzulegen. Dadurch ergeben sich klare Zielvorgaben für die Anordnung der Flüssigkeitszufuhr, der Düsen, der Sammlung und der Nachbehandlung.
Bei Fasern mit mineralischen Partikeln sind Dispersion, Sedimentation und Zusammensetzungsänderungen nach längerer Flüssigkeitszufuhr zu beachten. Bei Kern-Schale- oder Doppelschichtsystemen sind die jeweilige Flüssigkeitszufuhr, die Abscheidungsreihenfolge und die Verbindung zwischen den Schichten zu dokumentieren. Bei der Vergrößerung der Fläche sollten sowohl im Zentrum als auch am Rand der Membran sowie zwischen dem Anfangs- und Endabschnitt der Herstellung vergleichbare Probenahmestellen vorgesehen werden. Die Prozessstabilität muss durch Probentests gestützt werden und darf nicht allein aus der Feststellung abgeleitet werden, dass kontinuierlich Fasern erzeugt werden können.
Die Produktvalidierung muss zudem je nach Verwendungszweck Restlösungsmittel, die Struktur nach der Sterilisation, die Biokompatibilität, den Abbau sowie gegebenenfalls die Fixierung und Formstabilität berücksichtigen. Die Ausrüstung übernimmt die Herstellung und Prozesskontrolle; ob die Materialien geeignet sind, hängt von den entsprechenden Prüfungen und Studien ab.1,2,5
08Häufige Probleme bei der Entwicklung von Membranen zur Knochenreparatur und als orale Barrieren
Kann eine gewöhnliche PCL-Fasermembran direkt als GBR-Membran verwendet werden?
PCL kann als Ausgangspunkt für Untersuchungen dienen, jedoch müssen die Barrierefunktion, die Struktur im befeuchteten Zustand und die Formstabilität der Membran zusätzlich überprüft werden. Nach Zugabe von Gelatine, Mineralien oder Arzneimitteln sind die Gesamteigenschaften erneut zu bewerten; die Eignung darf nicht allein anhand des Namens eines einzelnen Materials beurteilt werden.1,2,4
Beweist die Zugabe von Hydroxylapatit automatisch die Osteogenese?
Nein. Das Vorhandensein von Partikeln, zelluläre osteogenbezogene Reaktionen und die Neubildung von Knochen in Tiermodellen stellen unterschiedliche Beweisstufen dar. Es sollten gleichzeitig angegeben werden, in welcher Schicht sich die Partikel befinden, wie sie mit den Zellen in Kontakt treten und welche konkreten Untersuchungen durchgeführt wurden.1,3,6
Bei der Anordnungsplanung der Ausrüstung ist zunächst zu erörtern, ob koaxiales oder Mehrdüsen-Elektrospinnen eingesetzt werden soll
Zunächst ist die angestrebte Struktur zu beschreiben. Falls innerhalb einer einzigen Faser Bereiche unterschiedlicher Zusammensetzung realisiert werden sollen, kann koaxiales Elektrospinnen diskutiert werden. Handelt es sich hingegen um das Nebeneinander zweier Fasertypen oder um eine funktionale Aufteilung verschiedener Schichten, sollten mehrstufige Flüssigkeitszufuhr, koelektrodeponierende oder sequentielle Abscheidung in Betracht gezogen werden. Die endgültige Anordnung muss auf der Grundlage des Lösungssystems und der Probenvalidierung festgelegt werden.1,4,5,6
Literaturverzeichnis
Im Folgenden werden die in dieser Arbeit verwendeten Originalstudien aufgeführt, die von TONGLI eigenständig zusammengefasst wurden. Die Interpretation der Literatur bedeutet nicht, dass die Autoren der Studien, die Forschungseinrichtungen oder TONGLI in einer Beschaffungs- oder Kooperationsbeziehung stehen. Der konkrete Lesereichweite entnehmen Sie bitte die jeweiligen Literaturhinweise.
Bibliografische Angaben bleiben für eine eindeutige Suche in der Originalsprache erhalten.
Bottino MC, Thomas V, Janowski GM. A novel spatially designed and functionally graded electrospun membrane for periodontal regeneration. Acta Biomaterialia. 2011;7:216–224.
DOI：10.1016/j.actbio.2010.08.019 ↗Lesereichweite: Originalzusammenfassungen und bibliografische Angaben der Fachzeitschriften; daraus werden keine Rückschlüsse auf Effekte in Tier- oder Humanstudien gezogen
Liu J, Zou Q, Wang C, et al. Electrospinning and 3D printed hybrid bi-layer scaffold for guided bone regeneration. Materials & Design. 2021;210:110047.
DOI：10.1016/j.matdes.2021.110047 ↗Lesereichweite: Lokaler Originalvolltext; Schwerpunkt auf der Überprüfung des Tiermodells und der Ergebnisse im Abschnitt 2.6
Meng C, Liu X, Li J. Hierarchical porous PLLA/ACP fibrous membrane towards bone tissue scaffold. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2024;152:106455.
DOI：10.1016/j.jmbbm.2024.106455 ↗Lesereichweite: Lokaler Originalvolltext sowie Überprüfung der Publikationsaufzeichnungen der Autoren und Institutionen
Al-Baadani MA, Xu L, Cai K, et al. Preparation of co-electrospinning membrane loaded with simvastatin and substance P to accelerate bone regeneration by promoting cell homing, angiogenesis and osteogenesis. Materials Today Bio. 2023;21:100692.
DOI：10.1016/j.mtbio.2023.100692 ↗Lesereichweite: Lokaler Originalvolltext sowie der vollständige Text von PMC
Zhang Y, Jian Y, Jiang X, et al. Stepwise degradable PGA-SF core-shell electrospinning scaffold with superior tenacity in wetting regime for promoting bone regeneration. Materials Today Bio. 2024;26:101023.
DOI：10.1016/j.mtbio.2024.101023 ↗Lesereichweite: Lokaler Originalvolltext sowie Überprüfung der bibliografischen Angaben zu PubMed
Anjum S, Wang Y, Xin Y, et al. Bioinspired core-shell nanofiber drug-delivery system modulates osteogenic and osteoclast activity for bone tissue regeneration. Materials Today Bio. 2024;26:101088.
DOI：10.1016/j.mtbio.2024.101088 ↗Lesereichweite: Lokaler Originalvolltext sowie der vollständige Text von PMC
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