Biopolymere in der Medizin: wie Implantate von ihren überraschenden Eigenschaften profitieren

Was sind Biopolymere?

Polymere sind makromolekulare Verbindungen, die aus sich wiederholenden Einheiten aufgebaut sind. Herkömmliche Polymere werden synthetisch hergestellt, während Biopolymere aus der Natur gewonnen werden. Biopolymere können auf zwei unterschiedlichen Wegen hergestellt werden. Einerseits können sie chemisch aus in der Natur vorkommenden Materialien synthetisiert werden, andererseits können sie direkt aus lebenden Organismen gewonnen werden.

Bewiesene Wirksamkeit von Biopolymeren für medizinische Anwendungen

Wichtige Vorteile für die Chirurgie

Die Gewährleistung der Sicherheit stellt für jedes Medizinprodukt eine der essenziellen Prioritäten dar. Implantate, die über einen längeren Zeitraum im Körper verbleiben, dürfen die normale Funktion des Gewebes nicht verändern, allergische Reaktionen hervorrufen oder anorganische Rückstände zurücklassen, sofern dies nicht unbedingt erforderlich ist.

Biopolymere und ihre medizinischen Anwendungen sind von großem Interesse, um die genannten Anforderungen zu erfüllen. Aufgrund ihres biologischen Ursprungs weisen Biopolymere eine hohe Kompatibilität mit dem menschlichen Körper sowie eine geringe Immunogenität auf. Darüber hinaus lassen sich die Eigenschaften der Implantate je nach Wunsch durch die Wahl der entsprechenden Biopolymere entweder durch Biodurabilität oder durch biologische Abbaubarkeit optimieren. Dies gewährleistet einen sicheren langfristigen Verbleib des Implantats oder dessen Resorption durch Hydrolyse ohne anorganische Rückstände im Körper und unterstützt gleichzeitig die Zellproliferation und die Gewebeheilung.

Wie werden Biopolymere in der Medizin genutzt?

Nähte

Nähte stellen das bekannteste Beispiel für Biomaterialien dar, die in der Chirurgie zum Einsatz kommen. Seidenfibroin wird seit Hunderten von Jahren verwendet und wird heute häufig durch biologisch abbaubare Polymere wie Polymilchsäure (PLA) oder Polyglutaminsäure (PGA) ersetzt. Das Nähen stellt in der Tat einen kritischen Schritt bei den meisten Operationen dar, bei denen ein hohes Infektionsrisiko besteht. Infolgedessen wurde Nahtmaterial auf Biopolymerbasis durch die Entwicklung von Strukturen, die Medikamente freisetzen, optimiert. Dies bietet zudem weitere Vorteile hinsichtlich der Förderung der Heilung, sodass auch weiterhin neue Alternativen entwickelt werden.

Ersatz von Gewebe

Biomaterialien können darüber hinaus Materialien in häufig verwendeten Implantaten ersetzen. Chirurgische Netze stellen beispielsweise Folien dar, welche beschädigte oder geschwächte Organe und Gewebe dauerhaft oder vorübergehend stützen sollen. Ihre Anwendung erfolgt in der Regel bei Leistenbrüchen sowie allgemein bei Rekonstruktionen und Reparaturen von Weichteilen. Während in der Praxis häufig synthetische Polymere oder tierisches Gewebe zum Einsatz kommen, bieten Biopolymere wie Poly-4-hydroxybutyrat oder Bio-Nanocellulose interessante und organischere Alternativen.

Fixierung von Frakturen

Schrauben und Platten aus Poly-d,l-Milchsäure (PDLLA) oder Poly-L-Milchsäure (PLLA) und Polyglykolsäure (PLLA-PGA) wurden ebenfalls für Operationen entwickelt, die eine Knochenfixierung erfordern. Aufgrund des Abbaus der Implantate im Laufe der Zeit ist beispielsweise nach Gesichtsschädelfrakturen keine erneute Operation erforderlich, was zu einer erheblichen Kostensenkung führt und sich positiv auf die Belastung der Patienten auswirkt.

Verbesserung vorhandener Implantate

Forscher versuchen zudem, Implantate aus Edelstahl oder Titan durch Beschichtung mit Biopolymeren zu optimieren. Dadurch könnte die Wechselwirkung des Implantats mit seiner Umgebung verbessert und antimikrobielle Eigenschaften verliehen werden. Dies sind lediglich einige Beispiele für den Einsatz von Materialien auf Basis von Biopolymeren in der Chirurgie.

Welche Möglichkeiten gibt es für Biopolymere außerhalb der Implantologie?

Aufgrund ihrer vielseitigen Eigenschaften eignen sich Biopolymere nicht nur für die Verwendung in chirurgischen Implantaten, sondern auch für eine Vielzahl weiterer Anwendungsbereiche im Gesundheitswesen. Analog zu Nahtmaterial können Biopolymere und ihre medizinischen Anwendungen die gezielte Abgabe von Medikamenten zur Behandlung von Krankheiten wie Krebs erleichtern. Diese Problematik stellt für die Pharmaindustrie eine signifikante Herausforderung dar. Die Formulierung von Biopolymeren in Nanopartikeln, wie Liposomen, Mizellen oder Hydrogelen, ermöglicht eine gezielte Verabreichung einer Behandlung.

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Des Weiteren eignen sich Biopolymere als vielversprechende Trägersysteme für genetische Impfstoffe, da sie die Wirksamkeit der Immunisierung verbessern. Beim Tissue Engineering können Biopolymere als Gerüste für die Zellkultur verwendet werden. Als letztes Beispiel sei die Erforschung von Biosensoren für die Diagnostik genannt, welche dehnbare Biopolymere verwenden, die biologisches Gewebe imitieren.

Die große Vielfalt der medizinischen Anwendungen von organischen Polymeren eröffnet der medizinischen Industrie ein interessantes Feld. Chirurgische Implantate sind bereits auf dem Markt erhältlich und bieten natürliche und innovative Alternativen zu synthetischen Materialien. Zusätzlich zu ihren organischen Eigenschaften und ihrer Biokompatibilität weisen Biopolymere den Vorteil auf, der Medizintechnik zusätzliche und innovative Funktionen zu verleihen. Die Bandbreite potenzieller Anwendungen ist bemerkenswert breit gefächert und umfasst die Verabreichung von Medikamenten, die Diagnostik sowie das Tissue Engineering. Die Anwendung von Biopolymeren in der Medizin birgt überraschende Vorteile bei der Bewältigung von Herausforderungen im Gesundheitswesen. Alcimed beobachtet diese Entwicklungen und steht Ihnen bei der Erkundung von Möglichkeiten und potenziellen Projekten zu diesem Thema unterstützend zur Seite.

Über die Autorin, 

Christina, Consultant in Alcimeds Life Sciences Team in der Schweiz