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Seegurken-Hydrogel könnte geschädigtes menschliches Gewebe heilen
Seegurken als Vorbild: Die Meerestiere können die Festigkeit ihrer Körpergewebe verändern. Von diesem Prinzip inspiriert haben Forscher ein Hydrogel entwickelt, dessen Steifigkeit sich gezielt einstellen lässt. Bei Ratten heilten damit verletzte Achillessehnen geordneter und erlangten mehr Belastbarkeit zurück als nach einer Naht allein.
Waterloo (Kanada). Sehnen müssen kräftigen Zugkräften standhalten. Nach einer Verletzung können sie jedoch vernarben, statt ihre ursprüngliche Struktur zurückzugewinnen. Anstelle parallel verlaufender Kollagenfasern entsteht dann ungeordnetes Bindegewebe, das die Belastbarkeit der Sehne beeinträchtigt. Ein geeignetes Implantat sollte daher frühzeitig Halt geben, das Wachstum neuer Fasern lenken und anschließend wieder verschwinden.
Eine weitere Schwierigkeit: Weichgewebe ist nicht gleich Weichgewebe. Gehirn und Nieren sind deutlich nachgiebiger als Sehnen und Knorpel. Ein künstliches Stützgerüst muss deshalb zum jeweiligen Gewebe passen, doch die mechanischen Eigenschaften herkömmlicher Hydrogele lassen sich oft nur begrenzt nachträglich anpassen.
Forscher der University of Louisville (UofL) um Dr. Badri Narayanan haben nun gemeinsam mit einem internationalen Team ein Gelatine-Hydrogel hergestellt, dessen Festigkeit sich über eine Salzbehandlung einstellen lässt. Vorbild sind Seegurken, die die Steifigkeit ihres Bindegewebes durch Wechselwirkungen zwischen Ionen und Kollagen verändern können. Die Wissenschaftler wollten diese Anpassungsfähigkeit auf ein wasserreiches, biologisch abbaubares Material übertragen.
„Weichgewebe brauchen unterschiedliche Stützgerüste“, erklärt Dr. Yimin Wu von der University of Waterloo.
Für das Hydrogel kühlten die Forscher eine Gelatinelösung kontrolliert von einer Seite ab. Beim Gefrieren bildeten sich ausgerichtete Strukturen, aus denen ein poröses Gerüst mit parallel verlaufenden Faserbündeln hervorging. Anschließend tauchte das Team das Material in unterschiedliche Salzlösungen. Deren Ionen verändern die Verbindungen zwischen den Gelatineketten und damit Steifigkeit, Festigkeit und Dehnbarkeit.
Die Bandbreite der gemessenen Steifigkeit reichte im Labortest von 9,7 Kilopascal bis 3,59 Megapascal. Das ist eine Spanne von sehr nachgiebig bis deutlich fester. Besonders widerstandsfähig war eine mit Natriumcitrat behandelte Variante. Für den Einsatz im Tierversuch stabilisierten die Forscher diese zusätzlich mit einem Enzym, damit sie bei Feuchtigkeit und wiederholter Beanspruchung länger ihre Stützfunktion behielt.
„Gehirnnahes Material muss sich anders verhalten als ein Stützgerüst für feste Sehnen“, erläutert Wu.
Ob das Gel die Heilung unterstützt, untersuchte das Team an den Achillessehnen von Ratten. Dazu entfernten die Forscher jeweils ein drei Millimeter langes Sehnenstück und nähten die Verletzung. Eine Gruppe erhielt zusätzlich das mit Natriumcitrat behandelte Hydrogel, eine zweite eine weniger feste Gelatinevariante. Die dritte Gruppe wurde ausschließlich mit einer Naht versorgt.
Nach zwölf Wochen zeigten die Gewebeproben deutliche Unterschiede: Mit dem optimierten Hydrogel waren rund 81 Prozent der untersuchten Gewebefläche von Kollagen bedeckt. Beim weniger festen Gel waren es rund 63 Prozent, nach einer Naht ohne Implantat rund 46 Prozent. Zugleich verliefen die neu gebildeten Kollagenfasern in der optimierten Gruppe dichter und stärker parallel ausgerichtet.