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Reparatur von beschädigtem Knorpel

21.10.2013

Forscher der Eidgenössischen Polytechnischen Hochschule Lausanne (Schweiz) haben ein Material entwickelt, das zur kontrollierten Freisetzung einer Substanz bei zyklischer mechanischer Belastung eingesetzt werden kann. Es wird erwartet, dass dieses Material bei der Behandlung von spezifischen Geweben wie Knorpel nützlich ist.

Der Knieknorpel muss, um sich zu erholen, einer mechanischen Belastung ausgesetzt werden, ähnlich wie beim Gehen, wenn unser Gewicht auf unseren Knien lastet. Bei dieser Exposition produzieren Chondrozyten – Knorpelgewebezellen – Rezeptoren, die für vom Körper produzierte Wachstumsstimulanzien empfänglich sind. An diesem Punkt sind Chondrozyten am anfälligsten für Medikamente.

Forscher aus der Schweiz haben sich diesen natürlichen Prozess zum Vorbild genommen und ein smartes Material entwickelt, das nur bei mechanischer Belastung einen Stoff freisetzt. Das Material besteht aus einem Hydrogel, Liposom-Nanopartikeln (geschlossene Bläschen, die in Mischungen aus Phospholipiden und Wasser gebildet werden) und einem Wirkstoff (im Versuch ist es ein Farbstoff).

Bei zyklischer mechanischer Belastung erwärmt sich die Hydrogelmatrix. Danach dehnt sich der Durchmesser der Liposomen aus, was wiederum Platz in der Matrix schafft, deren Durchlässigkeit erhöht und die Freisetzung des Farbstoffs erleichtert.

Während der Entwicklungsphase stießen die Forscher auf eine Reihe von Problemen. So hat sich beispielsweise herausgestellt, dass es nicht so einfach ist, Nanopartikel zu entwickeln, die den Spezifikationen entsprechen – insbesondere müssen sie während des Erwärmungsprozesses auf einen kleinen Temperaturunterschied reagieren. Außerdem war es wichtig nachzuweisen, dass durch mechanische Belastung eine Erwärmung und Freisetzung des Farbstoffs erfolgt. Im Laufe einer Reihe von Experimenten kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass es für den erfolgreichen Betrieb des Verfahrens notwendig ist, dass alle drei der oben genannten Komponenten einwandfrei funktionieren.

Gleichzeitig sagen die Wissenschaftler, dass ihre Experimente zwar erfolgreich waren, eine groß angelegte Knorpelbehandlung jedoch noch weit entfernt ist – es ist notwendig, das Hydrogel und die Nanopartikel zu veredeln, damit sie vollständig biologisch abbaubar und sicher werden.

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Mit der rasanten Entwicklung der Metallurgie, der Galvanik, der Farbstoff- und Batterieherstellung, des Bergbaus und anderer Industrien wird das Problem der Cadmiumverschmutzung immer ernster.

Die Studie wurde von Wu Zhengyan vom Institut für Intelligente Mechanismen der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Cai Dongqing von der Donghua-Universität geleitet. Als Ergebnis wurde ein neues Verfahren zur Behandlung von mit Cadmium kontaminiertem Wasser und Boden sowie ein neues Verfahren zur Entsorgung von flüssigen Abfällen aus der Tabakindustrie und Eisenabfällen, die die Umwelt verschmutzen können, gefunden.

Während der wissenschaftlichen Arbeit, die etwa ein Jahr dauerte, wurde berechnet, dass 12 Tonnen Kohlenstoffmikrokugeln auf Eisenbasis, die aus 10 Tonnen Eisenabfällen und 20 Litern flüssigen Tabakabfällen gewonnen wurden, verwendet werden könnten, um 120 Liter Wasser von Cadmium zu reinigen mit einer Konzentration von 10 mg pro Liter.

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