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Nanotechnologie: Mögliche Anwendungen in der Orthopädie

Nanotechnologie ist die Materialwissenschaft von Objekten mit einer Größe von unter 100 nm (Nanometer). Sie beschäftigt sich mit der Manipulation der Materie auf atomarer und molekularer Ebene. Auf Basis von Nanotechnologie hergestellte Materialien verfügen über bemerkenswert abwechslungsreiche und neue Eigenschaften. Nanotechnologie ist zu einem schnell wachsenden Forschungsgebiet mit großem Potential geworden – mit einer Bandbreite von der Gesundheitsversorgung bis hin zu Konstruktion und Elektronik. Das Präfix „Nano“ stammt aus dem Altgriechischen und bedeutet „Zwerg“. In der Wissenschaft heißt Nano „ein Milliardstel von etwas“. Daher ist ein Nanometer ein Milliardstel eines Meters oder 0,000000001 Meter. Ein Nanometer ist über drei bis fünf Atome breit oder etwa 40.000-mal kleiner als die Dicke des menschlichen Haares. Die Möglichkeiten zur Bearbeitung von Strukturen und Eigenschaften auf der Nanoskala in der Medizin kann man sich als mikroskopischen Labortisch vorstellen, auf dem man Zellbestandteile, Viren oder Teile der DNA mit einer Reihe von kleinen Tools, Robotern und Rohren bearbeiten kann. Die Medizin erhofft sich von der Nanotechnologie die Bereiche Medikamententransport, Gentherapie und Diagnostik zu revolutionieren.

Nanotechnologie

© I.M.Redesiuk – Fotolia

Anwendungen in der Medizin

Die Nanotechnologie eröffnet die Möglichkeit, in Zukunft Therapien an die genetische Veranlagung des einzelnen Patienten anzupassen. Nanoroboter (Nanobots) werden in das Gewebe reisen und Reparaturen innerhalb von Zellbestandteilen durchführen können. Sie werden Moleküle, mit einer Anleitung versehen, in Zellen transportieren, um diese Zellen dazu bringen, sich auf eine bestimmte Art und Weise zu verhalten. So können zum Beispiel Krebszellen dazu verleitet werden, „Selbstmord“ zu begehen. Außerdem werden Nanobots Medikamente direkt in den Kern von Krebszellen transportieren. Es gäbe auch die Möglichkeit, dass sich selbst formierende Nanofabriken direkt vor Ort bestimmte molekulare Verbindungen herstellen.

Nanofasern sind Fasern mit einem Durchmesser von weniger als 1.000 nm. Medizinische Anwendungsmöglichkeiten umfassen zum Beispiel spezielle Materialien für Wundauflagen und OP-Textilien, Materialien von Implantaten und Tissue-Engineering (künstliche Gewebeherstellung).

Eine ähnliche Tendenz in Richtung Nanotechnologie ist offensichtlich auch hinsichtlich der Verkleinerung von Operationsinstrumenten möglich. Experimentelle Mikroroboter sind bereits verfügbar und getestet worden. Es ist davon auszugehen, dass Mikroroboter nach einem Einsatz von 10 bis 20 Jahren in der Chirurgie durch Nanoroboter ersetzt werden könnten. Mikroroboter und Nanobots werden vielleicht schon in naher Zukunft in der Lage sein, arteriosklerotische Plaques (Ablagerungen) in den Arterien zu entfernen und Reparaturen durchführen.

Auch in der Orthopädie können nanotechnologische Verfahren in vielen Bereichen eingesetzt werden.

Meniskus

Meniskusläsionen sind sehr häufig und werden arthroskopisch durch Entfernung der gerissenen Meniskusanteile behandelt. Schon seit längerem suchen Forscher nach einem Ersatz für Menisken. Doch bisher gibt es keine überzeugenden Ergebnisse. Eine Möglichkeit wäre, ein aus Nanofasern geformtes Gerüst mit Stammzellen zu füllen, um auf diesem Weg einen Meniskus zu rekonstruieren. Die Forschungen auf diesem Gebiet sind vielversprechend.

Implantate

Ein interessantes Forschungsgebiet stellen Implantate dar – vor allem hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit. Ein Problem ist bisher die Bindung vom Implantat zum Knochen. Mithilfe der Nanotechnologie könnten Oberflächenstrukturen hergestellt werden, die das Heranwachsen von Knochenbälkchen fördern und somit zu einer besseren und längeren Haltbarkeit von Prothesen führen. Möglich wären auch die Verarbeitung und der Einsatz von neuen Materialien wie Keramik und Karbon.

Knochen- und Knochenknorpeldefekte

Im Bereich der Behandlung von Knorpeldefekten arbeitet man zurzeit an der Herstellung von Materialien, die aus einer Knochen- und Knorpelschicht bestehen. Mit diesem zweischichtigen Material ließen sich Knochenknorpeldefekte besser behandeln. Knochendefekte könnten mit flüssigem nanostrukturierten Hydrogel behandelt werden.

Bandscheibe

An einem Bandscheibenersatz wird ebenfalls geforscht. Es handelt sich hierbei unter anderem um einen nanotechnologisch hergestellten Faserring, der ähnliche biomechanische Eigenschaften haben sollte wie der körpereigene Bandscheibenfaserring.

Gezielte medikamentöse Therapie

Einsatzmöglichkeiten für die medikamentöse Therapie gibt es zum Beispiel in der antibakteriellen Beschichtung von Implantaten.

Die Nanoforschung bietet der Orthopädie große Potentiale. Es bleibt nun abzuwarten, ob die neuen Materialien im Vergleich zu den bisherigen konventionell hergestellten Materialien über eine bessere Haltbarkeit verfügen.

Jedoch sollte auch der Frage nachgegangen werden, ob die Nanotechnologie möglicherweise ein tatsächliches oder potenzielles Gesundheitsrisiko für Menschen birgt. Die meisten Nanomaterialien werden sich vermutlich als harmlos erweisen. Das wahrscheinlich größte Risiko geht von Nanomaterialien aus, die anorganische Metalle und Oxide enthalten. Nanopartikel sind hoch reaktiv und könnten bisher unbekannte chemische Reaktionen verursachen. Außerdem wurde festgestellt, dass verschiedene Organsysteme wie Blut, Leber und Nieren am Metabolismus der Nanopartikel beteiligt sind. Dieser Vorgang könnte Entzündungen und oxidativen Stress hervorrufen. Nanomaterialien werden bereits massenhaft eingesetzt. Bisher ist jedoch noch nicht bekannt, ob diese Substanzen zum Beispiel in der Lage sind, in Lunge, Nerven- und Hirnzellen zu gelangen, um dort Schäden anzurichten. Es ist somit nicht unbedingt beruhigend zu wissen, dass die größte Expansion der Nanotechnologie bisher in der Nahrungsindustrie stattgefunden hat.

 

Autor:  Dr. med. Jean-Louis Dumas, Facharzt für Orthopädie, Chefredakteur

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