3D biogedruckte Chitosan-Netzwerke für dentale Anwendungen

Dentale, bakterielle Erkrankungen wie Paradontitis können zu Zahn- und Knochenverlust führen. In der vorgestellten Studie wurden Chitosan, Gelatine und Scutellariae baicalensis radix zu einem Hydrogel kombiniert um über 3D-Bioprinting ein entzündungshemmendes Implantat herzustellen.

3D-gedruckte Chitosan-basierte Scaffolds mit Scutellariae baicalensis-Extrakt für Dentalanwendungen

Paczkowska-Walendowska, M.; Koumentakou, I.; Lazaridou, M.; Bikiaris, D.; Miklaszewski, A.; Plech, T.; Cielecka-Piontek, J. 3D-Printed Chitosan-Based Scaffolds with Scutellariae baicalensis Extract for Dental Applications. Pharmaceutics 2024, 16, 359. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics16030359

Parodontale Erkrankungen betreffen bis zu 20 – 50% der Menschen weltweit. Dabei handelt es sich um bakterielle Entzündungen, die zum Rückgang des Zahnfleisches und im schlimmsten Fall zum Verlust von Zähnen, sowie Aveolarknochen führen können. Die bisherigen Behandlungsmöglichkeiten sind limitiert, weshalb dringend neuartige Therapien benötigt werden. Eine Option dabei ist die Implantation von 3D biogedruckten Scaffolds, die eine geeignete Struktur aufweisen um Zellanhaftung und Wachstum von lokalen Stammzellen zu fördern und das Gewebe zu regenerieren. Zudem sollten sie entzündungshemmend und antibakteriell wirken.

Ein geeignetes Material dafür ist Chitosan. Durch seine einzigartigen Eigenschaften wie eine gute Biokomptabilität, Bioabbaubarkeit, entzündungshemmenden, blutstillenden und antibakteriellen Wirkung, wird Chitosan bereits bei parodontale Erkrankungen eingesetzt, aber findet auch häufig Anwendung im Tissue Engineering. Allerdings weißt Chitosan eine schlechte mechanische Stabilität auf, weshalb es im Bioprinting oft mit anderen Biopolymeren gemischt wird, z.B. Gelatine. Gelatine ist Bestandteil der extrazellulären Matrix, wirkt sich dadurch positiv auf Zelladhäsion und Wachstum auf und besitzt ähnlich wie Chitosan eine sehr gute Biokomptabilität. Durch ihre gegensätzlichen Ladungen bilden die beiden Polymere eine Polyelektrolytkomplex. Dieser verbessert die mechanische Stabilität, und beeinflusst gleichzeitig die Zelladhäsion, die zelluläre Bioaktivität, den Prozess des Gewebeumbaus und letztlich die Qualität des regenerierten Gewebes. Um zusätzliche entzündungshemmende und antibakterielle Eigenschaften zu erhalten können pflanzenbasierte Wirkstoffe wie ein Extrakt von Scutellariae baicalensis radix („Baikal-Haubenwurzel“) zugegeben werden, der reich an Baicalin, Baicalein und Wogonin ist.

In der hier vorgestellten Studie sollen über 3D Biodruck Netzwerke aus einem Hydrogel bestehend aus Chitosan, Gelatine und S. baicalensis radix Extrakt hergestellt werden, um die Eigenschaften der drei Komponenten miteinander zu kombinieren und eine personalisierte Behandlung für parodontale Erkrankungen zu ermöglichen. Die hergestellten Scaffolds wurden auf ihre Druckbarkeit und biologischen Eigenschaften untersucht. Verwendet wurde dabei ein Chitosan mit einer hohen Viskosität (800-2000 mPas) und einem Deacetylierungsgrad von ≥ 75 %. Chitosane in diesem Bereich können Sie in unseren Shop finden.

ERGEBNISSE

• Das Hydrogel mit 2,5 % w/v Chitosan, 2 % w/v Gelatine und 10 % Scutellariae baicalensis radix Extrakt zeigte die beste Druckeigenschaften
• Nachweis der Ausbildung von Wasserstoffbrücken zwischen den Bestandteilen mit FTIR und XRPD
• Schnelle initiale Freisetzung von Baicalin in vitro
• Nachweis entzündungshemmende Eigenschaften durch Hemmung des Enzyms Hyaluronidase, durch die Kombination von Chitosan und Scutellariae baicalensis radix Extrakt
• Nachweis der Beschleunigung des Wundheilungsprozesses nach 24 h in vitro

Zusammenfassung: Die in der Studie erhaltenden 3D-Netzwerke aus Chitosan, Gelatine und Scutellariae baicalensis radix Extrakt zeigten eine entzündungshemmende Wirkung. Zudem wiesen sie eine gute Formbeständigkeit nach dem 3D-Biodruck auf, die ideal für eine langfristige Freisetzung von Wirkstoffen ist, eine gute Wundheilungsfähigkeit und eine hohe Biokompatibilität.   

Link zum Artikel: https://www.mdpi.com/1999-4923/16/3/359