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Biopolymere – Rohstoffe für innovative Medizinprodukte

Polyhydroxyalkanoate (PHA) sind biologisch abbaubare Biopolymere, die zunehmend an Bedeutung gewinnen. Nicht nur in Alltagsgegenständen wie Plastiktüten und Joghurtbechern werden mittlerweile Biokunststoffe verwendet. Auch in der Medizin werden sie eingesetzt, sodass Medizinprodukte aus Biokunststoffen wie PHAs seit einiger Zeit Gegenstand intensiver Forschung sind.

Fluoreszenzaufnahme von Bakterienzellen (Ralstonia eutropha), die PHB als Speicherstoff anlegen. Die Bakterienzellen wurden mit Nilrot eingefärbt, die PHB-Granula sind als rote Punkte im Innern der Zellen sichtbar. © Anja Frank, Universität Stuttgart

Jedes Jahr werden über 300 Millionen Tonnen Kunststoff produziert. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Polyester, die aus fossilen Rohstoffen wie Erdöl oder Erdgas hergestellt werden. Doch die Nachfrage nach erdöleinsparenden, umweltverträglicheren Produkten aus erneuerbaren Ressourcen steigt. So wird heute aus Zuckerrohr Polyethylen und aus Mais Polylactid (Polymilchsäure) hergestellt. Der Nutzen der Biokunststoffe liegt vor allem in der Einsparung des Erdöls.

Auch Polyhydroxyalkanoate (PHA) werden als Rohstoffe für Biokunststoffe genutzt. PHAs sind natürliche Speicherstoffe, die von Bakterien, Pilzen und einigen Pflanzen als Energiequelle angelegt werden, wenn ihnen bestimmte Nährstoffe fehlen. Mittlerweile sind über 300 verschiedene Mikroorganismen bekannt, die PHAs synthetisieren. Polyhydroxyalkanoate sind Polyester aus Carbonsäuren, die eine oder mehrere zusätzliche OH-Gruppen tragen. Je nachdem, wie viele Kohlenstoffatome die PHAs besitzen, unterscheidet man drei Gruppen: kurzkettige, mittellange und langkettige PHAs. Dank ihrer kunststoffähnlichen Eigenschaften werden Polyhydroxyalkanoate bereits als Basis vieler Kunststoffe eingesetzt. Der wichtigste Vertreter zur Produktion von Biokunststoffen ist das Polyhydroxybutyrat (PHB).

Glossar

  • Ein Antibiotikum ist ein Stoffwechselprodukt von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze), das in geringen Konzentrationen andere Mikroorganismen in ihrem Wachstum hemmt.
  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Escherichia coli (Abk.: E. coli) ist ein Colibakterium, das im menschlichen Darm vorkommt. Varianten dieses Colibakteriums (E. coli K12), denen bestimmte, für das Überleben in freier Wildbahn notwendige Eigenschaften des Wildtypbakteriums fehlen, werden in der Gentechnik häufig als so genannter Empfängerorganismus für die Klonierung von rekombinanten DNA-Stücken eingesetzt.
  • Fermentiation ist die Bezeichnung für die Umsetzung von biologischen Materialien mit Hilfe von Mikroorganismen oder durch Zusatz von Enzymen (Fermenten). Im eigentlichen Sinn handelt es bei der Fermentation um die anaerobe Oxidation von Zuckern zum Zwecke der Energiegewinnung des metabolisierenden Organismus.
  • Nanopartikel sind Teilchen von einer Größe unter 100 Nanometer.
  • Chemotherapie ist eine Behandlung von Krankheiten, insbesondere Krebs, unter Einsatz von Chemotherapeutika (Medikamente zur Wachstumshemmung von (Krebs)-Zellen).
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • Die Zelldifferenzierung bezeichnet die Spezialisierung von Zellen in Bezug auf ihre Funktion und ihre Struktur. So entstehen aus undifferenzierte Stammzellen verschiedene Zelltypen wie Herzmuskel-, Nerven- oder Leberzellen, die ganz unterschiedlich ausssehen und verschiedene Aufgaben erfüllen.
  • Die Positronenemissionstomographie (PET) ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Strukturen, sowie biochemischen und physiologischen Vorgängen im Körper (funktionelle Bildgebung). Das Verfahren beruht auf der Verteilung einer radioaktiv markierten Substanz im Organismus, die Positronen emittiert und somit von Szintillationszählern detektiert werden kann.
  • Polyethylen (Abkürzung: PE) ist das Polymer des Ethylens. Es gehört zu den thermoplastischen Kunststoffen.
  • Polyhydroxyalkanoate (PHA) sind Polyester bakterieller Herkunft, die den Mikroorganismen als Reservestoffe dienen. Sie können industriell als Verpackungs- oder Implantatmaterialien eingesetzt werden.
  • Poly-3-hydroxybuttersäure (PHB) ist der bekannteste Vertreter der Polyhydroxyalkanoate. PHB wird biotechnologisch hergestellt und ist biologisch abbaubar.
  • Polylactide (auch Polymilchsäuren, PLA) sind Polymere aus Milchsäure. Sie werden zum einen in der Verpackungsindustrie eingesetzt und sind zum anderen interessant für medizinische Anwendungen, da es sich sich um einen biologisch abbaubaren Kunststoff handelt.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • Pegylierung ist eine chemische Modifikation einer Substanz, durch die eine meist lange Polyethylenglykol-Kette (PEG-Kette) angehängt wird. Dadurch ändern sich die Eigenschaften der Substanz , wie z.B. die Löslichkeit in Wasser.
  • Biokompatibilität heißt wörtlich übersetzt: in Einklang mit Lebensvorgängen. Sie bezeichnet die wechselseitige Verträglichkeit zwischen einem technischen und einem biologischen System. Biokompatibel sind Werkstoffe, die keinen negativen Einfluss auf Lebewesen in ihrer Umgebung haben. Die Biokompatibilität ist auch ein Maß für die biologische Abbaubarkeit von verunreinigenden Stoffen in Abwässern.
  • Fossile sind aus der erdgeschichtlichen Vergangenheit stammende Überreste von Tieren oder Pflanzen.
  • Als Target (engl.:Ziel) werden Biomoleküle bezeichnet, an die Wirkstoffe binden können. Targets können Rezeptoren, Enzyme oder Ionenkanäle sein. Die Interaktion zwischen Wirkstoff und Target löst eine Wirkstoff-Target-spezifische Reaktion aus. Die Identifikation eines Targets ist für die biomedizinische und pharmazeutische Forschung von großer Bedeutung. Erkenntnisse über spezifische Wechselwirkungen helfen grundlegende molekularbiologische Vorgänge zu verstehen und neue Angriffpunkte für Arzneimittel zu identifizieren.

Biokunststoffe in der medizinischen Anwendung

Wichtiges und häufiges Polyhydroxyalkanoat: 3-Hydroxybutyrat. © Wikimedia Commons

Bisher wurden in der Medizin oft Kunststoffe wie Polyethylenglycol (PEG) oder Silicone benutzt. Diese werden zunehmend durch Kunststoffe ersetzt, die biologisch abbaubar und biokompatibel sind. Das bedeutet, dass sie vom eigenen Körper abgebaut werden können ohne gefährliche Immunreaktionen auszulösen.

Die ITV Denkendorf Produktservice GmbH (ITVP) verwendet bereits Rohstoffe wie Glycolid, Lactid, Caprolacton oder Trimethylencarbonat für die Verarbeitung von Medizinprodukten. Solche resorbierbaren, biokompatiblen Kunststoffe werden als chirurgisches Nahtmaterial, Folien und Membranen zur Wundabdeckung bei Verbrennungen und Gefäßprothesen eingesetzt. Vor allem das Lactid, das als Rohstoff resorbierbarer Polymere verwendet wird, erfüllt mehrere Anforderungen. Es ist biologisch abbaubar, biokompatibel und wird aus erneuerbaren Ressourcen wie Mais hergestellt. Dadurch erfüllt es nicht nur die Ansprüche der Medizintechnik, sondern spart auch fossile Rohstoffe ein.

Polyhydroxyalkanoate – biologisch, biokompatibel, bioabbaubar

Wie das Polylactid sind auch Polyhydroxyalkanoate biologisch abbaubar. Zusätzlich sind PHAs biokompatibel, lösen also bei deren Abbau im menschlichen Körper keine Immunreaktion aus. Die bakterielle Fermentation hat derzeit die größte industrielle Bedeutung zur Gewinnung von PHAs.

Im menschlichen Körper werden PHA-Biopolymere durch körpereigene Enzyme abgebaut. Es wurde bereits untersucht, ob sich PHA-Biopolymere als Grundgerüst oder Mikrokapseln für Medikamente eignen. Denn durch den Abbau der Mikrokapseln kann der Wirkstoff kontinuierlich über einen gewissen Zeitraum spezifisch dosiert abgegeben werden. Unterschiedlichste Medikamente wie Chemotherapeutika, Impfstoffe oder Antibiotika können in kleinste PHA-Partikel, sogenannte Nanopartikel, verpackt werden und so an einer spezifischen Stelle des Körpers kontrolliert freigesetzt werden. Das ist vor allem bei stark toxischen Medikamenten wie Chemotherapeutika oder sehr empfindlichen Wirkstoffen wichtig, da diese nur am Zielort wirken und nicht den ganzen Körper belasten sollen. So ist die kontrollierte Freisetzung von Wirkstoffen am Zielort durch den Einsatz von PHA-basierenden Nanopartikeln, zum Beispiel in der Krebstherapie, vielversprechend.

Deutschlands größtes Textilforschungszentrum, das Institut für Textil- und Verfahrenstechnik in Denkendorf (ITV), beschäftigte sich mit der Nervenregeneration. Das ITV entwickelte in Kooperation mit der ITV Denkendorf Produktservice GmbH (ITVP), dem Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Institut (NMI) in Reutlingen und der Berufsgenossenschaftlichen Klinik in Tübingen eine Nervenleitschiene. Diese lotst regenerierende Nervenfasern zielgenau zum Muskel und unterstützt so die Heilung. In diesem Projekt wurden erdölbasierende Polymere aus Trimethylencarbonat und Caprolacton verwendet.

Auch PHAs wurden auf ihre unterstützende Wirkung bei Nervenschädigungen des Rückenmarks untersucht. Wissenschaftler konnten zeigen, dass ein Gerüst aus PHAs eine stärkere Zellteilung, Zelladhäsion und Differenzierung bewirkte als ein Gerüst aus Polylactid. Gerade im Bereich der Regeneration von Gewebe konnten PHAs gute Resultate erzielen. Da es sich bei den Versuchen zurzeit eher noch um Grundlagenforschung handelt, muss viel getan werden, um Polyhydroxyalkanoate in der Medizintechnik zu etablieren.

Polyhydroxyalkanoate haben es schwer auf dem Markt

PHA hat durch seine Bioabbaubarkeit und seine Biokompatibilität Vorteile gegenüber anderen Biopolymeren. Es ist jedoch vergleichsweise schwierig zu verarbeiten und die Produktionskosten sind relativ hoch. Aufgrund der Rohstoffkosten, der Prozesskosten und der verhältnismäßig geringen Produktionsvolumina können PHAs mit klassischen Vertretern von Biokunststoffen wie dem Polylactid nur schwer mithalten. 2013 wurden lediglich 3,2 Prozent der gesamten Produktionskapazität für Biopolymere für die Herstellung von PHAs verwendet. Statista1 gibt an, dass im Jahr 2011 insgesamt 3,44 Milliarden Euro mit Biopolymeren umgesetzt wurden, wobei 39,4 Prozent der Biopolymere für Verpackungsmaterialien verwendet wurden. 2016 wird mit einem Umsatz von 13,7 Milliarden Euro gerechnet. Der Einsatz von Biokunststoffen wird also zunehmen. Den größten Marktanteil der Biokunststoffe wird laut IfBB, dem Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe, vermutlich Bio-PET einnehmen. Vor allem für die Herstellung von Plastikflaschen wird von Statista der hohe Einsatz von Biokunststoff prognostiziert.

Die Produktion von PHAs wird nach den neusten Schätzungen weiter zurückgehen. Erst wenn Faktoren wie die PHA-Produktionsrate, die Ausbeute und Qualität sowie die Anlagengröße stimmen, ist der Weg für eine erfolgreiche Biokunststoff-Produktion aus Polyhydroxyalkanoaten geebnet. Bisher stellten PHA-basierte Kunststoffe Nischenprodukte dar, die dann genutzt werden, wenn Biopolymere wie Polylactid nicht verwendet werden können.

Marktanteile der gesamten Produktionskapazität für Biopolymere im Jahr 2013. © IfBB – Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe 2
Prognostizierte Marktanteile der gesamten Produktionskapazität für Biopolymere im Jahr 2018. © IfBB – Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe 2
Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/biopolymere-rohstoffe-fuer-innovative-medizinprodukte/