Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Metallstrukturen effektiv helfen, Knochen zu heilen

12.01.2018

Forscher schaffen neue Generation von Knochenimplantaten

Wissenschaftler am Julius Wolff Institut, dem Berlin-Brandenburger Centrum für Regenerative Therapien und dem Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie der Charité – Universitätsmedizin Berlin haben in Kooperation mit dem Wyss Institute der Harvard Universität Boston gezeigt, wie mechanisch optimierte Biomaterialkonstrukte, sogenannte Titan Mesh Scaffolds, die Knochenheilung maximal unterstützen.


Im Verlauf von 24 Wochen füllte sich die honigwabenartige Struktur des Scaffolds mit neuem Knochenmaterial, hier beide Modelle.

Foto: Julius Wolff Institut/Charité

Das Wachstum von neuer Knochensubstanz ist insbesondere bei der Versorgung großräumiger Defekte von zentraler Bedeutung. Wie die präklinische Studie belegt, kann Regeneration unterschiedlich schnell und effektiv verlaufen, je nach Steifigkeit des jeweiligen Implantatnetzwerkes. Weichere Konstrukte fördern eine Heilung, stellen die Forscher im aktuellen Fachmagazin Science Translational Medicine* fest.

Ausgedehnte Verluste von Knochenvolumen an den Gliedmaßen, die zum Beispiel durch einen Unfall, eine Knocheninfektion oder bei Patienten mit Knochentumoren entstehen können, stellen aus therapeutischer Sicht und in der Unfallchirurgie eine Herausforderung dar.

Knochendefekte dieser Art können nicht allein zur Ausheilung kommen und führen im schlimmsten Fall zum Verlust der Gliedmaße. Eine Möglichkeit der Behandlung besteht darin, körpereigenes Knochengewebe in entsprechender Größe und Stärke zu transplantieren.

Dies gelingt oft nur begrenzt. Alternativ können beispielsweise am Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie der Charité Patienten mit großen Knochendefekten mit einer individuell angefertigten Titannetzwerkstruktur, einem sogenannten Titan Mesh Scaffold, versorgt werden.

Hierfür wird ein dreidimensionaler Datensatz des betroffenen Knochens und des Defektes mittels Computertomographie erstellt. Mit einer speziellen Lasertechnik kann daraufhin der entsprechende Titan Mesh Scaffold im 3D-Druckverfahren individuell für den jeweiligen Patienten angefertigt werden.

Während einer Operation wird dieser passgenau in den vorliegenden Knochendefekt eingesetzt. Insgesamt 19 Patienten sind bisher an der Charité mit einem derartigen Implantat versorgt worden, mit zukunftsweisenden Ergebnissen.

Um die Knochenheilung anzuregen, wird der Titan Mesh Scaffold zusätzlich mit körpereigenem Knochen, Wachstumsfaktoren und Knochenersatzmaterial gefüllt. Ob das Design der Titannetzwerke daneben auch mechanisch optimiert und der Heilungsprozess noch weiter angeregt werden kann, hat jetzt ein interdisziplinäres Team aus Unfallchirurgen, Ingenieuren, Tierärzten und Biologen um Dr. Anne-Marie Pobloth vom Julius Wolff Institut der Charité geprüft.

„Wir haben zunächst am Computermodell ein Scaffold in standardisierter Größe mechanobiologisch weiterentwickelt. Anschließend konnten wir im Großtiermodell den tatsächlichen Einfluss auf die Knochenheilung untersuchen. Da hierbei der Knochenheilungsprozess dem des Menschen sehr ähnlich ist, lassen sich Rückschlüsse auf dessen Heilung ziehen“, erklärt die Fachtierärztin.

Der weiterentwickelte Scaffold besteht aus einer sich wiederholenden honigwabenartigen Struktur, die das Einwachsen von Knochengewebe durch Kanäle noch besser leiten soll. Variierende Durchmesser im Inneren der Konstruktion sorgen für unterschiedliche Festigkeitsoptionen.

„Wir haben angenommen, dass in Abhängigkeit von der Steifigkeit des Implantatnetzwerkes die Knochensubstanz unterschiedlich effektiv wächst. Daher haben wir den Effekt der mechanischen Stimulation während des Heilungsprozesses in vier Testgruppen bei variierender Steifigkeit untersucht“, so Prof. Dr. Georg N. Duda, Direktor des Julius Wolff Instituts für Biomechanik und Muskuloskeletale Regeneration und Vize-Direktor des BCRT.

Mit eindeutigem Resultat, wie Unfallchirurg Privatdozent Dr. Philipp Schwabe ergänzt: „Es hat sich gezeigt, dass weiche Implantate, die in Kombination mit einem klinisch anerkannten Plattensystem eine höhere mechanische Stimulation der Knochenheilung zulassen, bereits nach drei Monaten auf Röntgenaufnahmen eine schnellere Knochenbildung abbilden als die härteren Varianten.“ Die Biomechanik hatte Einfluss auf die Quantität und Qualität des neu gebildeten Knochens sowie den Typ der Knochenneubildung innerhalb des Scaffolds.

Ziel der Forschergruppe ist es nun, mechanobiologisch optimierte, weichere Titan Mesh Scaffolds zur Verfügung zu stellen, so dass auch Patienten von den Erkenntnissen profitieren und Knochendefektheilung künftig einfacher zu gestalten ist. Denkbar ist weiterhin, diese Verfahren nicht nur für den langen Röhrenknochen der oberen und unteren Gliedmaßen einzusetzen, sondern auch im Bereich der Mund-, Kiefer-, Gesichts- und der Wirbelsäulenchirurgie.

*Anne-Marie Pobloth, Sara Checa, Hajar Razi, Ansgar Petersen, James C. Weaver, Katharina Schmidt-Bleek, Markus Windolf, Andras Á. Tatai, Claudia P. Roth, Klaus-Dieter Schaser, Georg N. Duda, Philipp Schwabe. Mechanobiologically optimized 3D titanium-mesh scaffolds enhance bone regeneration in critical segmental defects in sheep. Science Translational Medicine.10, eaam 8828 (2018) 10 January 2018. doi: 10.1126/scitranslmed.aam8828.

Kontakt:
Prof. Dr. Georg N. Duda
Direktor des Julius Wolff Instituts für Biomechanik und Muskuloskeletale Regeneration/ Stellvertretender Direktor des Berlin-Brandenburger Centrums für Regenerative Therapien (BCRT)
Charité – Universitätsmedizin Berlin
t: +49 30 450 559 079
georg.duda[at]charite.de

Links:
- Julius Wolff Institut (JWI) https://jwi.charite.de/
- Berlin-Brandenburger Centrum für Regenerative Therapien (BCRT) https://www.b-crt.de/
- Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie (CMSC) https://cmsc.charite.de/

Manuela Zingl | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizintechnik:

nachricht Mikroskopie der Zukunft
22.05.2018 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Markerfreies Verfahren zur Schnelldiagnose von Krebs
22.05.2018 | Ruhr-Universität Bochum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizintechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics