Präklinische Studie

Forscher präsentieren "neue Generation von Knochenimplantaten"

Forscher aus Berlin und Boston haben ein Titan Mesh Scaffold aus einer sich wiederholenden honigwabenartigen Struktur entwickelt, die das Einwachsen von Knochengewebe durch Kanäle noch besser leiten soll. Variierende Durchmesser im Inneren der Konstruktion sorgen für unterschiedliche Festigkeitsoptionen.

Im Verlauf von 24 Wochen füllt sich die honigwabenartige Struktur des Scaffolds mit neuem Knochenmaterial. Das Wachstum von neuer Knochensubstanz ist insbesondere bei der Versorgung großräumiger Defekte von zentraler Bedeutung. Julius Wolff Institut/Charité

 

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 in Berlin 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", erklärt die Fachtierärztin. "Da hierbei der Knochenheilungsprozess dem des Menschen sehr ähnlich ist, lassen sich Rückschlüsse auf dessen Heilung ziehen.“

Der vorliegende Fall beschreibt die Resektion eines Ameloblastoms im linken Unterkiefer und die anschließende Rekonstruktion mittels Titanmesh und autogener Beckenkammspongiosa.

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In Kooperation mit dem Wyss Institute der Harvard Universität Boston konnten die Forscher zeigen, wie die weiterentwickelten Titan Mesh Scaffolds, die Knochenheilung maximal unterstützen. Laut der präklinischen Studie, publiziert im Fachmagazin Science Translational Medicine, kann die Regeneration unterschiedlich schnell und effektiv verlaufen, je nach Steifigkeit des jeweiligen Implantatnetzwerks. Weichere Konstrukte fördern demnach eine Heilung, stellten die Forscher fest.

Desto weicher das Konstrukt, desto besser die Heilung

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", erklärt Prof. Georg N. Duda, Direktor des Julius Wolff Instituts für Biomechanik und Muskuloskeletale Regeneration. "Daher haben wir den Effekt der mechanischen Stimulation während des Heilungsprozesses in vier Testgruppen bei variierender Steifigkeit untersucht.“

Mit eindeutigem Resultat, wie Unfallchirurg 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.

Zum Hintergrund

Am Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie der Charité können 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 Defekts mittels Computertomografie erstellt. Anschließend kann das entsprechende Titan Mesh Scaffold im 3-D-Druckverfahren individuell für den jeweiligen Patienten angefertigt werden. Während einer Operation wird es passgenau in den vorliegenden Knochendefekt eingesetzt. Insgesamt 19 Patienten sind bisher an der Charité mit einem derartigen Implantat versorgt worden.

Ziel der Forschergruppe ist 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.

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

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