Mechanobiologie der Knochenregeneration

• Antragsteller: Professor Dr. Lutz Claes
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 245661770

Die Kallusdistraktion ist eine chirurgische Technik, die in der Unfallchirurgie eingesetzt wird, um z.B. Knochen zu verlängern oder Knochendefekte zu behandeln. Obwohl die Methode in den letzten Jahren verbessert wurde, gibt es immer noch eine hohe Komplikationsrate, die zu einem großen Teil auf ungünstige mechanische Bedingungen in der Heilungszone zurückzuführen ist. Um die Knochenregeneration zu verbessern, müssen sowohl die Implantate als auch die Distraktionsprotokolle weiter optimiert werden. Die Voraussetzung dafür ist ein besseres Verständnis der Effekte mechanischer Signale auf die Knochenregeneration (Mechanobiologie). Um dieses Wissen für den Patienten nutzen zu können, werden numerische Computersimulationsmodelle benötigt, um die Wirkung der Fixationsstabilität auf die Knochenregeneration unter verschiedenen klinischen Bedingungen abschätzen zu können. Eine wichtige Limitation der existierenden numerischen Modelle ist, dass sie nicht auf verlässlichen Daten, sondern auf Annahmen hinsichtlich der Materialeigenschaften des Gewebsregenerats, der im Regenerat wirkenden mechanischen Signale und der Gewebedifferenzierungsregeln basieren.Das Ziel dieses Antrags ist es daher, ein verbessertes numerisches Modell für die Kallusdistraktion zu entwickeln, indem die Gewebedifferenzierungshypothesen optimiert werden. Dazu soll in einem neuen Tiermodell, das von unserer Arbeitsgruppe kürzlich entwickelt wurde, die Knochenregeneration unter ausschließlicher Zugbeanspruchung, Kompression und Scherung untersucht werden, indem überlagernde mechanische Signale durch physiologische muskuloskelettale Lasten verhindert werden. Zudem werden die mechanischen Eigenschaften des Geweberegenerats während des Heilungsprozesses gemessen. Durch die exakte Kontrolle der mechanischen Bedingungen während der Knochenheilung können durch die Korrelation der mechanischen und histologischen Daten die Gewebedifferenzierungsregeln optimiert werden. Die neuen Informationen werden in ein existierendes numerisches Modell unserer Arbeitsgruppe für die laterale Kallusdistraktion implementiert. Das Modell wird anhand der in vivo erhobenen Messdaten der mechanischen Gewebeeigenschaften kalibriert. Dann wird eine Parameterstudie durchgeführt, in der interfragmentäre Bewegungen, die sich in Richtung und Größe unterscheiden, simuliert werden. Dadurch lassen sich die für die Knochenregeneration kritischen mechanischen Bedingungen ermitteln. Diese Studie kann dazu beitragen, numerische Modelle für die Knochenheilung und Kallusdistraktion zu entwickeln, die es erlauben, die Wirkung der Fixationsstabilität auf das Heilungsergebnis unter verschiedenen klinischen Bedingungen vorherzusagen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professorin Dr. Anita Ignatius