Modellbildung und Simulation der Feldverteilung von großflächigen, elektro-stimulierenden Implantaten für die Orthopädische Chirurgie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im vorliegenden Projekt sollten für die klinische Anwendung der Elektrostimulation grundlegende Ergebnisse generiert werden, welche zur Optimierung der Implantatsysteme und der Osseointegration dieser dienen sollen. Dazu wurde im Zellversuch zunächst geprüft, ob auf eine elektromagnetische Stimulation mit der Applikation einer Primär- sowie einer Überträgerspule verzichtet werden kann und damit aktive elektrische Schaltungen zur Versorgung der Elektroden im Tiermodell zum Einsatz kommen können. Es zeigte sich, dass die Prokollagensynthese der humanen Osteoblasten nach aktiver elektrischer Stimulation den gleichen prozentualen Anstieg aufweist, im Vergleich zur elektromagnetischen Stimulation der Zellen mittels der ASNIS IIIs Schraube. Daher wurde auf die Entwicklung und Herstellung aktiver Stimulationseinheiten für das Tiermodell fokussiert. Hierbei wurden Implantate für das Tiermodell New Zealand White Rabbit entwickelt, um die optimalen Stimulationsparameter für die Neubildung des Knochens und die knöcherne Integration der Implantatoberfläche zu ermitteln. Nach mehreren iterativen Entwicklungsschritten konnte, basierend auf einem Spaltmodell mit trigonaler Grundfläche, ein Implantatdesign gewählt werden, welches drei Außenflächen für die Integration eines Isolators mit eingegossener Drahtelektrode bietet. Es wurden numerische Simulationen zur idealen Auslegung der Implantate durchgeführt, um eine optimale Verteilung des elektrischen Feldes zu gewährleisten. Für den Tierversuch werden je zwei der Implantate mit einer ausgelegten aktiven Schaltung verbunden und randomisiert medial metaphysär tibial und femoral im Kaninchen eingesetzt. Die Schaltung mit Knopfzelle ist in medizinisch zugelassenem Silikon eingegossen und wird unter der Haut im Bereich des Beckens implantiert. Über 12 Wochen wird damit die Spannungsversorgung der Implantate mit unterschiedlichen Stimulationsparametern ermöglicht. Zusätzlich zur aktiven Schaltung wurde weiterhin im Laborversuch ein passives Stimulationssystem auf Basis von Primärspulen aufgebaut, welche um den Käfig angeordnet wurden und eine Spannungsinduktion in implantierte Sekundärspulen erzeugt, die als Versorgung für die Implantate dient. Basierend auf den Ergebnissen der Zellversuche und der Tatsache, dass die Positionsänderung der Sekundärspule durch die Bewegung des Kaninchens im Käfig die Versorgung der Elektroden beeinflusst, wurde dieser Ansatz im Tiermodell nicht weiter verfolgt. An einem Versuchstier wurden bisher die Operationstechnik und die Funktionsfähigkeit der aktiven Schaltung erfolgreich nachgewiesen. Weitere Versuche folgen, um das Einwachsen der unterschiedlich elektrostimulierten Implantate biomechanisch und histologisch in einer statistisch relevanten Fallzahl evaluieren zu können. Der Tierversuch konnte im angegebenen Förderzeitraum aufgrund der hohen Komplexität der komplett neu entwickelten Schaltungen und Implantate und dem damit verbundenen Entwicklungs- und Herstellungsaufwand bis zur Erstellung des Abschlussberichtes nicht abgeschlossen werden. Die Untersuchungen werden aktuell weitergeführt und über Haushaltsmittel finanziert. Im Rahmen der numerischen Simulationen wurde der Einfluss verschiedener Parameter im Knochengewebe auf die elektrische Feldverteilung untersucht. Dabei wurde in der Mikroebene der deutliche Einfluss der trabekulären Struktur bzw. Knochendichte und Leitfähigkeit auf das elektrische Feld erkennbar. Der Optimierungsalgorithmus wurde weiterhin um einen automatischen Pareto-Klassifizierer ergänzt. Der Algorithmus wurde erweitert, um für mehrere Beckenanatomien eine optimale Stimulationskonfiguration zu finden. Anschließend wurden für drei verschiedene Defektsituationen allgemeine Implantatkonfigurationen ermittelt. Ein weiteres relevantes Ergebnis des Projekts ist die Optimierung des elektrischen Feldes um ein einen neu entwickelten Hüftendoprothesenstiel mittels einer stabförmigen Leiterbahn auf der anterioren und posterioren Implantatseite. Es wurde die Drahtelektrode entsprechend ihrer Position und Breite, sowie der Breite des Isolators unter Zuhilfenahme des integrierten Optimierungsverfahrens optimiert. Zur Vermeidung von Feldüberhöhungen wurden sowohl Elektroden, als auch Isolatoren an den jeweiligen Enden entsprechend gestaltet. Die Funktionsfähigkeit wurde in einem porcinen Femurmodell erfolgreich getestet. Weiterhin konnte eine hohe Übereinstimmung der experimentell gemessenen Werte mit den numerischen Daten gefunden werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Electrical stimulation of osseointegration of a uncemented total hip stem. Biomedizinische Technik - Biomedical Engineering Track P: S1162, 2014
Ebner C, Zimmermann U, Su Y, van Rienen U, Mittelmeier W, Bader R
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Establishment of a novel in vitro test setup for electric and magnetic stimulation of human osteoblasts on three-dimensional scaffolds. Cell Biochemistry and Biophysics, Apr 30, 2014 [Epub ahead of print]
Grunert P, Jonitz-Heincke A, Su Y, Souffrant R, Hansmann D, Ewald H, Krüger A, Mittelmeier W, Bader R
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Evaluation of Electric Field Distribution in Electromagnetic Stimulation of Human Femoral Head. Bioelectromagnetics, 35,8, December 2014, Pages 547-558
Su Y, Souffrant R, Kluess D, Ellenrieder M, Mittelmeier W, van Rienen U, Bader R
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An automatic approach for calibrating dielectric bone properties by combining finite-element and optimization software tools. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 19,12, 2016, 1306-1313
Su Y, Kluess D, Mittelmeier W, van Rienen U, Bader R
