Analyse der Gewebe-Material-Grenzfläche bei biologisch abbaubaren Implantaten

• Antragsteller: Professor Dr. Björn Busse; Dr. Florian Wieland
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 526239533

Für jugendliche und aktive erwachsene Patientengruppen, die in Folge von z.B. Unfällen bei sportlichen Aktivitäten Frakturen erleiden, ist eine optimale medizinische Versorgung erforderlich. Derzeitig werden solche Indikationen mit nicht abbaubaren Metallimplantaten behandelt, die zum Teil wieder entfernt werden müssen, da es z.B. bei Kindern im Zuge des Wachstums zu einem strukturellen Missverhältnis zwischen Implantat und Knochen kommen kann. Ein zweiter chirurgischer Eingriff bedeutet für Patienten zusätzliche Heilungszeiten, mögliche Komplikationen und Nebenwirkungen. Abbaubare Implantate aus Magnesium (Mg)-Legierungen bieten ein hohes Potenzial für die Behandlung von Frakturen, da sich ein solches Implantat während der Heilung selbst auflöst. Weitere Vorteile von Magnesium sind seine Biokompatibilität, da es im Körper natürlich vorkommt, und seine dem Knochen ähnlichen mechanischen Eigenschaften. Jedoch kann aufgrund der Degradation des Implantats die Grenzfläche zwischen Knochen und Implantat nicht mehr als konstant angesehen werden, da diese einem ständigen Umbau unterliegt sowie einem sich verändernden chemischen Umfeld. Bislang ist noch nicht vollständig geklärt, wie sich diese Situation auf die Osseointegration auswirkt. Deshalb wollen wir den Einfluss degradierender Implantate auf die mechanischen Eigenschaften des Knochengewebes untersuchen und ihn mit Veränderungen in den verschiedenen hierarchischen Knochenstrukturen in Verbindung bringen. Wir haben ein Forschungsvorhaben konzeptioniert, um die erforderlichen nanostrukturellen, chemischen und biomechanischen Eigenschaften an der Knochen Mg-Implantaten Grenzfläche zu untersuchen und so die durch den Abbau induzierten Veränderungen auf verschiedenen hierarchischen Längenskalen zu entschlüsseln. Hierbei machen wir uns die Kompetenzen der beteiligten Arbeitsgruppen zunutze, die das Fachwissen über umfassende Knochencharakterisierung (UKE) und biologisch abbaubare Magnesiumimplantate (Hereon) bereitstellen. Wir werden Histologie, Elementverteilung, Nanoindentation und Röntgenkleinwinkelstreuungsexperimente kombinieren, um Informationen über die chemische Zusammensetzung, die mechanischen Eigenschaften und das mikro- und nanostrukturelle Verhalten zu erhalten. Als Ergebnis wird ein umfassender Datensatz entstehen, der mechanische, strukturelle und chemische Parameter der Knochen-Implantate beinhaltet. Die Durchführung einer korrelativen Analyse dieses Datensatzes wird es uns ermöglichen, besser zu verstehen, welche Schlüsselfaktoren die Osseointegration in Gegenwart einer sich stetig umbauenden Implantat-Knochen-Grenzfläche bestimmen und wie die resultierenden Eigenschaften der Knochenmatrix davon abhängen. Es wird möglich sein, die biomechanischen Veränderungen des Knochengewebes mit den strukturellen Anpassungen während des Implantatabbaus, der Bildung von Abbauprodukten und der sich dynamisch verändernden Knochen-Implantat-Grenzfläche zu verbinden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen