Teilprojekt R2 - Magnesiumschwämme

Magnesiumschwämme als bioresorbierbare Implantate

Projektbeschreibung:

Auf der Basis der bisherigen Resultate werden degradable Knochenimplantate für den Einsatz im belasteten Bereich weiter entwickelt. Neuartige hybride Keramik-Magnesiumschwammstrukturen sollen sowohl eine erhöhte Belastbarkeit und Biokompatibilität als auch eine angepasste Degradationsrate gewährleisten. Belastungsgrößen am Einsatzort werden erfasst und über die Simulation optimale Strukturen berechnet. Magnesium-Zell-Interaktionen werden in der Zellkultur und im Tiermodell molekularbiologisch und histologisch charakterisiert, um kritische Parameter zu erkennen und gezielt zu optimieren.

Die Untersuchungen ergaben sowohl vorteilhafte wie auch verbesserungswürdige Eigenschaften von Magnesiumschwämmen als Implantatmaterial im Knochen und Knorpelbereich. Als herausragende Vorteile gegenüber anderen biodegradablen Materialien wurden die höhere Festigkeit, die mit Knochen vergleichbare Elastizität und die gute Löslichkeit und biologische Verträglichkeit von Mg++ Ionen als Abbauprodukt bestätigt. Interessanterweise konnte gezeigt werden, dass Implantate aus Magnesiumlegierungen in-vivo eine osteoinduktive Wirkung haben können. Schwämme aus verschiedenen Magnesiumlegierungen wurden mit einem hohen Maß an Reproduzierbarkeit hergestellt. Um die mechanischen Eigenschaften der Schwämme mathematisch zu definieren und aus den Daten eine optimale Struktur zu berechnen wurden Programme entwickelt. Finite-Elemente-Simulationen ergaben eine gute Übereinstimmung der Modelle mit der rasterelektronenmikroskopischen Analyse der hergestellten Probekörper unter Druck oder Zugbelastung. Insbesondere wurden Versagensursachen und die Degradation in den Randbereichen simuliert und bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass vor allem bei dünnwandigen Schwämmen eine höhere Festigkeit notwendig ist. Die Degradation von Schwämmen und Vollmaterial wurde unter technischen Bedingungen, unter Zellkulturbedingungen und in-vivo verglichen. Während unter technischen Bedingungen routinemäßig präzise und reproduzierbare Bestimmungen möglich waren, war die Degradation unter Zellkulturbedingungen und auch in-vivo sehr viel langsamer und z. T. nicht homogen. Die Degradationsrate zeigte sich abhängig sowohl von der Legierungszusammensetzung als auch vom Herstellungsprozess. Erwartungsgemäß verlief der Abbau wesentlich schneller bei Schwämmen im Vergleich zu soliden Proben, sodass im Hinblick auf die vorgesehene Funktionsdauer eine wesentliche Reduktion der Abbaurate essentiell ist. Im Vergleich zu frischem Knochenzement ergaben die Biokompatibilitätsprüfungen in verschiedenen Zellkulturmodellen ein positives Bild in Bezug auf die löslichen Abbauprodukte der getesteten Legierungen. Zellen konnten sich sogar direkt auf langsam degradierenden Probekörpern anheften. Ähnlich wie in der Zellkultur zeigten langsam degradierende Implantate eine bessere Gewebeverträglichkeit, bei den schnell degradierenden Schwämmen wurde eine osteoinduktive Wirkung nicht beobachtet. Zum Verständnis der zu Grunde liegenden molekularen Prozesse wurde ein "Custom-DNA-Array Chip" zur Genexpressionsanalyse hergestellt. Insgesamt ergibt sich daraus, dass die Stabilität der Schwämme verbessert und die Degradation verlangsamt werden muss. Zu diesem Zweck sollen neuartige Kompositmaterialien entwickelt werden, indem als Platzhalter für die Magnesiumschwämme knochenkompatible Keramikpartikel oder Biogläser eingesetzt werden. Diese Platzhalter sollen nach der Herstellung im Schwamm verbleiben und dadurch sowohl die mechanische Festigkeit verbessern als auch die Degradationsrate verringern. Beim Abbau der Magnesiumlegierung im Knochen sollen die Platzhaltermaterialien zunächst als poröse Matrix verbleiben, die von Zellen besiedelt wird und dann graduell zu Knochen umgebaut werden kann. Um die molekularen Vorgänge zu verstehen wird ein Mausmodell etabliert, welches parallel zur histologischen Auswertung der Implantatumgebung auch Genexpressionsanalysen mittels DNA-Arrays erlaubt. Um die Erkenntnisse aus den Genexperessionsanalysen der Maus auf das größere Tiermodell Kaninchen übertragen zu können, wird mittels in-situ Hybridisierungssonden die korrospondierende Genexpression im Kaninchengewebe im Vergleich zum Mausgewebe untersucht.