Teilprojekt R6 - Degradable Knochenimplantate

Degradable Osteosynthese: Optimierung der Knochenregeneration durch stabilitätsgesteuerte Implantatresorption unter Verwendung resorbierbarer Leichtmetalle

Projektbeschreibung:

Das vorliegende Teilprojekt hat das Ziel, optimale, funktionsangepasste, resorbierbare Implantate aus Magnesiumlegierungen für die Osteosynthese am belasteten Knochen zu entwickeln. Diese resorbierbaren Leichtmetalle verfügen über eine wesentlich höhere Festigkeit als die bisher als resorbierbares Implantatmaterial verwendeten Polymere. Nach den bisherigen Ergebnissen erlauben sie eine zeitlich kontrollierbare Degradation durch Korrosion. Dadurch ermöglichen sie eine an den jeweiligen Festigkeitszustand des heilenden Knochens angepasste Stabilisierung.

Um die Anforderungen an das resorbierbare Implantat im Zuge der Knochenheilung zu definieren und mittels FEM zu berechnen, standen im ersten Antragszeitraum Untersuchungen zu physiologischen Vorgängen während der Knochenheilung sowie zur Legierungsfindung, zum Degradationsverhalten und zur Biokompatibilität von vier Magnesiumbasislegierungen (LAE442, LAECer442, WE43, MgCa0.8) über Zeiträume von bis zu sechs Monaten im Vordergrund, von denen sich LAE442 und MgCa0.8 als viel versprechend zeigten. Im zweiten Antragszeitraum wurden die Grundlagenforschungen zur Legierungsfindung (Kooperation R1) sowie Charakterisierung der biomechanischen Kennwerte, der Geometrien und der Biokompatibilität über längere Zeiträume von bis zu 12 Monate fortgeführt sowie die biologischen Gesetzmäßigkeiten des Heilungsverlaufes des Knochens weiterverfolgt. Durch Implementierung von in vivo µ-computertomographischen (µ-CT) Verlaufsuntersuchungen konnten verschiedene Parameter, z.B. Volumenzunahme des Kallus oder der Trabekel während der Knochenheilung, erhoben werden. Aus diesen werden zusammen mit den Kennwerten der Implantatdegradation und den Ergebnissen der Ermittlung der physiologisch auftretenden Kräfte (R2) mittels der FEM für die Kaninchen- und Schaftibia optimierte Implantatdesigns berechnet und laufend optimiert. Im Rahmen der Legierungsfindung wurden verschiedene Legierungen inklusive Beschichtung über verschiedene Zeiträume (AL33, AX30, MgCa0.8 inkl. Fluoridbeschichtung, LAE442, ZEK100, LANd442) untersucht. Es konnte festgestellt werden, dass ein umgekehrt proportionaler Zusammenhang zwischen der Verträglichkeit der Legierungen und der Degradationsgeschwindigkeit besteht. Das Magnesiumkorrosionsprodukt Magnesiumhydroxid scheint hingegen in der frühen Phase der Knochenheilung einen positiven Einfluss auf das periimplantäre Remodelling zu haben. Die immunologische Antwort des Körpers auf Magnesiumimplantate war mit vorwiegend Fremdkörperreaktionen unspezifisch. Untersuchungen verschiedener Organe, des Blutes und des pH-Wertes wiesen darauf hin, dass der Organismus in der Lage ist, Magnesiumkorrosionsprodukte ohne Beeinträchtigung der untersuchten Parameter abzubauen. Hinsichtlich der Primärstabilität, des Abbauverhaltens sowie der Biokompatibilität hat sich für den belasteten Knochen die Legierung LAE442 als am besten geeignet herauskristallisiert. Mit gewissen Einschränkungen hat sich auch die Legierung ZEK100 als viel versprechend gezeigt. Im Rahmen der in vivo Untersuchungen der verschiedenen Legierungen hat sich allerdings herausgestellt, dass nicht nur die Legierungszusammensetzung sondern auch für die Werkstoffkunde vernachlässigbare Streuungen innerhalb einer Legierung in vivo zu fulminanten Biokompatibilitätsunterschieden führen können. Diese nicht vorsehbaren Beobachtungen führten innerhalb der Teilprojekte zu erheblichen Verzögerungen, so dass in vivo Versuche zur intramedullären Stabilisierung von Osteotomien erst gegen Ende der zweiten Antragsphase beginnen konnten und daher in der kommenden Antragsphase weiter bearbeitet werden sollen. Weiterhin wurde als ein zusätzlicher Arbeitspunkt die Qualitätssicherung bei der Herstellung und Anwendung von Magnesiumlegierungen aufgegriffen. Ab 2011 sollen die aus den beiden vorangegangenen Antragszeiträumen erhaltenen Erkenntnisse des Teilprojekts R4 in das TP R6 einfließen. Im Vordergrund stehen dabei in vivo Untersuchungen verschiedener Osteosynthese-Systeme für den belasteten und unbelasteten Knochen. Als Werkstoff werden insbesondere die Legierungen LAE442 und ZEK100 für die Anwendung am belasteten Knochen weiterverfolgt. Im Rahmen der Legierungsweiterentwicklung werden parallel Grundlagenforschungen zur Legierungsherstellung und Qualitätssicherung in Kooperation mit TP R1 fortgeführt und das Seltene Erden Mischmetall durch definierte Einzelkomponenten ersetzt. Aufbauend auf der weiter optimierten Simulation, in vitro und in vivo Untersuchungen sollen durhc exakt zu definierende Herstellungsparameter, Oberflächenbearbeitung und Geometrieveränderung die entsprechenden Osteosynthese-Systeme entwickelt und optimiert und dann am Großtiermodell Schaf etabliert werden. Endziel ist die Entwicklung degradabler, funktionsangepasster Implantate (Verriegelungsnägel und Platten-Schrauben-Systeme) für die jeweils notwendigen Belastungsansprüche.