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Knochen-Knorpel-Implantat Implantat aus Nanofasern und Metall-3D-Druck bietet schonendere Behandlung von Knochen-Knorpel-Schäden

Von Oleksandr Gryshchuk* 3 min Lesedauer

Anbieter zum Thema

Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen
KUMAVISION AG
PEAK-System Technik GmbH
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Durch Sportunfälle oder das Altern kann es zu einer Schädigung des Gelenkknorpels kommen. Ist der Schaden zu groß muss oft das Knie vollständig ersetzt werden. Ein neues Implantat soll neue Behandlungsoptionen ermöglichen.

Struktur von Nanofaservlies (l.), Magnesium-Scaffolds mit unterschiedlichem Aufbau (m.), Darstellung der angestrebten Implantate (r.)(Bild: RWTH Aachen)
Struktur von Nanofaservlies (l.), Magnesium-Scaffolds mit unterschiedlichem Aufbau (m.), Darstellung der angestrebten Implantate (r.)
(Bild: RWTH Aachen)

In Deutschland leidet jeder fünfte Erwachsene an Arthrose, einem Verschleiß der Gelenkknorpel. Wird diese Erkrankung nicht frühzeitig behandelt folgt unweigerlich eine fortschreitende sekundäre Arthrose. Diese erfordert oft die Implantation einer künstlichen Gelenkprothese. Solche invasiven Eingriffe sind jedoch aufgrund der langen Rehabilitationszeiten und der potenziellen Risiken für Revisionen nur als letzte Option geeignet, insbesondere für junge, aktive Patienten.

Bisheriges Verfahren birgt Nachteile

Tiefe Knorpeldefekte, auch osteochondrale Läsionen genannt, betreffen die Grenze zwischen Knorpel und Knochen. Diese werden derzeit mit eigenem Knorpelgewebe behandelt. Dabei werden zylindrische Knochen-Knorpel-Stanzen aus einer weniger belasteten Stelle des Gelenks entnommen und im defekten Bereich eingesetzt. Der Knochenanteil fördert die Heilung. Dennoch gibt es Nachteile wie die begrenzte Verfügbarkeit des körpereigenen Materials, die unterschiedliche Dicke der Knorpelschicht zwischen Entnahme- und Implantationsstelle sowie die Morbidität an der Entnahmestelle.

In einigen Fällen werden auch Spender-Transplantate verwendet, was jedoch mit Problemen wie geringerer Gewebelebensfähigkeit und Infektionsrisiken verbunden sein kann.

Forschungskooperation entwickelt zweiphasiges Implantat

Es gibt einen dringenden Bedarf an neuen Lösungsansätzen zur Behandlung von tiefen Knorpeldefekten, die den unterschiedlichen Anforderungen von Knochen und Knorpel gerecht werden. In dem Projekt „CarBoMD“ (Cartilage Bone Medical Device) arbeiten drei Forschungseinrichtungen der RWTH Aachen University in Kooperation an der Erforschung eines zweiphasigen Implantats zur Behandlung von tiefen bis sehr tiefen Knorpeldefekten.

Das Implantat besteht aus porösen, metallischen Zylindern aus einer biokompatiblen und absorbierbaren Magnesiumlegierung. Diese Implantate aus Magnesium weisen eine hohe mechanische Belastbarkeit bei geringer Dichte auf und integrieren sich dank ihrer guten Knochenregenerationsfähigkeit schnell in das native Knochengewebe.

Geschichteter Aufbau fördert Bildung von Knorpel-Knochen-Gewebe

Die Metallstrukturen werden mit hoher Präzision laserbasiert in knochenähnlichen, porösen Formen hergestellt. Im so genannten Elektrospinning-Prozess werden Nanofasern aus einer Polymerlösung gesponnen und direkt als Vlies auf die Metallstrukturen aufgebracht. Die Nanofaservliese werden zudem mit Hydrogelen versetzt, um die Knorpelstruktur im Körper nachzuahmen. Durch einen geschichteten Aufbau soll die Struktur und Festigkeit von Knorpel nachgebildet werden und die Möglichkeit der Bildung neuer Knorpelzellen bieten.

Dadurch bietet das Implantat eine langfristige Behandlungsoption für schwere Knorpeldefekte, ohne zusätzliche Eingriffe oder die Entnahme körpereigenen Gewebes. Die mechanischen Eigenschaften in den verschiedenen Zonen werden durch mechanische Tests und präklinische ex-vivo-Versuche evaluiert. Das neuartige, biphasische Carbomd-Implantat zielt darauf ab, mittelfristig Folgeschäden und -operationen zu reduzieren und damit die Belastung für Patienten und das Gesundheitssystem zu verringern.

Ergänzendes zum Thema

Das Projekt „CarBoMD“ entstand aus einem Forschungsaufruf des Bundesministeriums für Bildung und Forschung mit dem Themenschwerpunkt „Biologisierung der Technik“. In dem Projekt wird ein zweiteiliges Knochen-Knorpel-Implantat entwickelt, das in Zukunft eine schonendere Behandlung von schweren Knochen-Knorpel-Schäden bieten soll. Das Projekt wird von drei Forschungsstellen der RWTH Aachen University und dem Universitätsklinikum Aachen bearbeitet. Die beteiligten Einrichtungen sind das Institut für Textiltechnik (ITA), das den Knorpel-Teil erforscht, das Institut für Strukturmechanik und Leichtbau (SLA), das den Knochen-Teil erforscht und das Institut für Anatomie und Zellbiologie (ANATZ), das die Kompatibilität des Implantats mit Zellen bestimmt. Das Projekt ist gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung – FKZ: 13XP5205

[1] J. Fuchs, R.Kuhnert, 12-Monats-Prävalenz von Arthrose in Deutschland, Journal of Health Monitoring · 2017 2(3) DOI 10.17886/RKI-GBE-2017-054 Robert Koch-Institut, Berlin

[2] J. Verhaegen et al., “TruFit Plug for Repair of Osteochondral Defects-Where Is the Evidence? Systematic Review of Literature.” Cartilage, vol. 6, p. 12-19, 2015. doi:10.1177/1947603514548890.

[3] E.-N. Yilmaz, D. I. Zeugolis, “Electrospun Polymers in Cartilage Engineering-State of Play.” Frontiers in bioengineering and biotechnology, vol. 8, p. 77. doi: 10.3389/fbioe.2020.00077.

[4] Robert Koch-Institut, „Arthrose. Gesundheitsberichterstattung des Bundes.“ vol. 54, 2013.

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[5] D.Hunter, S. Bierma-Zeinstra, Osteoarthritis, The Lancet, Volume 393, Issue 10182, 2019, https://doi.org/10.1016/S0140-6736(19)30417-9.

[6] Anzahl der Implantationen künstlicher Kniegelenke in deutschen Krankenhäusern nach Altersgruppe im Jahr 2019, https://de.statista.com/statistik/daten/studie/785126/umfrage/implantationen-kuenstlicher-kniegelenke-in-deutschen-krankenhaeusern-nach-alter/#:~:text=Implantationen%20k%C3%BCnstlicher%20Kniegelenke%20in%20deutschen%20Krankenh%C3%A4usern%20nach%20Alter%202019,-Ver%C3%B6ffentlicht%20von%20Rainer&text=Die%20Statistik%20zeigt%20die%20Anzahl,193.759%20Implantationen%20k%C3%BCnstlicher%20Kniegelenke%20gez%C3%A4hlt., Abruf: 11.04.22

[7] Deutsche Arthrose-Hilfe e. V., https://www.arthrose.de/arthrose/kosten, Abruf: 11.04.22

[8] Transparency Market Research, “Knee Cartilage Repair Market Trends, 2018-2026. Knee Cartilage Repair Market (Application - Arthroscopic Chondroplasty, Autologous Chondrocyte Implantation, Osteochondral Grafts Transplantation, Cell-based Cartilage Resurfacing, Implants Transplant, Microfracture; End user - Hospitals, Ambulatory Surgical Centers, Orthopedic Clinics and Others) - Global Industry Analysis, Size, Share, Growth, Trends, and Forecast 2018 - 2026.” 2019. https://www.transparencymarketresearch.com/knee-cartilage-repair-market.html.

* Oleksandr Gryshchuk ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen.

(ID:50046155)

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