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Biodegradierbare Implantate für eine bessere Knochenheilung
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Kooperationen
Prof. Dr. Norbert Hort, Funktionale Magnesiummaterialen, Helmholtz-Zentrum hereon
Dr. Berit Zeller-Plumhoff, Bildgebung und Datenwissenschaften, Helmholtz-Zentrum hereon
Projektbeschreibung
Die Forschung zur Heilung von Knochenbrüchen hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht. Während in der Vergangenheit nur bioinerte Implantate wie rostfreier Stahl (SLS) und Titan Legierungen (Ti-X) für die Versorgung verwendet wurden, werden heute auch Biodegradierbare Implantate auf der Basis von Magnesium (Mg) oder Zink (Zn) entwickelt, um neue Versorgungsoptionen zu ermöglichen. Biodegradierbare Implantate haben dabei gegenüber bioinerten Implantaten den Vorteil, dass sie sich im Laufe der Zeit, über die Frakturheilung hinweg, im Körper auflösen. Darüber hinaus reduziert ihr niedrigeres Elastizitätsmodul (E) auch das Problem der Minderung der Knochendichte aufgrund des sogenannten “stress shielding”, dass im Allgemeinen bei Ti-X- und SLS-Implantaten auftritt, da ihr E-Wert deutlich höher ist als der des Knochens. Das Hauptproblem bei biologisch abbaubaren Implantaten ist jedoch, dass die Geschwindigkeit der biologischen Degradation mit der Geschwindigkeit der Knochenheilung korrelieren sollte, was bei solchen Implantaten allerdings im Allgemeinen nicht der Fall ist.
Daher konzentriert sich unsere gemeinsame Forschungsarbeit derzeit auf die Entwicklung eines computergestützten Workflows, um einen besseren Einblick über den gesamten Knochenheilungsprozess in Verbindung mit biologisch abbaubaren Implantaten zu erhalten.
Bei der Modellierung der Frakturheilung spielt die interfragmentäre Bewegung (IFM) des Frakturspaltes eine große Rolle. Daher konzentrieren wir unsere Modellbildung aktuell auf die Verbindung von IFM-Simulationen mit den Simulationen basierend auf den verschiedenen Knochenheilungsmodellen aus der Literatur. Den Ausgangspunkt der Modellierung bilden geometrische 3D-Modelle, die aus der klinischen Bildgebung gebrochener und versorgter Knochen gewonnen werden. Anschließen werden diese Modelle mit Kräften und Momenten aus muskuloskelettalen Simulationen, basierend auf der Bewegungserfassung von Patienten, beaufschlagt und mittels FEM-Simulationen der Modell-spezifische IFM berechnet.
Zusammen mit unserem Biokorrosionsmodell für biologisch abbaubare Implantate, können die verschiedenen Simulationen miteinander gekoppelt werden und ermöglichen so einen virtuellen Gesamtüberblick über den Verlauf einer Knochenheilung in Verbindung mit Biodegradierbare Implantaten.
Publikationen dieses Projekts
Nayak G.S., Roland M., Wiese B., Hort N., Diebels S.: Influence of implant base material on secondary bone healing: an in-silico study. Comput. Methods Biomech. Biomed. Engin. (2024), Doi: 10.1080/10255842.2024.2338121.