Studie: 3D-gedruckte Titanimplantate mit Netzwerkstruktur unterstützen Knochenheilung

Forscher des Zentrum für Muskuloskeletale Chirurgie, dem Brandenburger Zentrum für Regenerative Therapien sowie dem Julius Wolff Institut der Charité Universitätsmedizin Berlin haben in Zusammenarbeit mit dem Wyss Institute der Harvard Universität in den USA an einer Studie zum Einsatz von 3D-gedruckten Titanimplantaten gearbeitet. Diese belegt, dass sogenannte Titan Mesh Scaffolds, die patientenspezifisch gedruckt werden, die Knochenheilung im großen Ausmaß unterstützen.

Größerer Knochenverlust, hervorgerufen durch einen Unfall oder auch Infektionen sowie Tumore, stellt für die Unfallchirurgie eine Herausforderung dar. Als Alternative zur Transplantation von körpereigenem Knochengewebe können Patienten der Charité mit einem individuell angepassten, 3D-gedruckten Titanimplantat versorgt werden. Die Netzwerkstruktur des Implantats wird zusätzlich mit körpereignem Knochen, Wachstumsfaktoren und Knochersatzmaterial gefüllt, um die Knochenheilung anzuregen. Bislang sind an der Charité bereits 19 Patienten mit solch einem Implantat versorgt worden.

Mit Hilfe von Daten erfasst über Computertomographie werden patientenspezifische 3D-Modelle für den Druck konstruiert. Die Implantate selbst werden mittels Metall-Lasersinter-Prozess von DePuy Synthes, einem Tochterunternehmen des amerikanischen Konzerns Johnson & Johnson, hergestellt.

Ein interdisziplinäres Team aus Unfallchirurgen, Ingenieuren, Tierärzten und Biologen hat nun geprüft, ob das Design der Titan Mesh Scaffolds auch noch mechanisch optimiert und der Heilungsprozess weiter angeregt werden kann.

„Wir haben zunächst am Computermodell ein Scaffold in standardisierter Größe mechanobiologisch weiterentwickelt,” erklärt die Projektleiterin Dr. Anne-Marie Pobloth vom Julius Wolff Institut der Charité. “Anschließend konnten wir im Großtiermodell den tatsächlichen Einfluss auf die Knochenheilung untersuchen. Da hierbei der Knochenheilungsprozess dem des Menschen sehr ähnlich ist, lassen sich Rückschlüsse auf dessen Heilung ziehen.”

Bei der Weiterentwicklung handelt es sich um eine honigwabenartige Struktur, die das Einwachsen von Knochengewebe durch Kanäle noch besser leiten soll. Mit verschiedenen Durchmessern dieser Kanäle kann zudem die Festigkeit optimiert gesteuert werden.

„Wir haben angenommen, dass in Abhängigkeit von der Steifigkeit des Implantatnetzwerkes die Knochensubstanz unterschiedlich effektiv wächst,” fügt Professor Dr. Georg N. Duda, Direktor des Julius Wolff Instituts für Biomechanik und Muskuloskeletale Regeneration und Vize-Direktor des BCRT, hinzu. “Daher haben wir den Effekt der mechanischen Stimulation während des Heilungsprozesses in vier Testgruppen bei variierender Steifigkeit untersucht.”

Die Ergebnisse waren eindeutig und erfreulich zugleich, denn die Biomechanik hat Einfluss auf die Menge, Qualität und den Typ des neu gebildeten Knochens. Dr. Philipp Schwabe ergänzt:

„Es hat sich gezeigt, dass weiche Implantate, die in Kombination mit einem klinisch anerkannten Plattensystem eine höhere mechanische Stimulation der Knochenheilung zulassen, bereits nach drei Monaten auf Röntgenaufnahmen eine schnellere Knochenbildung abbilden als die härteren Varianten.”

Ein erstes Ziel ist es mechanobiologisch optimierte und weichere Titan Mesh Scaffolds herzustellen. Später möchte man den Prozess von langen Röhrenknochen der oberen und unteren Gliedmaßen auf die Bereiche der Mund-, Kiefer, Gesichts und Wirbelsäulenchirurgie ausweiten.

Die Studie “Mechanobiologically optimized 3D titanium-mesh scaffolds enhance bone regeneration in critical segmental defects in sheep” wurde im Fachjournal Science Translational Medicine veröffentlicht.