Simulation der Frakturheilung an der Ratte
Final Report Abstract
Das übergeordnete Ziel des Projektes war es ein numerisches Modell zu entwickeln, das es erlaubt die Knochenheilung am Rattenmodell zu simulieren. Mit diesem Modell sollen offene Fragen wie z.B.: "Wie groß muss ein Knochendefekt gewählt werden, um ein verzögerte Heilung oder eine Pseudarthrose zu verursachen?", oder „Welchen Heilungszeitraum (Tötungszeitraum) muss man wählen, um den größtmöglichen Unterschied zwischen zwei Behandlungsgruppen zu erhalten?" beantwortet werden. Um dies zu ermöglichen wurde innerhalb eines Tierversuchs der Verlauf der Kallussteifigkeit über der Heilungszeit ermittelt und somit die Grundlage für die Anpassung unseres Heilungsmodells an die Ratte geschaffen. Die Anpassung des numerischen Heilungsmodells erfolgte durch 600 Heilungssimulationen für die Anpassung der Gewebetransformationsregeln. Durch den Vergleich zu den Ergebnissen aus dem In-vivo-Versuch konnte das beste Design identifiziert und anhand weiterer In-vivo-Ergebnisse (z.B. histologische Schnitte) bestätigt werden. Dabei stellte sich heraus, dass die Ratte höhere mechanische Belastungen für die Knochen- und Knorpelbildung toleriert, als das Schaf. Diese Erkenntnis ist entscheidend für den Vergleich experimenteller Studien zur Frakturheilung an unterschiedlichen Spezies, wenn es darum geht z.B. eine verzögerte Heilung aufgrund hoher Interfragmentärer Bewegungen zu erzeugen. Anhand des neuen numerischen Modells zur Simulation der Frakturheilung an der Ratte wurden zahlreiche, bereits publizierte Tierstudien nachsimuliert, wodurch das numerische Modell einerseits in seiner Aussagekraft weiter bestätigt werden konnte. Andererseits konnten die Studien identifiziert werden, bei denen das Heilungsergebnis nicht durch rein biomechanische Einflüsse erklärt werden konnte. Dies waren zum einen Studien mit großem Frakturspalt (> 2 mm) und zum anderen Studien mit älteren Ratten. In beiden Fällen deuteten die in vivo Ergebnisse auf eine schlechtere Heilung hin, als bei den Simulationen. Durch Erweiterung des numerischen Modells bezüglich biologischer Faktoren wie z.B. der Zellaktivität könnten mögliche Ursachen für die schlechtere Heilung in diesen Fällen identifiziert werden. Anhand weiterer Simulationen mit systematischer Variation der Versuchsparameter (Körpergewicht der Ratte, Osteosynthesesteifigkeit, Frakturspaltbreite) konnte zum einen der Einfluss dieser Parameter auf das Heilungsergebnis quantifiziert und zum anderen das Heilungsergebnis mit verschiedenen, mechanischen Parametern in der initialen Heilungsphase korreliert werden. Dabei stellte sich heraus, dass sich die Interfragmentäre Bewegung in der initialen Heilungsphase am besten für die Vorhersage der Heilungszeit eignet. Darüber hinaus wurde untersucht, ob und in welchem Maße sich eine Änderung der Osteosynthesesteifigkeit während der Heilung auf das Heilungsergebnis auswirkt. Dabei stellte sich heraus, dass eine stabile Osteosynthese stets zur schnellsten Heilung führte, jedoch eine spätere flexible Fixation (ab 2 Wochen Heilungszeit) sich nicht signifikant positiv auf den Verlauf der Kallussteifigkeit auswirkte. Basierend auf den Ergebnissen der oben genannten Variationsrechnungen wurden Fitkurven erstellt. Anhand der Parameter dieser Fitkurven kann der Verlauf der Kallussteifigkeit über der Heilungszeit in Anhängigkeit verschiedener Versuchsparameter anhand einer einfachen mathematischen Formel berechnet werden. Dies ermöglicht auch anderen Forschergruppen den Zugang zu unseren Heilungssimulationen und soll dabei helfen, durch bessere Planung der Versuchsparameter und des Tötungszeitpunktes, die Tierzahlen in experimentellen Studien zur Frakturheilung an der Ratte zu reduzieren.
Publications
- „In vivo monitoring of fracture healing in rats“, Poster bei der Konferenz der “International Society for Fracture Repair“ in Kyoto, Japan 2012
Wehner et al.
- „In vivo monitoring of fracture healing in rats“, Kongress der „European Society of Biomechanics” in Patras, Griechenland 2013
Wehner et al.
- „In-vivo-Monitoring der Frakturheilung bei Ratten“, Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomechanik in Neu-Ulm, Deutschland 2013
Wehner et al.
