Entwicklung prävitalisierter metallischer Hybridimplantate mit Biopolymerbeschichtung zur biologisch adäquaten patientenspezifischen Rekonstruktion von Gesichtsschädeldefekten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Vorhabens war die Herstellung und Testung von Hybridimplantaten für kritische Knochendefekte im Schädelbereich. Diese Implantate sollten primär stabil, patientenindividuell über das Selective Laser Melting hergestellt werden können und resorbierbar sein. Magnesium als resorbierbares Metall wurde gegen Titan als konventioneller Osteosynthesewerkstoff geprüft. Polymere sollten die zu frühe Degradation von Magnesium mittels polymerbeschichteter Oberfläche verhindern und dienen als Reservoir für proangiogene Faktoren und als Lager für osteogene Zellen zur biologischen Funktionalisierung. Anhand von aktuellen Literaturdaten wurden Reinmagnesium, einer MgCa0,8- sowie einer WE43-Legierung als geeignete bioresorbierbare Magnesiumwerkstoffe ausgewählt und Implantate mit einer interkonektierten Porenstruktur (Scaffold) entwickelt. Diese wurden mit dem selektiver Laserstrahlschmelzprozess gefertigt und in vitro und in vivo untersucht. Generell weist die Verarbeitung von Magnesiumwerkstoffen im selektiven Laserstrahlschmelzverfahren gegenüber den etablierten Materialien wie Titan, Aluminium und Edelstahl eine schlechte Prozessierbarkeit auf. Dies wurde auf die Ausbildung einer stabilen Magnesiumoxidschicht zurückgeführt, die Benetzungsprozesse und somit den SLM-Prozess behindern. Durch die Verwendung von Magnesiumlegierungen die Legierungselemente enthalten, welche Magnesiumoxid reduzieren können, konnte die Prozessfähigkeit verbessert werden. Die WE43 zeigte die beste Prozessfähigkeit und es konnten Bauteildichten von > 99 % erzielt werden. Mit der Verwendung von Magnesium und MgCa0,8 wurden Dichten von maximal 92 % erzielt. Alle untersuchten Werkstoffe waren für die Scaffoldherstellung geeignet. Abhängig von dem verwendeten Werkstoff ergab sich eine minimale Konturauflösung der einzelnen Stege von 600 µm für Magnesium und MgCa0,8 und 400 µm für WE43. Eine wesentliche Senkung der Korrosionsrate in vitro ließ sich durch eine Polymerbeschichtung erreichen, die in vivo jedoch nicht bestätigt wurde. Osteoblasten und Fettstammzellen siedelten gut auf den Implantaten, sodass durch die hier vorgestellten in vitro-Versuche entsprechende Implantate für die in vivo-Versuche selektiert und somit die Tierversuchszahl reduziert werden konnte. Das durch die Zellbesiedlung erwartete beschleunigte Knochenwachstum konnte in vivo jedoch nicht nachgewiesen werden. Die in die Polymerschicht inkorporierten proangiogenen Faktoren zeigten eine deutliche Aktivität. Eine Überprüfung in vivo steht aus. Die unerwartet starke Degradation in vivo führte in den Versuchen zur knöchernen Integration zu einem Abbau von 50 % des Hybridimplantates bereits nach 3 Monaten und ist damit deutlich zu schnell für einen adäquaten Knochenaufbau. Dennoch erzielten Defekte mit Implantat eine stärker beschleunigte Knochenheilung. Die aufgetretenen experimentellen Schwierigkeiten bei den in vivo Untersuchungen zur Vaskularisation und Biokompatibilität in den beiden intravitalmikroskopischen Kammermodellen waren unerwartet und überraschend. Trotz dieser Schwierigkeiten konnten valide Daten gewonnen werden, die zeigen, dass Magnesium grundsätzlich als Implantatmaterial geeignet ist. Insbesondere im Hartgewebe ist Magnesium ähnlich biokompatibel wie Titan, allerdings bedarf es noch weitergehender Forschung, um die Degradationsgeschwindigkeit besser den Anforderungen anzupassen. Die starke Degradation und die dabei auftretenden Degradationsprodukte interferieren mit der einsetzenden Angiogenese und führen zu einer schlechten Vaskularisation der Konstrukte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Characterisation of Cell Growth on Titanium Scaffolds Made by Selective Laser Melting for Tissue Engineering. Biomed Tech (Berl). 2013 Sep 7
Matena, J.; Gieseke, M.; Kampmann, A.; Petersen, S.; Murua Escobar, H.; Sternberg, K.; Haferkamp, H.; Gellrich, N.-C.; Nolte, I.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1515/bmt-2013-4047) - Prävitalisierung und Evaluation resorbierbarer Hybrid - Implantate; Tierärztliche Praxis Kleintiere 2/2013
Matena, J.; Gieseke, M.; Kampmann, A.; Murua Escobar, H; Haferkamp, H.; Gellrich, N.-C; Nolte, I.
- Selective Laser Melting of Magnesium and Magnesium Alloys. Magnesium Technology 2013. Tagungsband zu “142th TMS Annual Meeting: Magnesium Technology 2013”, 3.-7. März 2013, San Antonio. Hoboken: John Wiley & Sons Inc., 2013. ISBN: 978-1-11860-552-3, S. 65-68 [Best Paper Award]
Gieseke, M.; Nölke, C.; Kaierle, S.; Wesling, V.; Haferkamp, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-48150-0_11) - Selective Laser Melting of Magnesium Alloys for Manufacturing Individual Implants. Proceedings of the Fraunhofer Direct Digital Manufacturing Conference 2014. 12.-13. März 2014, Berlin
Gieseke, M.; Nölke, C.; Kaierle, S.; Maier, H. J.; Haferkamp, H.
- Comparison of Selective Laser Melted Titanium and Magnesium Implants Coated with PCL. International journal of molecular sciences 2015 Jun 10;16(6):13287-301
Matena, J.; Petersen, S.; Gieseke, M.; Teske, M.; Beyerbach, M.; Kampmann, A.; Murua Escobar, H.; Gellrich, N.-C.; Haferkamp, H.; Nolte, I.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/ijms160613287) - Entwicklung des selektiven Laserstrahlschmelzens von Magnesium und Magnesiumlegierungen zur Herstellung von individuellen und bioresorbierbaren Implantaten, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Dissertation, 2015
Gieseke, M.
- Entwicklung und in vitro-Prüfung von Implantatkonstrukten für kritische Defekte im Schädelbereich, klinik für Kleintier, Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover, Dissertation, 2015
Matena, J.
- Selektives Laserstrahlschmelzen von Magnesium und Magnesiumlegierungen. Tagungsband zur Rapid.Tech 2015. 10.-11. Juni 2015, Erfurt. ISBN 978-3-932875-40-3
Gieseke, M.; Kiesow, T.; Nölke, C.; Kaierle, S.; Maier, H. J.; Haferkamp, H.
- SLM produced porous titanium implant improvements for enhanced vascularization and osteoblast seeding. International journal of molecular sciences 2015 Apr 2;16(4):7478-92
Matena, J.; Petersen, S.; Gieseke, M.; Kampmann, A.; Teske, M.; Beyerbach, M.; Murua Escobar, H.; Haferkamp, H.; Gellrich, N.-C.; Nolte, I.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/ijms16047478)
