Entwicklung prävitalisierter metallischer Hybridimplantate mit Biopolymerbeschichtung zur biologisch adäquaten patientenspezifischen Rekonstruktion von Gesichtsschädeldefekten
Final Report Abstract
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.
Publications
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