Populationsvariabilität in der orthopädischen Biomechanik

Mechanische Stabilität ist die wichtigste Voraussetzung für die erfolgreiche Behandlung von Frakturen. Die Versorgung von komplizierten Frakturen (z.B. bedingt durch Osteoporose) ist nicht ausreichend gelöst und ist mit erschreckend hoher Erkrankungsrate oder Sterblichkeit verbunden. Es besteht ein deutlicher Unterschied zwischen der Frakturstabilität aufgrund von Implantatbehandlung im Experiment und ihrer realen Leistung bei der Frakturversorgung im Patienten. Ein Grund für diese Unterschiede ist die fehlende Berücksichtigung von bevölkerungsspezifischen Faktoren wie Geschlecht, Alter und ethnischer Zugehörigkeit und somit verbundene unterschiedliche Anatomie, Geometrie, Strukur und Materialeigenschaften menschlicher Knochen. Eine Versorgungsempfehlung mit einem bestimmten Implantat oder die Entwicklung neuer oder verbesserter Implantatdesignserforderneine vorklinische Beurteilung der mechanischen Leistungsfähigkeit durch biomechanische Prüfung. Eine der wichtigsten Überlegungen bei einem solchen Test ist das Substrat, in dem das Implantat getestet wird. Das Substrat soll die Bedingungen des lebenden menschlichen Knochens so realistisch wie möglich nachahmen. Zu diesem Zweck werden hauptsächlich menschliche Spender-Knochen oder Kunststoffknochen verwendet. Während menschliche Knochen teuer, kaum verfügbar und möglicherweise infektiös sind, können Kunststoffknochen der Weltmarktführer die mechanische Eigenschaften von menschlichen Knochen kaum realistisch nachbilden. Ziel dieses Forschungsprojektes ist es daher, populationsspezifischen Faktoren zu identifizieren, die für biomechanische Implantattests relevant sind. Diese werden dann in künstliche Knochenmodelle integriert, um wissenschaftliche Erkenntnisse für eine optimale anatomische Rekonstruktion im Sinne einer Frakturbehandlung mit Implantaten zu liefern. Zusammengefasst werden also Knochenmodelle für spezifische orthopädische Fragestellungen an die Bedürfnisse der Bevölkerung angepasst und für die Entwicklung und Validierung von Implantaten verwendet. Somit soll eine wissenschaftlich fundierte Behandlungsempfehlung für Frakturen ausgesprochen werden können.

Populationsspezifische Variabilität in der orthopädischen Biomechanik Die Behandlung schwieriger Frakturen (z. B. im Zusammenhang mit Osteoporose) ist herausfordernd und mit beunruhigend hohen Morbiditäts- oder Todesraten verbunden. Es besteht ein deutlicher Kontrast zwischen der Frakturstabilität, die durch die Implantatbehandlung im Experiment erreicht wird, und der tatsächlichen Performance bei der Versorgung von Frakturen beim Patienten. Eine Ursache für diese Abweichungen ist, dass bei experimentellen Untersuchungen populationsspezifische Merkmale wie Geschlecht, Alter und ethnische Zugehörigkeit sowie die daraus resultierenden Unterschiede der Anatomie, Geometrie, Struktur und Materialeigenschaften der menschlichen Knochen unberücksichtigt bleiben. Präklinische biomechanische Tests sind notwendig, um die mechanische Performance von frakturversorgenden Implantaten zu bewerten und innovative Designs zu entwickeln. Einer der wichtigsten Faktoren, die bei der Durchführung einer biomechanischen Implantatprüfung zu berücksichtigen sind, ist das Substrat Knochen, an dem das Implantat getestet wird. Dieses Substrat sollte die Bedingungen des lebenden menschlichen Knochens so genau wie möglich nachbilden. Während menschliche Knochen teuer, schwer zu beschaffen und möglicherweise infektiös sind, können die derzeit verfügbaren Kunststoffknochen die mechanischen Eigenschaften echter Knochen nur annäherungsweise nachbilden. In diesem Projekt wurden bevölkerungsspezifische mechanische und anatomische Merkmale verschiedener Geschlechter, Altersgruppen und Ethnien ermittelt und in künstliche Knochensurrogate integriert. Dazu gehörten anatomische Merkmale wie die Größe und Geometrie der Oberschenkelknochen sowie mechanische Parameter wie die Dichte der Spongiosa oder die Dicke der Kortikalis. Dazu wurden Polyurethane entwickelt, die mit Treibmitteln aufgeschäumt wurden, um realitätsnahe offenzellige Spongiosastrukturen zu erhalten, die weiters mit Polyurethanen-Materialien ummantelt wurden, um einen realistischen kompakten Knochen zu erzeugen - beides mit mechanischen Eigenschaften, die gegen menschliche Knochen validiert wurden. Diese validierten Polyurethan-"Rezepte" wurden zur Herstellung ganzer künstlicher Oberschenkelknochen verwendet. Mit Hilfe von Formgebungsalgorithmen wurden durchschnittliche Oberschenkelgeometrien für verschiedene Bevölkerungsgruppen erstellt - z. B. weiblich, 75-85 Jahre alt und europäischer Abstammung. Diese neuen künstlichen Oberschenkelknochen - die für verschiedene Populationen geformt und aus neuartigen Materialien hergestellt wurden - wurden im Hinblick auf ihre Biege-, Torsions- und Druckmechanik im Vergleich zu menschlichen Knochen validiert. Schließlich wurden diese neuen Kunstknochen frakturiert, mit Implantaten versorgt und in Prüfmaschinen biomechanisch getestet. Die implantierten Schrauben zeigten das gleiche Lockerungsverhalten wie im menschlichen Knochen; die Kunstknochen wiesen die gleichen Bruchlasten und Bruchmuster auf wie der menschliche Knochen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass neuartige Knochenmodelle gebaut, an die Anforderungen der menschlichen Bevölkerung angepasst und für die Implantatentwicklung und -testung validiert wurden, um in Zukunft den wissenschaftlichen Nachweis für die beste Rekonstruktion für die Frakturheilung mit Implantaten zu erbringen.