Knochenheilung und Regeneration

Frakturheilung und Regeneration der Knochen erfordern stabile, aber nicht zu steife Stützstrukturen. Das CWW bietet fachkundige Unterstützen im Gebiet der Orthopädie und Unfallchirurgie.

Das CWW entwickelt und baut angepasste und belastungsgerechte Analyse-Systeme aus dem Bereich der Muskuloskeletalen Forschung und Biomechanik.

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Beispielprojekte aus dem Fachbereich Knochenheilung:

Frakturheilung am Ratten-Femur

Bohr-Zielgerät für einen Fixateur Externe am Ratten-Femur
Fixateur Externe in Situ

Beeinflussung der Frakturheilung
"Periostale Rekonstruktion unter Therapie mit autologen mesenchymalen Stammzellen im Pseudarthrosen-Modell am Ratten-Femur"
03/04
H. Baer, B. Conrad, K. Dannenberg, D. Heinze
In Zusammenarbeit mit K. Kaspar und Prof. G. Duda

(Julius Wolff Institut, CVK)

 Das Ziel des Versuchsvorhabens ist die in vivo Analyse der Effekte von lokal transplantierten autologen mesenchymalen Knochenmarks-Stamm­zellen. Nach standardisierter Osteotomie des Os femoris (Oberschenkel­knochen) und Schaffung einer atrophen Pseudarthrose-Situation (avitales Ausbleiben der knöchernen Überbrückung) soll der Heilungs­verlauf durch die Therapie beschleunigt bzw. initiiert werden. Hierbei sollen Erkenntnisse über den bisher ungeklärten Verlauf der Rekonstruk­tion des Periosts (Knochenhaut) gewonnen werden. Die Ergebnisse werden durch histologische, immun­histologische, flureszenz­mikrosko­pische, radio­logische und bio­mechanische Untersuchungen am Tiermodell der Ratte gewonnen und dokumentiert.

Bei Patienten mit verzögerter oder ausbleibender Knochenheilung könnte das Verfahren eine Ergänzung und/oder eine Alternative zum chirurgischen Vorgehen darstellen.

Es handelt sich hierbei um Untersuchungen, die sowohl der Grund­lagenforschung zur "Erkennung oder Beeinflussung physiologischer Zu­stände oder Funktionen", als auch dem Zweck der Verbesserung der "Behandlung von Krankheiten, Leiden und Körperschäden" dienen.

Um die standardisierte Osteotomie mit anschließender kontrollierter Frakturheilung in der benötigten Anzahl reproduzierbar durchführen zu können, wurde ein Bohr-Zielgerät für einen Fixateur Externe am Ratten-Femur entwickelt und gebaut.

Hiermit können, die statt Schanz-Schrauben verwendeten Kirschner-Drähte, in einem den Dimensionen des Fixateur Externe entsprechenden Abstand eingebracht werden. Zusätzlich wird das parallele und lotrechte Einbringen der Kirschner-Drähte erleichtert.

Mechanische Stimulation von Zellen und Knochenpräparaten auf einem Dentinchip

Die Einzelteile des Versuchsaufbaus mit Dentinchip
Der zusammengesetzte Versuchsaufbau

Mechanischer Testaufbau für Zellen und Knochenkulturen
"Mechanische Stimulation von Zellen und Knochenpräparaten in vitro"

F. Ott
in Zusammenarbeit mit Dr. B. Wildemann, A. Kadow-Romacker, Dipl.-Ing. J.-E. Hoffmann
(Julius Wolff Institut, CVK)

Zur mechanischen Stimulation von Zellen, sowie von murinen embryonalen Knochenpräparaten in vitro wurde ein Testaufbau entwickelt und angefertigt, der in zwei verschiedenen Versuchsansätzen Anwendung findet.

Der Versuchsaufbau basiert auf dem Prinzip der Dreipunktbiegung und ermöglicht eine definierte mechanische Stimulation von Zellen oder Geweben.

1. Anwendung: Die Zellen werden direkt auf dem Dentinchip kultiviert und erfahren über die Biegung des Chips einen mechanischen Reiz.

2. Anwendung: Die etwa 1,5 mm langen Präparate der Mittelfußknochen von Mausembryonen werden auf einem 100 µm dicken flexiblen Filter kultiviert, der auf dem Dentinchip liegt und mit dem Chip zusammen gebogen wird.
Die Versuchsdurchführung beider Versuche erfolgt in Zellkulturschalen unter Zellkulturbedingungen.

Einbetthilfe für Knochenpräparate von Kleintieren

Haltevorrichtung zum Einbetten von Knochen
Haltevorrichtung zum Einbetten mit Knochen
Rattenfemur mit Titanplatte

Haltevorrichtung für Knochen
"Haltevorrichtung zum Einbetten von Kleintierknochen für die biomechanische Testung"

H. Baer
In Zusammenarbeit Dr. B. Wildemann, Dipl.-Ing. J.-E. Hoffmann
(Julius Wolff Institut, CVK)

Für eine optimale biomechanische Testung ist die richtige Ausrichtung des zu testenden Knochens notwendig. Eine Vorrichtung, die eine Ausrichtung von Kleintierknochen ermöglicht, wurde von den MTL entwickelt und hergestellt.
Durch verschiedene Gelenke wurde eine lotgerechte Einbettung von Knochen ermöglicht.

Die nachfolgenden biomechanischen Tests finden in einer "Zwick- Materialprüfmaschine" statt.
In diesem Fall wurde die Frakturheilung an einem Rattenfemur nach 42 Tagen untersucht.

Mechanisches Prüfsystem für Gelenkknorpel

Mechanisches Prüfsystem für Gelenkknorpel
Indentation-Versuch des Gelenkknorpels einer femoralen Kondyle im Regeneratbereich (autologer osteochondraler Transfer)
Software zur Anzeige der gemessenen Kraft (rosa Linie) und des Weges (blaue Linie) mit Auswertediagramm (unten) und Ausgabe des gesuchten mechanischen Materialparameters.

Regeneration oviner osteochondraler Defekte
"Das HPMT (High-Precision Material Testing) Gerät zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Gelenkknorpel im Knie"

B. Conrad, K. Dannenberg, U. Blücher, R. Paulat

In Zusammenarbeit mit Dipl.-Ing. R. Kleemann, Cand.-Ing. A. Schill, Prof. G. Duda
(Julius Wolff Institut, CVK)

Um einen drohenden Gelenkersatz so lange wie möglich hinaus­zuzögern, gibt es zurzeit unterschiedliche Therapieansätze in der Regeneration oder Reparation eines Knorpelschadens. Vielversprechend sind z.B. autologe osteochondrale Transplantate und die Autologe-Chondrozyten-Transplantation. Trotz der vielfältigen Therapie­möglich­keiten für Knorpelschäden sind die Regenerate hinsichtlich der bio­mecha7nischen Eigenschaften dem intakten, hyalinen Knorpel deutlich unterlegen. Die Mehrzahl der Studien befasst sich dabei mit den biologischen Einflussfaktoren der Regeneratheilung. Der Einfluss des mechanischen Stimulus in der Belastungssituation des Defekts und der mechanischen Parameter des Transplantates auf den Heilungsprozess bleiben zumeist unberücksichtigt.

Die Untersuchung des Fortschrittes der Regeneratsteifigkeit im Verlauf der Heilung unterschiedlich behandelter osteochondraler Defekte erfordert ein entsprechendes Materialprüfsystem mit hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit. Das HPMT-Gerät wurde entwickelt, um die mechanischen Parameter von Gelenkknorpel und deren Regeneration zu bestimmen.


Das HPMT-Gerät kann mittels uniaxialen Belastungen und Beanspruchungen über Retardations- und Relaxationsversuche biphasische Eigenschaften weicher Gewebe, vornehmlich von Gelenkknorpel messen. Materialparameter wie Elastizitätsmodul Es, Aggregatmodul HA und Poissonzahl können ermittelt werden. Die Bestimmung dieser Größen erfolgt uniaxial über die allgemein etablierten mechanischen Testprinzipien indentation, confined compression oder unconfined compression. Dabei können wiederum zwei Versuchstypen gefahren werden; a) weggesteuert durch Verstellen einer Mikrometerschraube bei Simultanmessung der Kraft und b) kraftgesteuert durch Auflegen von Gewichten (max: 200g) bei Simultanmessung des Weges. Ein Schrittmotorantrieb für die Mikrometerschraube mit passender Steuerungssoftware erlaubt die Voreinstellung von Verfahrwegen und stellt somit eine Zunahme der Messpräzision dar. Eine eigens in C++ geschriebene Auswertesoftware ermöglicht eine schnelle Bestimmung der gesuchten Materialeigenschaften aus den Rohdaten.

Infos:

Kniearthrose: Mechanische Knorpelqualität und ICRS Score

Biomechanik und Mechanobiologie in der Regeneration osteochondraler Defekte im Kniegelenk

Die Verbeugung vor dem Knie

Grafik des Berechnungsmodells mit Muskelkräften
Darstellung des Prüfstandes
Präpariertes Kniegelenk
DruckmessfolieIn im patellofemoralen Gelenk

In vitro - Knieprüfstand

"Belastungsverteilung im patello-femoralen Gelenk"

In Zusammenarbeit mit Dipl.-Ing. C. König, Dr. P. Schöttle, Dipl.-Ing. J.-E. Hoffmann, Dr. B. Taylor, Prof. G. Duda, Dr. M. Heller (Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie, CVK)

Ein Forschungsgebiet des Centrums für Muskuloskeletale Chirurgie (CMSC) der Charité sind die muskuloskeletalen Belastungen in den unteren Extremitäten. In vorangegangenen Studien wurde ein Berechnungsmodell entwickelt und validiert, mit dem die Muskel- und Gelenkkontaktkräfte im Bein bei verschiedenen Aktivitäten bestimmt werden können [1,2].

Um die Interaktionen zwischen den verschiedenen Strukturen des Kniegelenks besser zu verstehen und chirurgische Eingriffe zu optimieren, wurde am CMSC ein mechanischer Prüfaufbau entwickelt und im CWW gebaut, mit dem die beim Laufen und Treppensteigen wirkenden Muskelkräfte aufgebracht werden können. Im Prüfstand wird das Knie befestigt und mittels Seilzügen Muskelkräfte appliziert, welche beim Laufen und Treppensteigen wirken.

Im Experiment kann so die Verteilung der Belastungen auf die verschiedenen Strukturen des Knies während Alltagsaktivitäten genauer untersucht werden.

In einer ersten Studie wurde die Belastungsverteilung im patellofemoralen Gelenk bei verschiedenen Aktivitäten gemessen. In das patellofemorale Gelenk eingebrachte Druckmessfolie dienen zur Messung der Belastungsverteilung. Die am präpariertes Kniegelenk mit an den Muskelansätzen angebrachten Extensionshülsen dienen zur Übertragung der Muskelkräfte sowie die optischen Markern zur Erfassung der Bewegung.

Kniegelenke wurden dazu in eine servo-hydraulische Prüfmaschine (Instron 8871, Instron Wolpert GmbH, Darmstadt, Germany) eingespannt und die physiologischen Muskelkräfte durch 4 unabhängig gesteuerte servo-elektrische Aktuatoren (PowerCube Drive Unit 70-100, AMTEC GmbH, Berlin) aufgebracht. Die 3D Bewegung von Tibia, Femur und Patella wurde durch ein optisches Messsystem (Vicon Peak, Oxford, UK) und die Drücke an der Kniescheibe durch eine Druckmessfolie (Tekscan, Boston, USA) gemessen.

Literatur
[1] Heller et al. (2001) Journal of Biomechanics
[2] Taylor et al. (2004) Journal of Orthopedic Research

Bewegungen im Frakturspalt

Rotationsfixatuer Innenleben
Rotationsfähiger Fixateur
Schnittzeichnung der gesamten Baugruppe des "Fixateur externe"

Fixieren und Rotieren
"Fixateur externe mit Rotationsfreiheit"



In Zusammenarbeit mit Dr. vet. med. H. Schell, Dipl.-Ing. J.-E. Hoffmann, J. Schwarzkopf, Prof. Dr. Ing., G. Duda (Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie, CVK)

Ein Fixateur externe (frz.) (dt. äußerer Festhalter) ist ein durch die Haut von außen (extern) befestigtes Haltesystem, um einen Knochenbruch ruhig zu stellen. Dabei werden sogenannte Pins auf beiden Seiten des Knochenbruches im Knochen verankert. Diese Pins werden nach erfolgtem Einrichten des Knochenbruches, mit Stangen fest verbunden.

Im Rahmen von Forschungsarbeiten [1,2] der Klinik für Unfall- und Wiederherstellungschirurgie wurde ein spezieller Fixateur für Schafe

entwickelt und angefertigt, der eine definierte Bewegung im Frakturspalt zulässt, um einen Vergleich mit den Bewegungen, die durch einen Marknagel (UTN®) hervorgerufen werden, zu ermöglichen. Dabei wird eine stabile Verbindung der Pinverankerungsplatten in 5 Freiheitsgraden gewährleistet, in der Längsachse des Fixateurs wird jedoch eine definierte Rotation ermöglicht.

Abb.1 zeigt die Achse und die Platten, die mit je 6 Schrauben die Pins beiderseits der Fraktur kraftschlüssig fixieren. Das Gehäuse rechts enthält zwei Rollenlager, welche die Rotation um die Achse ermöglichen. Begrenzt wird die Drehbewegung durch Bauteile unmittelbar hinter der Deckelplatte, wie im Titelbild zu sehen ist.

Die Hauptanforderung dieses Projektes bestehen darin, dass der Fixateur einerseits in den zu fixierende Freiheitsgraden und an den Grenzen der erwünschten Rotation in der Lage sein muss, mechanisch stabil hohe Kräfte aufzunehmen. Andererseits sollte die erlaubte Rotation kräftefrei erfolgen können. Die Vorrichtung soll natürlich auch so klein und so leichtwie möglich sein.

Paarige Rollenlager finden hier ihre bestimmungsgemäße Anwendung, da sie die erforderliche Steifigkeit garantieren. Die Achse für die Rotationist aus einer rost- und säurebeständigen Stahllegierung angefertigt. ZurReduzierung des Gewichtes ist sie hohlgebohrt.

Die Forderungen Sterilisierbarkeit und Funktionssicherheit unter Tierversuchsbedingungen mussten bei der Konstruktion berücksichtigt und erfüllt werden.

Hohlräume im Gehäuse, welches die Rotationsbegrenzung aufnimmt,können dazu benutzt werden, mittels eingebauter Dehnmessstreifen die Verformung computergestützt aufzuzeichnen.

Literatur

[1] Schell H, Epari DR, Kassi JP, Bragulla H, Bail HJ, Duda GN, The course of bone healing is influenced by the initial shear fixation stability. J Orthop Res, 2005 23(5):1022-1028

[2] Epari DR, Schell H, Bail HJ, Duda GN, Instability prolongs the chondral phase during bone healing in sheep. Bone. 2006 38(6):864-870.

Die standardisierte Fraktur

Fraktur Gerät
Simulation einer standardisierten Fraktur mit unterschiedlichem Auflageabstand
Röntgenkontrollen der Fraktur

Frakturheilung in der Maus

"Knochenheilung bei Neurofibromatose 1"

in Zusammenarbeit mit Dr. D. Toben, J.-E. Hoffmann, Prof. Dr. G. Duda, Julius Wolff Institut, AG Biologie der Knochenheilung, CharitéCentrum 09 für Unfall- und Wiederherstellungschirurgie, CVK

Die Mechanismen der Frakturheilung als komplexe physiologische Regenerationsvorgänge sind Gegenstand intensiver Forschung. Hauptziel ist dabei, die Heilung zu verbessern bzw. zu beschleunigen.

Zur Untersuchung der Frakturheilung im Tiermodell ist eine standardisierte Fraktur erforderlich. Die konstruierte Frakturmaschine dient dem Setzen einer Fraktur in langen Knochen von Kleintieren, insbesondere der Maus.

Der Vorteil der Maus als Modelltier ist, dass die Manipulation des Genoms etabliert ist und viele genetisch modifizierte Organismen bereits existieren. Knockout Tiere bieten die Möglichkeit einzelne Gene gezielt in Bezug auf ihre Funktion hin zu analysieren. Unterschiede im Frakturheilungsprozess im Wildtyp sowie in genetischen Varianten können charakterisiert werden, wobei ein breites Methodenspektrum zur Verfügung steht.

Neurofibromatosen sind Erbkrankheiten, die vor allem die Haut und das Nervensystem betreffen, sie werden als Phakomatosen bezeichnet. Bei Neurofibromatose 1 (Morbus von Recklinghausen)  treten neben neuro-kutanen auch  unfallchirurgisch/orthopädische Symptome wie Pseudo-arthrosen und Knochendysplasien auf. Mit einer Inzidenz von 1 : 3000 ist sie die häufigste Phakomatose. Im vorliegenden Projekt soll die Frakturheilung im Neurofibromatose-Modell charakterisiert werden.

Der Knochen wird zunächst mit einem intramedullären Marknagel stabilisiert. Darauf wird der entsprechende Hinterlauf des narkotisierten Tieres anatomisch korrekt auf der Maschine positioniert. Mit einer Drehmechanik wird der Biegemeissel abgesenkt, es resultiert eine standardisierte 3-Punkt Biegefraktur.

Publikationen

[1] Lienau, J.; Schell, H.; Epari, D. R.; Schutze, N.; Jakob, F.; Duda, G. N.; and Bail, H. J.
CYR61 (CCN1) protein expression during fracture healing in an ovine tibial model and its relation to the mechanical fixation stability.
J Orthop Res, 24(2): 254-62, 2006

[2] Stevenson, D. A.; Zhou, H.; Ashrafi, S.; Messiaen, L. M.; Carey, J. C.; D'Astous, J. L.; Santora, S. D.; and Viskochil, D. H.
Double inactivation of NF1 in tibial pseudarthrosis.
Am J Hum Genet, 79(1): 143-8, 2006

Laserausrichtung

Ausrichtung mit Linienlaser
Linien-Laser-Block zum Erzeugen von definierten horizentalen und vertikalen Linien
Vertikale Ausrichtung von Probekörpern mit Hilfe der Projektion von zwei Laserlinien
Punktgenaue Ausrichtung von Probekörpern mit Hilfe der Linien-Lasereinrichtung mit horizontaler und vertikaler Bezugslinie

Lasershow für die richtige Richtung

"Ausrichtung der Prüfkörper vor dem Einbetten"

in Zusammenarbeit mit J.-E. Hoffmann, Prof. Dr. G. Duda, Julius Wolff Institut, AG Biologie der Knochenheilung, CharitéCentrum 09 für Unfall- und Wiederherstellungschirurgie, CVK

Bei den unterschiedlichsten biomechanischen Testungen ist die richtige Ausrichtung des zu testenden Prüfkörpers  notwendig und von elementarer Bedeutung. Dabei ist es oft schwierig, eindeutige Bezugspunkte zu definieren, zu erkennen und dem Probekörper zuzuordnen.

Die im CWW gebauten Linienlaserblöcke sollen dabei helfen.

 

 

Einbettvorrichtung für Testknochen

Einbettvorrichtung
Positioniervorrichtung zur Einbettung von "kleinen Knochen"
Einseitig eingebetteter Rattenfemur
Beidseitig eingebetteter Rattenfemur in einer "BioDynamic TestBench" der Fa. BOSE zur dynamischen Torsionsprüfung

Knochen in richtiger Position

"Kleine Knochen im Test"

in Zusammenarbeit mit Dr. D. Toben, J.-E. Hoffmann, Prof. Dr. G. Duda, Julius Wolff Institut, AG Biologie der Knochenheilung, CharitéCentrum 09 für Unfall- und Wiederherstellungschirurgie, CVK

Für eine optimale biomechanische Testung ist die richtige Ausrichtung des zu testenden Knochens notwendig. Eine Vorrichtung, die eine Ausrichtung von Kleintierknochen ermöglicht, wurde von den MTL entwickelt und hergestellt.

Durch verschiedene Gelenke wurde eine lotgerechte Einbettung von Knochen ermöglicht.

Die nachfolgenden biomechanischen Tests finden in einer "BioDynamic TestBench" der Fa. BOSE statt.

Ansprechpartner

Christian Katins

Feinmechanische Werkstatt / CNC-Fertigung

Alexander Schill

Arbeitsvorbereitung / Konstruktion

schill a