FORTEPRO

BAYERISCHER FORSCHUNGSVERBUND FüR TISSUE ENGINEERING UND RAPID PROTOTYPING

Revitalisierung von Hochdruck-behandeltem Knochen

Arbeitsfeld:

Nach EDV-optimierter Resektion eines tumorbefallenen Knochenareals soll durch Hochdruck-Behandlung Knochensegment hergestellt werden, welches tumor- und infektionsfrei über Revitalisierung mittels Tissue-Engineering als effizienter Knochenersatz reimplantiert werden kann. Wesentliche Schwerpunkte: Optimierung der Hochdruck-Technik für die spezifischen Anforderungen zur sicheren Behandlung von Knochensegmenten. Verbesserung der Bedienungssicherheit mit Ausrichtung auf die angestrebte Anwendung in der Medizin. Verbesserung der Dichtungstechnik, um eine hohe Sicherheitsstufe bezüglich konstanter und reproduzierbarer Druckleistung zur Bearbeitung des Knochen-Derivates. Dafür sind verschiedene Konzepte der Dichtungstechnik systematisch in einer spezielle konstruierten Versuchs-Hochdruckanlage über Druckaufnehmer bei verschiedenen Druck-Aufbau-, -Plateau- und -Abbauzeiten zu prüfen. In einer weiteren Arbeitsstufe sind - nach weiterführender Prüfung der Änderung von Zellfunktionen in Knochensegmenten und der Bedienungssicherheit aus mikrobiologischer Sicht - entsprechende abgestufte und einfach zu handhabende Software-Pakete zu entwickeln. Aus mikrobiologischer Sicht ist der Desinfektions- bzw. Sterilisationseffekt durch das Hochdruckverfahren über Standardproben zu ermitteln. Zudem ist die Sicherheit der für die Medizinanwendung entwickelten Verpackungstechnik zu prüfen. Erweiterte Überprüfung des Einflusses des Hochdruckverfahrens auf Zellen und Interzellularsubstanz durch Techniken der Proteinanalyse, insbesondere der Enzymanalyse (Aktivität und ELISA), der 2D-Gelelektrophorese und der Massenspektrometrie (MALDI, SELDI), zur Beurteilung eventueller Veränderungen bestimmter Knochen-, Knorpel- und Bindegewebe-Proteine (s. unten) durch die Verbundpartner bereitgestellt. Strukturelle Veränderungen bestimmter, für die Knochen-Revitalisierung wichtiger Proteine sollen in der Folge durch 3D-NMR bzw. Röntgenstrukturanalyse untermauert werden. Dabei soll geprüft werden, ob bestimmte, in der Hochdruckbehandlung ausgesetzte Proteine des Knochens, Knorpels oder des Bindegewebes sich so durch diese Behandlung verändern, daß sie Anlaß zur Bildung von Antikörpern im Patienten gegen diese Neoantigene geben. Die Änderung der biomechanischen Eigenschaften (E-Modul, Dehnung bei Fmax, Biege-Bruchlast) komplexerer Knochensegmente durch die Hochdrucktechnik ist an einem Prüfmodell (Femursegment) im Biege- und Torsionsversuch zu ermitteln. In weiteren Arbeitschritten ist die Berechnung der biomechanisch optimierten Resektionsebene erforderlich. Durch Finite-Elemente-Berechnungen ist die Stabilität eines möglichen Resektates unter Berücksichtigung der Tumor-Grenzen und ggf. eines notwendigen Sicherheitsabstandes zu ermitteln. Die computer-gesteuerte, exakte Resektion des geplanten Knochensegmentes ist durch die adaptierte Laser-Technik (vgl. Teilprojekt R1) anzustreben, um die Präzision der Resektionsebene, eine Minimierung der Gewebeschäden und eine gute Verfügbarkeit einer Schnitt-Technik auch an sehr schlecht zugänglichen Arealen (z. B. im Becken) zu erreichen. Zudem ist die Vorbereitung des Hochdruck-behandelten Knochens als Substrat für die Besiedelung mit Osteoblasten bzw. deren Vorläuferzellen zu bearbeiten. In einer späteren Antragsphase (II) ist dann die eigentliche Revitalisierung durch Knochenzellen und bei größeren Restdefekten eines tumor-befallenen Knochens mittels eines per Rapid Prototyping hergestellten Knochenersatzmaterials umzusetzen.