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Elias Andreas Thomas Koch

• Der menschliche Knochen besitzt, als Folge einer Verletzung oder eines chirurgischen Eingriffs, eine große Fähigkeit zur Reparatur und Regeneration. Die Knochenheilung beinhaltet ein komplexes Zusammenspiel von Zellen, Wachstumsfaktoren, Zytokinen sowie der extrazellulären Matrix (Hoerth et al. 2014). Nichtsdestotrotz führt ein Knochenbruch zu einer dramatischen Veränderung der mechanischen Belastbarkeit an der Verletzungsstelle. Der Abstand zwischen den beiden Frakturenden bildet einen entscheidenden Faktor in der Knochenheilung. Hier wird zwischen der primären, der osteonalen Knochenheilung und der sekundären, der kallusformierenden Knochenheilung unterschieden. Umso größer der Frakturspalt ist, desto größer wird die Instabilität, die Heilungsverzögerung und damit auch die Gefahr einer Pseudoarthrose (Hoerth et al., 2014; Marsell et Einhorn, 2011). Große diaphysale Defekte werden meistens durch Traumata, Infektionen oder Tumore bedingt. Sie werden als critical size defects (CSD) bezeichnet, wenn eine chirurgische Intervention zur Heilung notwendig ist (Rosset et al., 2014). Langstreckige Knochendefekte stellen immer noch eine sehr große Herausforderung in der rekonstruktiven Chirurgie dar. Deswegen ist die Untersuchung und Weiterentwicklung von implantierbaren biomedizinischen Materialien bei der Behandlung von CSD eine wichtige Aufgabe. Im Augenblick ist die häufigste Behandlungsmethode großer diaphysaler Defekte die Autologe Spongiosaplastik (ASP) und wird als Goldstandart der Therapie bezeichnet. Jedoch stehen die autologen Knochenmaterialien nur begrenzt zur Verfügung und verursachen viele Entnahmemorbiditäten. Darüber hinaus gibt es allogene, xenogene und synthetische Knochentransplantate. Dennoch ist noch keine der Therapiemöglichkeiten so ausgereift, dass die ASP dadurch ersetzt werden könnte. Die allogenen und xenogenen Materialien sind von der Menge unbegrenzt, besitzen aber eine niedrigere Biokompatibilität, höhere Infektionsgefahr und schlechtere Ergebnisse in der Langzeitwirkung (Wang et al., 2014). Ein weiterer Nachteil gegenüber der ASP besteht darin, dass die synthetischen Knochenersatzmaterialien keine osteoinduktiven und osteogenen Eingenschaften besitzen. Eine Möglichkeit diese Qualitäten zu erhalten ist, sie mit Zellsuspensionen, wie z.B. bone marrow mononuclear cells (BMC), zu kombinieren und somit zu versuchen ein ausgereiftes Therapiekonzept zu entwickeln. Zugleich beschreibt Masquelet et al. (2000) eine neue Technik, ein zweistufiges Verfahren zur Rekonstruktion von Knochendefekten. Es wird eine biologisch aktive Membran induziert, welche verschiedene Wachstumsfaktoren (wie z.B. VEGF, TGF beta1, BMP-2) sezerniert, die osteoinduktiv wirksam sind. Mit diesem operativen Verfahren wurden bereits gute klinische Ergebnisse bei Knochendefekten nach Tumorresektionen und Traumata erzielt. Das Ziel dieser Studie ist es einen anorganischen Knochenersatzstoff von Heraeus Herafill unter Verwendung der induzierten Membrantechnik nach Masquelet am Rattenfemur zu testen. Die Forschung erfolgt dabei unter der Hypothese, dass die Korngröße des Knochenersatzmaterials Herafill in Kombination mit BMC-Besiedelung Einfluss auf die Heilung eines kritischen Knochendefekts hat.
• Human bone has a great ability to repair and regenerate following injuries or surgeries. Bone healing involves a complex interaction of cells, growth factors, cytokines and the extracellular matrix (Hoerth et al., 2014). Nonetheless, bone fracture dramatically changes the mechanical stability of the bone. The distance between the two fracture ends plays a crucial role in bone healing. Here a distinction is made between the primary, the osteonal bone healing and the secondary, the callus-forming bone healing. The larger the fracture gap, the greater is the instability, the healing delay and thus the danger of a pseudarthrosis (Hoerth et al., 2014, Marsell et Einhorn, 2011). Large diaphyseal defects are usually caused by trauma, infection or tumor. They are referred to as a critical size defect (CSD) when surgical intervention is needed to induce the healing process (Rosset et al., 2014). Long bone defects still represent a major challenge in reconstructive surgery. Therefore research and development of implantable biomedical materials is an important task in the treatment of CSD. Currently the most common treatment for large diaphyseal defects is Autologous Spongiosaplasty (ASP) and it is the gold standard of therapy. However, the autologous bone materials are limited and cause many comorbidities. In addition there are allogeneic, xenogeneic and synthetic bone grafts. Nevertheless, none of the treatment options is so advanced that the ASP could be replaced. The allogeneic and xenogenic materials are unlimited in quantity, but have lower biocompatibility, higher risk of infection, and worse long-term efficacy results (Wang et al., 2014). Another disadvantage over the ASP is that the synthetic bone replacement materials have no osteoinductive and osteogenic properties. One way to obtain all the required qualities is to combine them with cell suspensions, such as bone marrow mononuclear cells (BMC) and thus try to develop a mature therapy concept. Moreover Masquelet et al. (2000) describes a new technique, a two-step procedure for the reconstruction of large bone defects. Through this technique a biologically active membrane is induced and secretes various growth factors (such as VEGF, TGF beta1, BMP-2), which have osteoinductive effects. This surgical procedure has already produced good clinical results in bone defects after tumor resection and trauma. The aim of this study is to test an anorganic bone substitute from Heraeus Herafill using the induced Masquelet membrane technique on rat femur. The research is based on the hypothesis that the granules size of the bone substitute material Herafill in combination with BMC colonization has an influence on the healing of a critical bone defect.