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Die Therapie langstreckiger Knochendefekte stellt auch weiterhin eine große Herausforderung dar. Dies beruht unter anderem darauf, dass der therapeutische Goldstandard - die Verwendung von autogener Knochensubstanz aus dem Beckenkamm - neben der begrenzten Verfügbarkeit vor allem Komplikationen im Bereich der Entnahmestelle mit sich bringen kann. Es wurde bisher aber noch kein durchschlagendes Ergebnis in der Entwicklung neuer Scaffolds zum Einsatz bei langstreckigen Knochendefekten erreicht. Dies kann eine Vielzahl an Ursachen haben, die sich von der verwendeten Ausgangssubstanz, bis hin zum verwendeten Design erstrecken können. Neben dem Ausgangsmaterial spielen vor
allem die Formgebung und physikalische Eigenschaften, wie Porosität und Mikroarchitektur, eine wichtige Rolle.
Ein aktueller Ansatz zur Nutzung als alternatives Knochenersatzmaterial ist das Knochen-Tissue-Engineering. Hierbei werden körpereigene, knochen-regenerative Zellen mit einem dreidimensionalen Gerüststoff (Knochenersatzmaterial oder -scaffold) kombiniert und in den Knochendefekt implantiert. In dieser Arbeit wurde der Fokus auf die Designentwicklung eines neuen Kochenersatz-Scaffolds gelegt. Nach Vorbild schon vorgestellter Knochenersatzdesigns und unter Berücksichtigung einer Grundstruktur, die auch Phasen der Knochenheilung wie die Frakturhämatomausbreitung und initiale Nährstoffversorgung einbeziehen sollte, wurden mehrere Designs (Raster, Tempel, Zwiebel) entwickelt. Mithilfe des additiv extrusionsbasierten Schmelzschichtverfahrens (Fused Filament Fabrication) wurden die in Computer-Aided Design entworfenen Scaffolds realisiert.
Dieser Ansatz beinhaltet, unter Verwendung des resorbierbaren und biokompatiblen Trägerpolymers Polylaktat, mehrstufige Designs, die kleine biologisch funktionelle Einheiten in eine tragende, kompressionsfeste Rahmenstruktur einbetten. Hierdurch entsteht einerseits die nötige mechanische Belastbarkeit und andererseits eine offene Architektur mit Poren, die Diffusion von Sauerstoff und
Nährstoffen in die inneren Bereiche des Implantats ermöglicht. Es wurden verschiedene Designs entwickelt, gedruckt und mechanisch sowie in vitro in den Kernbereichen Zelladhäsion, Zellaktivität und osteogene Differenzierung nach Besiedelung mit Saos-2-Zellen charakterisiert.
Ein weiterer Entwicklungsschritt stellte das Einführen eines neuartigen, innerhalb der Designs kompatiblen Baukastensystems dar. Hierdurch wird nicht nur die Anpassbarkeit an den Knochendefekt verbessert, es sind auch weitere Funktionen ergänzbar und die unterschiedlichen Designs untereinander kombinierbar.
Die Ergebnisse dieser Dissertationsarbeit dienen als Basis für einen völlig neuen Ansatz von Knochenersatzmaterialien mit positiven biologischen sowie biophysikalischen Eigenschaften.
In Bone Tissue Engineering (BTE), autologous bone-regenerative cells are combined with a scaffold for large bone defect treatment (LBDT). Microporous, polylactic acid (PLA) scaffolds showed good healing results in small animals. However, transfer to large animal models is not easily achieved simply by upscaling the design. Increasing diffusion distances have a negative impact on cell survival and nutrition supply, leading to cell death and ultimately implant failure. Here, a novel scaffold architecture was designed to meet all requirements for an advanced bone substitute. Biofunctional, porous subunits in a load-bearing, compression-resistant frame structure characterize this approach. An open, macro- and microporous internal architecture (100 µm–2 mm pores) optimizes conditions for oxygen and nutrient supply to the implant’s inner areas by diffusion. A prototype was 3D-printed applying Fused Filament Fabrication using PLA. After incubation with Saos-2 (Sarcoma osteogenic) cells for 14 days, cell morphology, cell distribution, cell survival (fluorescence microscopy and LDH-based cytotoxicity assay), metabolic activity (MTT test), and osteogenic gene expression were determined. The adherent cells showed colonization properties, proliferation potential, and osteogenic differentiation. The innovative design, with its porous structure, is a promising matrix for cell settlement and proliferation. The modular design allows easy upscaling and offers a solution for LBDT.
Aims: Understanding the orientation of fracture lines and mechanisms is the essential key to sufficient surgical therapy, but there is still a lack of visualization and teaching methods in traumatology and fracture theory. 3D-printed models offer easy approach to those fractures. This paper explains the use of the teaching possibility with 3-dimensional models of transitional fractures of the ankle.
Methods and results: For generating 3D printable models, already obtained CT data were used and segmented into its different tissues, especially parts concerning the fracture. After the segmentation process, the models were produced with FFF (fused filament fabrication) printing technology. The fracture models then were used for hands-on teaching courses in AO course (Arbeitsgemeinschaft für Osteosynthesefragen) of pediatric traumatology in 2020 in Frankfurt. In the course fracture anatomy with typical fracture lines, approaches, and screw placement could be shown, discussed and practiced.
Conclusion: The study shows the use of 3D-printed teaching models and helps to understand complicated fractures, in this case, transitional fractures of the ankle. The teaching method can be adapted to numerous other use cases.