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The present study aimed to assess the tissue response to the SYMBIOS® resorbable collagen membrane SR, which is derived from bovine Achilles tendon, and compare it to the physiological wound healing of a sham operation as a control.
An ex vivo analysis was performed using injectable platelet-rich fibrin (i-PRF), that is gained by the centrifugation of human venous blood and contains fibrin, leukocytes and platelets, to elucidate the membrane permeability and interactions with human cells and plasma proteins. In the in vivo study, a subcutaneous implantation model was established in Wistar rats to evaluate the cellular reactions for up to 30 days after membrane implantation. Histochemical, immunohistochemical and histomorphometric analyses were performed to assess the cellular inflammatory response, vascularization pattern and cell infiltration capacity.
In the ex vivo study, i-PRF components including fibrin, leukocytes and platelets penetrated the membrane after just 15 minutes. Within the observation period, the cellular reaction in the early phase, which included the first 3 days, produced only mononuclear cells. From 10 to 30 days , the formation of multinucleated giant cells (MNGCs) was induced by the collagen membrane. CD-68 positive cells (macrophages) occurred in a high number on day 3, and the number decreased over time up to day 30. Along with the reduction in the number of CD-68 positive cells, the number of MNGCs increased significantly. The presence of MNGCs was accompanied by significantly increased vascularization within the central region of the membrane, and only mononuclear cells (MNCs) did not produce vascularization. In contrast, the accumulated MNGCs were located on the membrane surface. The control group reflected the physiological process of wound healing, as MNGCs did not form over the 30 day period, and a significantly lower level of vascularization was observed compared with the test group.
This finding showed dynamic changes in the cellular reaction, which indicated a relationship between macrophage fusion and MNGC formation, and vascularization of the collagen membrane is circumstantial evidence of a reaction to a foreign body. However, the collagen membrane was able to maintain its structure and integrity over time, showing no signs of premature breakdown and disintegration due to the specific porosity of its membrane structure.
Therefore, we questioned whether the biomaterial-induced formation of MNGCs should be accepted as a biomaterial-induced cellular reaction that is able to restore vascularization or as an adverse reaction. Therefore, extensive preclinical and clinical studies are needed to investigate the type of MNGCs that form in response to the membrane material studied here.
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit dem Umstieg von papierbasiertem (PBA) auf computerbasiertes Assessment (CBA), insbesondere in Large-Scale-Studien. In der Bildungsforschung war Papier lange Zeit das Medium für Assessments, im Zuge des digitalen Zeitalters erhält der Computer aber auch hier Einzug. So sind die großen Bildungsvergleichsstudien, wie PISA (Programme for International Student Assessment) oder PIAAC (Programme for the International Assessment of Adult Competencies), und nationalen Studien über Bildungsverläufe und -entwicklungen im Rahmen des NEPS (Nationales Bildungspanel) bereits umgestiegen oder befinden sich im Prozesses des Umstiegs von PBA auf CBA. Findet innerhalb dieser Studien ein Moduswechsel statt, dann muss die Vergleichbarkeit zwischen den Ergebnissen der unterschiedlichen Administrationsmodi gewährleistet werden. Unterschiede in den Eigenschaften der Modi, wie beispielsweise im Antwortformat, können sich dabei auf die psychometrischen Eigenschaften der Tests auswirken und zu sogenannten Modus Effekten führen. Diese Effekte wiederum können sich in Unterschieden zwischen den Testscores widerspiegeln, sodass diese nicht mehr direkt miteinander vergleichbar sind. Die zentrale Frage dabei ist, ob es durch den Moduswechsel zu einer Veränderung des gemessenen Konstruktes kommt. Ist dies der Fall, so können Testergebnisse aus unterschiedlichen Administrationsmodi nicht miteinander verglichen und die Ergebnisse aus dem computerbasierten Test nicht analog zu den Ergebnissen aus dem papierbasierten Test interpretiert werden. Auch Veränderungen, die aus Messungen zu verschiedenen Zeitpunkten und mit unterschiedlichen Modi resultieren, lassen sich dann nicht mehr beschreiben. Es kann jedoch auch Modus Effekte geben, die zwar nicht das gemessene Konstrukt betreffen, aber sich beispielsweise in der Schwierigkeit der Items niederschlagen. Solange aber das erfasste Konstrukt bei einem Moduswechsel unverändert bleibt, können diese Modus Effekte bei der Berechnung der Testscores berücksichtigt und die Vergleichbarkeit gewährleistet werden. Somit ist, nicht nur im Hinblick auf gültige Trendschätzungen, der Analyse von Modus-Effekten ein hoher Stellenwert beizumessen. Da die bisherige Befundlage in der Literatur zu Modus-Effekten sowohl hinsichtlich der Stärke der gefundenen Effekte, als auch in Bezug auf die verwendeten Methoden sehr heterogen ist, ist das Ziel des ersten Beitrags dieser publikationsbasierten Dissertation, eine Anleitung für eine systematische Durchführung einer Äquivalenzuntersuchung, speziell für Large-Scale Assessments, zu geben. Dabei wird die exemplarisch dargelegte Modus-Effekt-Analyse anhand von zuvor definierten und in ihrer Bedeutsamkeit belegten Kriterien auf der Test- und Item-Ebene illustriert. Zudem wird die Möglichkeit beschrieben, auftretende Effekte anhand von Eigenschaften des Administrationsmodus’, beispielsweise des Antwortformats oder der Navigationsmöglichkeiten innerhalb des Tests, zu erklären. Im zweiten und dritten Beitrag findet sich jeweils eine empirische Anwendung der im ersten Beitrag beschriebenen schematischen Modus-Effekt-Analyse mit unterschiedlicher Schwerpunktsetzung. Dazu wurden die Daten eines Leseverständnistests aus der Nationalen Begleitforschung von PISA 2012 sowie zweier Leseverständnistests im NEPS, die jeweils sowohl papier- als auch computerbasiert administriert wurden, analysiert. Das Kriterium der Konstrukt-Äquivalenz steht dabei als wichtigstes Äquivalenz-Kriterium im Fokus. Zusätzlich wurde Äquivalenz in Bezug auf die Reliabilität und die Item-Parameter (Schwierigkeit und Diskrimination) untersucht. Im zweiten Beitrag wurden darüber hinaus interindividuelle Unterschiede im Modus-Effekt in Bezug zu basalen Computerfähigkeiten und zum Geschlecht gesetzt. Der dritte Beitrag fokussiert die Item-Eigenschaften, die als mögliche Quellen von Modus-Effekten herangezogen werden können und bezieht diese zur Erklärung von Modusunterschieden in die Analyse mit ein. In beiden Studien wurde keine Evidenz gefunden, dass sich das Konstrukt bei einem Wechsel des Administrationsmodus ändert. Lediglich einzelne Items wiesen am Computer im Vergleich zum PBA eine erhöhte Schwierigkeit auf, wobei sich der größte Teil der Items als invariant zwischen den Modi erwies. Für zwei Item-Eigenschaften wurde ein Effekt auf die erhöhte Schwierigkeit der Items am Computer gefunden. Interindividuelle Unterschiede im Modus-Effekt konnten nicht durch basale Computerfähigkeiten oder das Geschlecht erklärt werden.
Diese Dissertation leistet einen wesentlichen Beitrag zur Systematisierung von Äquivalenzuntersuchungen, insbesondere solchen in Large-Scale Assessments, indem sie die wesentlichen Kriterien für die Beurteilung von Äquivalenz herausstellt und diskutiert sowie deren Analyse methodisch aufbereitet. Die Relevanz von Modus-Effekt Studien wird dabei nicht zuletzt durch die Ergebnisse der beiden empirischen Beiträge hervorgehoben. Schließlich wird der Bedeutung des Einbezugs von Item-Eigenschaften hinsichtlich der Beurteilung der Äquivalenz Ausdruck verliehen.
Die in den letzten Jahrzehnten erfolgten Entwicklungen im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) haben beinahe alle Teilbereiche der Gesellschaft erreicht (OECD, 2000) und so können Alltag, Beruf, aber auch soziale Interaktionen benannt werden (Autor, Levy, & Murnane, 2003). Das technologiebasierte Problemlösen stellt ein relevantes Kompetenzkonstrukt dar, wobei die empirische Validierung der Testwertinterpretation noch aussteht. „Technologiebasiertes Problemlösen ist die Kompetenz, digitale Technologien, Kommunikationshilfen und Netzwerke erfolgreich für die Suche, Vermittlung und Interpretation von Informationen zu nutzen.“(OECD, 2009; zitiert nach Rammstedt, 2013). Ziel einer Konstruktvalidierung ist es theoretische Annahmen – sowie nomologische Netze – mit empirischen Belegen zu prüfen und somit Aussagen über die Gültigkeit der Testwertinterpretationen treffen zu können (vgl. Messick, 1995). Zu diesem Zweck wurden die folgenden fünf Leithypothesen aufgestellt:
1. Im technologiebasierten Problemlösen können Teilsequenzen durch Routinen im Umgang mit IKT bewältigt werden.
Mit dem Ziel der Analyse von Lösungsprozessen wurden Prozessdaten aus dem Feldtest der PIAAC-Studie genutzt und automatisierbare Teilschritte (beispielsweise Schließen eines Popups) analysiert. Eine schnelle Bearbeitung dieser Teilschritte wurde auch mit einer höheren Lösungswahrscheinlichkeit des Problems assoziiert. Die Testwerte des technologiebasierten Problemlösens spiegeln die bildungsbiographischen Lernerfolge wider, die zu einem routinierten Umgang mit IKT führen.
2. Durch die Entstehungsgeschichte von IKT begründet, bestehen Differenzen im technologiebasierten Problemlösen.
Entstehung moderner IKT legt eine Differenzierung von drei Kohorten nahe (orientiert an lernintensiven Phasen der Kindheit und Jugend):
- Erlebten die Entstehung und Verbreitung von Hardware (geboren 1946-1966)
- Begleiteten die Verbreitung von Computersoftware und dessen Nutzung (geboren 1966-1981)
- Nutzung und Gestaltung digitaler Inhalte des Internets (geboren 1981-1995)
Erwartungsgemäß unterscheiden sich die Kohorten im technologiebasierten Problemlösen – genauer in der Nutzung von Routinen im Lösungsprozess und im erreichten Kompetenzniveau. Ältere Kohorten benötigten im Mittel mehr Zeit für Teilschritte, die durch Routinen bearbeitet werden können und sie erreichten im Mittel niedrigere Kompetenzniveaus. Obwohl Lesekompetenzen eine wesentliche Bedeutung im technologiebasierten Lösen von Problemen haben, können sie die Kohortenunterschiede nicht umfassend aufklären. Weil ältere Personenkohorten während ihrer formellen Ausbildungsphasen IKT – wie sie heute verwendet werden – nicht nutzen konnten, haben informelle Lerngelegenheiten eine wesentliche Bedeutung. So profitieren ältere Personen von einem regelmäßigen, beruflichen oder privaten Umgang mit diesen Technologien. Die Testwerte des technologiebasierten Problemlösens spiegeln entstehungsgeschichtlich begründete Kohortenunterschiede wider, welche durch lebenslange, formelle und informelle Lerngelegenheiten minimiert werden können.
3. Der Umgang mit IKT ist – begründet durch deren Entstehungsgeschichte – eher weniger Teil der formellen und schulischen Bildung.
Technologiebasiertes Problemlösen wird weniger in formellen und schulischen Lerngelegenheiten erworben, als andere Kompetenzen wie beispielsweise mathematische und Lesekompetenzen. Folglich wurden für das technologiebasierte Problemlösen kleinere Differenzen zwischen hohen, mittleren oder niedrigen Bildungsabschlüssen erwartet und konnten empirisch anhand der PIAAC-Daten belegt werden. Vorteile von Personen mit einem hohen Bildungsabschluss konnten durch höhere Lesekompetenzen erklärt werden. Die Testwerte des technologiebasierten Problemlösens bilden entstehungsgeschichtlich begründete Unabhängigkeiten des Kompetenzkonstruktes ab, das zumeist nicht schulisch erworben wurde.
4. Technologiebasiertes Problemlösen ist ein eigenständiges Kompetenzkonstrukt, das Parallelen zu mathematischen und Lesekompetenzen aufweist.
Mathematische und Lesekompetenzen stehen in einem Zusammenhang mit dem Umgang mit IKT und somit auch mit dem technologiebasierten Problemlösen. Die Leseanteile am technologiebasierten Problemlösen werden als größer eingeschätzt, als die der mathematischen Kompetenz und stärkere Effekte durch Lesekompetenz konnten empirisch
nachgewiesen werden. Die Annahme der Eigenständigkeit des technologiebasierten Problemlösens wird im Weiteren dadurch gestützt, dass der alltägliche Umgang mit mathematischen und Leseinhalten weniger stark mit ihm assoziiert ist, als der Umgang mit IKT. Nomologische Netze zwischen technologiebasiertem Problemlösen und mathematischen sowie Lesekompetenzen konnten empirisch gestützt werden und die Annahme der Eigenständigkeit des Kompetenzkonstruktes bestärkt.
5. Die Nutzung von IKT – als Lerngelegenheit verstanden – und andere Lerngelegenheiten sowie Indikatoren erfolgreichen Lernens können zum technologiebasierten Problemlösen beitragen.
Lebenslanges Lernen ist ein Teil der menschlichen Natur und in diesem Rahmen dienen verschiedenste formelle und informelle Lerngelegenheiten dem Erwerb von Wissen und Kompetenzen (Dohmen, 2001). So erreichen Personen im technologiebasierten Problemlösen ein höheres Kompetenzniveau, wenn sie regelmäßig privaten oder beruflichen Umgang mit IKT hatten. Neben diesen informellen Lerngelegenheiten steht auch die Teilnahme an Weiterbildungen in einem positiven Zusammenhang mit der technologiebasierten Bewältigung von Problemen. Des Weiteren hat eine positive Einstellung gegenüber dem Lernen neuer Inhalte einen Einfluss auf die technologiebasierte Problemlösekompetenz. Die Testwerte des technologiebasierten Problemlösens spiegeln die Lernerfolge durch das lebenslange Lernen wider, die durch verschiedene bildungsbiographische Merkmale – insbesondere formelle und informelle Lerngelegenheiten – befördert werden.
Das technologiebasierte Problemlösen in der Operationalisierung der PIAAC-Studie lässt eine konstruktrepräsentative Testwertinterpretation zu und ermöglicht somit eine differenzierte Beschreibung von Kompetenzen im Umgang mit IKT.
Größere Knochendefekte, Pseudarthrosen oder verzögerte Frakturheilungen erfordern
die Transplantation von autologer Spongiosa mit dem Nachteil schmerzhafter
Entnahmedefekte. Die biologische Wertigkeit alternativer und osteokonduktiv
wirkender Knochenersatzmaterialien sollte in der vorgelegten Arbeit in vitro beurteilt
werden. Hierbei sollten Adhäsion und Funktion mesenchymaler Stammzellen (MSC)
und endothelialer Progenitorzellen (EPC) alleine und in Co-Kultur untersucht werden.
Während die MSCs auf Scaffolds die Knochenneubildung fördern können, wird
angenommen, dass die zusätzliche Verwendung von EPCs die Gefäßeinsprossung
zusätzlich fördert. Zur Anwendung kamen Tutoplast® als humaner Knochenersatz,
Cerabone® als boviner Knochenersatz, drei verschiedene Tricalciumphophate (ß-TCP:
Chronos® und Vitoss®; -TCP BioBase®) und ein mit Silikon-beschichtetes
Hydroxylapatit (Actifuse®). Hierzu wurde die Zahl der adhärenten Zellen auf den
verschiedenen Matrices fluoreszenzmikroskopisch ermittelt. Außerdem wurde die
metabolische Aktivität der Zellen auf den Knochenersatzstoffen mit dem MTT-Test
untersucht sowie mittels RT-PCR nachgewiesen, ob sich die Zellen weiter
differenzieren und ihre Fähigkeit beibehalten. Darüberhinaus wurden die einzelnen
Knochenersatzstoffe in der Zusammenschau mit den adhärenten Zellen
elektronenmikroskopisch bewertet.
Grundsätzlich konnten erhebliche Unterschiede sowohl zwischen den einzelnen
Knochenersatzstoffen als auch zwischen den untersuchten Zellpopulationen
festgestellt werden. Bei alleiniger Besiedlung mit MSCs ist festgestellt worden, dass
Tutoplast® die höchsten Adhäsionsraten, gekoppelt mit einer guten
Stoffwechselaktivität im MTT-Test und bei der Expression der osteogenen Proteine
cbfa-1 und Osteocalcin aufweist. Diese Ergebnisse wurden durch die REM bestätigt, die
eine fibrillenähnliche Struktur von Tutoplast® zeigt und somit eine fast flächige
Adhäsion ermöglicht. Chronos® zeigt als einziges Knochenersatzmaterial ebenfalls eine
gute Adhäsion, Funktion und Morphologie, während die anderen Tricalciumphophate,
Actifuse® und Cerabone® deutlich abfielen.
Interessanterweise findet sich bei der reinen EPC-Gruppe ein ganz anderes Ergebnis.
Hier zeigt Actifuse® eine sehr gute Zelladhäsion, gefolgt von Biobase®. Dies bestätigt
sich auch im MTT-Test und bei der mRNA-Expression endothelialer Proteine, wie dem
von Willebrandt Faktor und VEGF. Die Ergebnisse der Co-Kultur zeigen hingegen
wiederum Tutoplast® und Chronos® mit guten Ergebnissen, interessanterweise aber
auch Actifuse® und Biobase® mit deutlicher Überlegenheit gegenüber den allseits
schlecht abschneidenden Produkten Cerabone® und Vitoss®. Während Tutoplast® und
Chronos® in der Co-Kultur höhere Anteile an MSCs aufwiesen, konnte bei Actifuse®
und Biobase® ein relativ hoher Anteil an EPCs festgestellt werden. Alleine bei Chronos®
konnte ein synergistischer Effekt der Co-Kultur in Bezug auf die adhärenten Zellzahl
festgestellt werden, die gegenüber der Einzelkultur über die Zeit stabil blieb. In der
Summe sind die Zelladhäsionen, -funktionen und Genexpressionen bei den vier
wirksamen Knochenersatzmaterialien in dieser Gruppe statistisch nicht
unterschiedlich.
Die Ergebnisse zeigen, dass bei der Verwendung von osteokonduktiven
Knochenersatzmaterialien deren spezifische Auswirkungen auf die Zelladhäsion und
Funktion berücksichtigt werden muss. Sowohl die Funktion der EPCs im Hinblick auf
eine vaskulären Anschluss des neugebildeten Knochens wie auch der MSCs im Hinblick
auf eine osteogene Differenzierung sollten optimal sein. Die in dieser Studie
festgestellten Effekte konnten bereits in einer in vivo Studie an einem critical size
Femurdefektmodell bestätigt werden, indem die kombinierte Anwendung von EPCs
und MSCs auf Chronos® die beste Frakturheilung zeigte.
Abschließend kann festgehalten werden, dass man bei der Verwendung des richtigen
Scaffolds mit den geeigneten Zellen einen adäquaten Knochenersatz induzieren kann,
der mittelfristig zu einer Vermeidung der schmerzhaften Entnahme von Spongiosa aus
dem Beckenknochen führen kann.
In der vorliegenden Arbeit wird die Einbindung der Navigation in die operative Versorgung der Femurfrakur beschrieben und mit der konventionellen Methode verglichen. Die Marknagelung ist eine von Prof. Dr. G. B. G. Küntscher in den 40er Jahren des 20ten Jahrhunderts entwickelte Behandlung zur Bruchversorgung und Durchführung von Arthrodesen. Die Navigation ist eine Variante der computer-assistierten Chirurgie. Diese Technologien haben in den 90er Jahren des 20ten Jahrhunderts Einzug in die Operationssäle gehalten. Die Navigationssysteme erfahren eine fortwährende Entwicklung und Ausweitung des Einsatzgebietes. Sie konnten sich bis jetzt jedoch nicht, trotz der Möglichkeiten, gegenüber den bisherigen konventionellen Entwicklungen im Bereich der intramedullären Marknagelversorgung durchsetzen. Den Vorzügen der Navigation, der Reduktion der Strahlenbelastung und Erhöhung der Präzision, werden hohe Anschaffungskosten, eine lange Einarbeitungszeit, längere Vorbereitungs- und Operationszeiten und der personelle Mehraufwand gegenüber gestellt. Ein ausführlicher Vergleich der Navigation mit dem konventionellen Verfahren existiert in der Fachliteratur bis jetzt nur auf einzelne Arbeitsschritte bezogen, wie z.B. dem Vorgang der distalen Verriegelung. In unseren Untersuchungen wurden 22 Patienten mit der Navigation versorgt. Die konventionelle Methode wurde bei 12 Patienten verwendet. Alle entscheidenden Schritte der Femurmarknagelversorgung, die Nageleintrittsbestimmung, die Frakturreposition und die distale Verriegelung wurden in der Dauer und Strahlenbelastung erfasst, ebenso die Gesamtoperationszeit und Gesamtstrahlenbelastung einander gegenübergestellt und mit den vorhandenen Daten in der Fachliteratur verglichen. Die Verwendung der Navigation hat den Arbeitsschritt des Nageleintritts verlängert (23,3 min vs 14,8 min). Gegenüber der konventionellen Methode konnte eine Reduktion der Röntgenzeit um 22 % (0,39 min vs 0,5 min) bei diesem Vorgang beobachtet werden. Die navigierte Frakturreposition dauerte im Durchschnitt 25,1 min vs 16,8 min bei der konventionellen Methode. Die Strahlenbelastung konnte um 70 % auf 0,39 min vs 1,28 min gesenkt werden. Die Rate der geschlossenen Frakturrepositionen lag bei 86 % gegenüber 67 % bei dem konventionellen Vorgehen. Die distale Verriegelung mit zwei Bolzen konnte mit der Navigation in 28,9 min vs 13,9 min bei der konventionellen Methode durchgeführt werden. Die Röntgenzeit wurde mit Hilfe der Navigation um 50 % reduziert (0,39 min vs 0,78 min). Die Präzision bei der distalen Verriegelung konnte mit dem Verfahren der Navigation gegenüber der konventionellen Methode und dem strahlendurchlässigen Winkelgetriebe nur geringfügig gesteigert werden (93 % bei 44 Bolzen vs 91 % bei 23 Bolzen). Die Gesamtoperationszeit der navigierten Fälle war durchschnittlich 43,2 min länger als die konventionell behandelten Fälle (150,1 min vs 106,9 min). Die Gesamtstrahlenzeit konnte mit der Navigation gegenüber der konventionellen Methode um 37,5 % gesenkt werden (2,5 min vs 4 min). Die Vorteile der Navigation zeigten sich vorallem bei der Frakturreposition. Hier konnte die Strahlenbelastung deutlich gesenkt werden (70 %, 0,39 min vs 1,28 min). Die Rate der erfolgreichen geschlossenen Manöver wurde gegenüber der konventionellen Methode gesteigert (86 % vs 67 %).
Bei der distalen Verriegelung haben wir eine Reduktion der Dauer einer Bohrung mit Navigation um 14 % gegenüber der konventionellen Methode mit dem strahlendurchlässigen Winkelgetriebe festgestellt (3,6 min vs 4,2 min, gemessen Haut-inzision und Bohrung bis Gegencorticalis). Die Gesamtstrahlenzeit für den Vorgang der distalen Verriegelung mit zwei Bolzen und sich anschließender Lagekontrolle zeigte sich mit der Navigation um 50 % redziert (0,39 min vs 0,78 min). Ein zeitlicher Mehraufwand wurde durch die Vorbereitung der Navigation bei allen Arbeitsschritten festgestellt.