Rekonstruktion von segmentalen Knochendefekten mittels 3D-Laser-gesinterten Titanimplantaten (rapid prototyping) in einem Schafsmodell

Abstract

ABSTRAKT (DEUTSCH) Die Regeneration von ausgedehnten Knochendefekten nach Tumorresektion, Trauma oder Infektion stellt eine große Herausforderung dar. Momentan ist ein patientenindividuelles Verfahren zur Augmentation von Knochendefekten mit 3D Titan- Gitterstruktur (Titan-Mesh-Scaffold) als Alternative zur autologen Knochentransplantation in klinischer Erprobung. Es ist bekannt, dass die mechanische Umgebung eine bedeutende Rolle bei der Knochenneubildung spielt. Es ist jedoch unklar, ob die Steifigkeit eines soliden Titan-Mesh-Scaffolds in der Art optimiert werden kann, dass es den Regenerationsprozess positiv unterstützt. In dieser Studie untersuchten wir das Potenzial zweier mechanisch optimierter Titan-Mesh-Scaffolds, bezogen auf eine Knochenneubildung in einem segmentalen Knochendefektmodell im Schaf. Unter dem Einsatz der Finite-Element-Analyse wurden zwei Titan-Mesh-Scaffolds mit gleichem Design, aber mit unterschiedlichen Steifigkeiten entworfen. Das 3D Titan-Mesh Herstellungsverfahren wurde angewandt, um zwei individuell angepasste Titan-Mesh- Scaffolds (d.h. ein „weiches“ und ein 3,5-mal härteres Titan-Mesh-Scaffold) herzustellen. Die Titan-Mesh-Scaffolds wurden mit autologem spongiösem Beckenkammknochen befüllt und in 4 cm lange mid-diaphysäre Tibiaostetomiedefekte bei insgesamt zwölf Schafen eingesetzt. Nach 24 Wochen zeigten die radiologischen und histologischen Auswertungen eine dominierende asymmetrische laterale knöcherne Überbrückung, was die vorhergesagten höheren Spannungen beider Gruppen auf der lateralen Seite widerspiegelt. Das knöcherne Kallusgewebe zeigte sich sowohl lateral, als auch innerhalb des Scaffolds. Innerhalb der Gruppe mit den weicheren Titan-Mesh-Scaffolds kam es zu einer stärkeren enchondralen Ossifikation und zu einer früheren radiologischen, knöchernen Überbrückung, als in der Gruppe mit den härteren Titan- Mesh-Scaffolds. Mit diesem Modell wurde erstmals die Fähigkeit zur Regeneration von Defekten kritischer Größe, durch 3D-Laser-gesinterte Titan-Mesh-Scaffolds mit unterschiedlich mechanischen Steifigkeiten dargestellt und es konnte die Überlegenheit einer weicheren Scaffoldstruktur veranschaulicht werden.

ABSTRACT (ENGLISH) The regeneration of large bone defects after trauma, tumor resection, or infection is one of the remaining challenges in orthopedic surgery. Currently, 3D added manufacturing of Titan-Mesh-Scaffolds is under clinical evaluation as an alternative to autologous bone grafting. Although it is known that the mechanical environment influences bone regeneration, it remains unknown if the mechanical properties of rigid Titan-Mesh- Scaffolds can be tuned to faster bone regeneration. In this study, we investigated the potential of tuning Titanium-Mesh-Scaffold stiffness to promote bone regeneration in a large bone defect in a sheep model by optimizing the scaffolds rigidity. We used finite element techniques to design two Titan-Mesh-Scaffolds that, while having the same geometry, presented with significant differences in Titan-Mesh-Scaffold stiffness. 3D added manufacturing was employed to create two types of customized Titan-Mesh- Scaffolds (i.e., a soft and a 3.5 times stiffer Titan-Mesh-Scaffold), which were filled with cancellous bone graft and implanted in a 4 cm mid-diaphyseal tibia defect in twelve sheep. At 24 weeks, radiological and histological analysis showed that an asymmetrical callus formation that dominated the lateral defect bridging, reflecting the strain patterns predicted for both Titan-Mesh-Scaffold groups. Bone grew on the outer Titan-Mesh- Scaffold surface and directly through the inside mesh structure of the scaffold. The soft Titan-Mesh-Scaffold showed increased endochondral bone formation and earlier radiological bone bridging, as compared to the stiffer Titan-Mesh-Scaffold. This study is the first to illustrate the potential of mechanically optimized Titan-Mesh-Scaffolds to enhance bone regeneration in large bone defects.