Präzision in der Osseointegration

Knochenimplantate, wie zum Beispiel Schrauben oder künstliche Gelenke, spielen in der orthopädischen Chirurgie sowie der Zahnmedizin eine zunehmend große Rolle. Entscheidend für ihren erfolgreichen Einsatz im Patienten/der Patientin ist die Ausbildung einer festen knöchernen Verbindung zwischen dem Knochen und der Implantatoberfläche. Dieses Einheilen des Implantats wird als Osseointegration bezeichnet. Zur Erforschung der Osseointegration von neuen Implantaten sowie unter krankhaften Bedingungen (zum Beispiel Osteoporose) wird weltweit ein bestimmtes Tiermodell in der Ratte verwendet. In diesem Modell werden Schrauben in den Unterschenkelknochen der Ratten gesetzt und die Osseointegration mittels histologischer Methoden bestimmt. Die exakte Positionierung der 1-2 mm kleinen Schrauben ist dabei entscheidend für die Aussagekraft des Modells. Leider ist diese exakte Positionierung in der Praxis sehr schwierig umzusetzen, sodass die Ergebnisse etwa jedes vierten Tieres nicht verwertbar sind. Dadurch entstehen Probleme bei der Umsetzung des Projektes, wenn vor der Auswertung der Ergebnisse zu wenige Tiere für den Versuch verwendet wurden, bzw. unnötig hohe Zahlen an Tieren, damit die Ergebnisse des Versuches aussagekräftig werden. Das PRECISE Projekt schlägt vor, dieses wissenschaftliche und ethische Problem mittels 3D- gedruckter chirurgischer Bohrschablonen zu lösen. Chirurgische Schablonen sind Hilfsmittel, die sich exakt an den Knochen anlegen und das präzise und sichere chirurgische Einsetzen der Schrauben ermöglichen. Dazu werden die Unterschenkelknochen von Ratten drei verschiedener Stämme entnommen, eingescannt und am Computer jeweils eine passgenaue Bohrschablone konstruiert. Diese werden dann mit 3D-Druckern gefertigt, wobei verschiedene 3D-Druck Technologien zum Einsatz kommen, um Schablonen in Kunststoff und Metall zu drucken. Die Anwendbarkeit der verschiedenen Schablonen wird danach durch zwei Chirurgen in Kadavern von Ratten ermittelt. Die am besten geeignete Schablone wird ermittelt und die Baupläne ForscherInnen weltweit zur Verfügung gestellt. In einem nächsten Schritt wird ein spezielles Bildgebungsverfahren (in vivo CT) in den Arbeitsablauf integriert, welches die 3D Rekonstruktion der Rattenknochen im lebenden Tier erlaubt. Durch diesen Prozess können Bohrschablonen für jedes Tier (verschiedenes Alter, Gewicht, Geschlecht, Krankheitsmodell, usw.) individuell hergestellt werden. Abschließend plant das PRECISE Projekt, mithilfe der Bohrschablonen den Einfluss des Abstandes der Schrauben zur Wachstumsfuge auf die Osseointegration erstmalig zu bestimmen. Hierbei sollen Ratten mit einer Knochenstoffwechselstörung (Osteoporose) sowie das in vivo CT Verfahren verwendet werden, um den Prozess der Osseointegration im Zeitverlauf im lebenden Tier verfolgen zu können. Zusammenfassend erwartet sich das Team des PRECISE Projekts mit seiner Forschung zu einer Standardisierung des Osseointegrationsmodells in der Ratte beizutragen, um eine Verbesserung der Methode und somit eine Reduktion von Versuchstieren in künftigen Experimenten zu erreichen.