Simulation resorbierbarer Implantate und Knochenheilung

In einem gerade abgeschlossenen Promotionsvorhaben konnte Martin Pietsch ein erstes vorläufiges Modell entwickeln, mit dem sich auch der allmähliche Abbau eines resorbierbaren Implantats simulieren lässt.  Der Abbau ist dabei vereinfachend als ein allmählicher gesteuerter Volumenverlust des Implantats modelliert.  Die Implantatoberfläche wird in einer iterativen Schleife über der Zeit abhängig von lokalen mechanischen und biologischen Faktoren nach innen verschoben (Surface Tracking). Erste Ergebnisse konnten auf einer Tagung [Pietsch Dublin2018] präsentiert werden.

Erste sehr vielversprechende Simulationsergebnisse dieses vorläufigen Modells für fünf verschiedene Fälle von rotationssymmetrischen (die Symmetrieachse ist jeweils am linken Rand des Heilungsgebiets) Fusionsimplantaten aus einem resorbierbaren Werkstoff sind im Bild zu sehen.  Von der obere auf die untere Knochenplatte wird eine axiale Last über das Implantat übertragen und führt zu unterschiedlichen Dehnungen und damit Stimulationen des Knorpel- und Knochenwachstums.  Das Modell zeigt, dass eine erfolgreiche Fusion sehr stark von der Eigenschaft der Resorbierbarkeit und der Mikrostruktur im Detail abhängt.  In jedem Fall zeigt das Modell eindrucksvoll das Potential als ein wertvolles Werkzeug zur Entwicklung und Optimierung bio-resorbierbarer Implantate.

Zur Interface-Capturing-Methode:

  • Pietsch M, F Niemeyer, U Simon, A Ignatius, K Urban:  Modelling the fracture-healing process as a moving-interface problem using an interface-capturing approach. Computer methods in biomechanics and biomedical engineering 21 (8), 512-520, 2018, https://doi.org/10.1080/10255842.2018.1487554
  • Pietsch, Martin: Modelling the fracture healing process with interface capturing techniques. Open Access Repositorium der Universität Ulm. Dissertation. 2019, http://dx.doi.org/10.18725/OPARU-11273

Zur Simulation resorbierbarer Knochen-Implantate:

  • M Pietsch, F Niemeyer, K Urban, A Ignatius, U Simon: Including the Implant Degradation Process in a Fracture Healing Model. In Proc: 8th World Congress of Biomechanics, Dublin, 2018, Oral-0586
Ergebnisse eines rotationssymmetrischen Simulationsmodells für den Fall eines resorbierbaren Fusionsimplantats (rot) in einem Knochendefekt (blau) zwischen zwei Knochenfragmenten (orange) bei axialer Last. Implantatabbau und Knochenneubildung (grau) für fünf verschiedene Implantate (zeilenweise). Die zeitliche Entwicklung ist von links nach rechts zu sehen (Zeiteinheit = Tag). Ohne Implantat bei übermäßiger Dehnung (a) sowie bei statischem Implantat mit steifen durchgehenden Lamellen (b) und einem dadurch bedingten Stress-Shielding bleibt die Knochenneubildung aus. Bei Verwendung eines resorbierbaren Cages (c) kommt es zwar, aber erst sehr spät, zur Knochenbildung, die nicht vollständig überbrücken kann. Es bildet sich eine Pseudarthrose mit Knorpelschichten (hell blau) im verbleibenden Spalt. Die Fälle (d) und noch besser (e) zeigen ein optimiertes Implantatdesign, für die eine gleichmäßige Knochenneubildung mit vollständiger knöcherner Fusion vorhergesagt wird.

 

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