Untersuchung der piezoelektrischen Eigenschaften von spongiösem Knochen

DFG Projekt: RI 814/24-1 01.08.2014 – 30.04.2016
Antragstellerin: Prof. Dr. Ursula van Rienen  
DFG-Verfahren: Sachbeihilfen  

Das Forschungsvorhaben steht in engem Zusammenhang mit der Entwicklung elektrostimulativer Endoprothesen für das Hüftgelenk. Die Ergebnisse haben allerdings eine weit allgemeinere Bedeutung. Mit wachsender Alterung der Gesellschaft werden zunehmend auch Revisionsoperationen notwendig, bei denen oft ein großer Knochenschaden in der direkten Umgebung der Endoprothese vorliegt. Derartige Knochenschäden können andererseits auch durch Krankheit (z.B. Knochenkrebs, Folgeschäden von Alkoholmissbrauch) oder Unfall verursacht sein. In enger Zusammenarbeit mit Kollegen aus der Orthopädie wurde in früheren Arbeiten ein erstes Design eines Elektrodensystems für eine elektrostimulative Hüftendoprothese entwickelt. Auch wenn grundsätzlich die Methode der Elektrostimulation zur Verbesserung des Knochenwachstums bereits seit nahezu vier Jahrzehnten bekannt ist und angewendet wird, bleiben noch viele Fragen nach dem grundsätzlichen Wirkmechanismus offen. Weiterhin zeigten sich die klinisch verwendeten Stimulationsparameter zwar empirisch als wirkungsvoll, ungeklärt ist aber, ob es sich hierbei um die optimalen Parameter handelt und wie diese in genauem Zusammenhang zu den physiologischen Vorgängen stehen. Das Ziel dieses Vorhabens liegt daher darin, das piezoelektrische Verhalten von Knochengewebe genauer zu untersuchen und entsprechende piezoelektrische Gewebeparameter zu spezifizieren. Dabei soll ein Versuchsaufbau von Fukada und Yasuda, die erstmals 1957 die piezoelektrischen Eigenschaften von Knochen experimentell nachwiesen, nachgebaut werden und die Experimente auch in silico nachvollzogen werden. In den Simulationen werden umfangreiche Parameterstudien durchgeführt. Die so gewonnenen Gewebeparameter sollen in weiteren Projekten verwendet werden, um die bislang empirisch gewonnenen Stimulationsparameter zu optimieren.

Seit den 70er Jahren ist bekannt, dass elektrische Felder eine beschleunigende Wirkung auf die Knochenregeneration haben. Diese Erkenntnis wird seitdem auf verschiedene Art angewendet, um komplizierte Knochenbrüche und Knochenschäden aufgrund von Krankheiten, wie z. B. Knochenkrebs, zu behandeln.

An der Universität wird derzeit in enger Zusammenarbeit mit Kollegen aus der Orthopädie u.a. eine elektrostimulative Endoprothese für das Hüftgelenk entwickelt, da mit wachsender Alterung der Gesellschaft zunehmend Revisionsoperationen notwendig werden, bei denen oft ein großer Knochenschaden in der direkten Umgebung der Endoprothese vorliegt. Ziel ist dabei ein elektrisches Wechselfeld (20 Hz) zwischen 5 und 70 V/m in direkter Umgebung des Implantats zu erzeugen, um einerseits den Knochen besser an das Implantat anwachsen zu lassen und andererseits vorhandene Knochendefekte zu behandeln. Die Stimulationsparameter basieren dabei auf empirischen Daten, da der grundsätzliche Wirkmechanismus noch immer unbekannt und Objekt fortlaufender Forschung ist.

Das Ziel dieses Vorhabens ist die genauere Untersuchung von natürlich auftretenden elektrischen Feldern im Knochen, welche auf natürliche Weise Knochenumbauprozesse hervorrufen, sowie der Vergleich dieser Felder mit den künstlichen Feldern der Endoprothese. Neben Strömungspotentialen sind die piezoelektrischen Eigenschaften des Knochens eine mögliche Ursache dieser natürlichen Felder. Das Ziel dieses Vorhabens liegt daher darin, das piezoelektrische Verhalten von Knochengewebe genauer zu untersuchen und entsprechende piezoelektrische Gewebeparameter zu spezifizieren. Die so gewonnenen Gewebeparameter sollen später in einem neuen Projekt mit den Kollegen der Orthopädie verwendet werden, um die bislang empirisch gewonnenen Stimulationsparameter zu optimieren.

Links: Aufgrund piezoelektrischer Eigenschaften natürlich auftretendes elektrisches Feld [V/m] im vereinfachten Modell des Oberschenkelknochens (Femur) bei Belastung mit 500 N. Rechts: Künstlich erzeugtes elektrisches Feld [V/m] im Prototypen des elektrostimulativen Femurimplantats.

Kontakt:
Dipl.-Ing. Ulf Zimmermann

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