abgeschlossene Promotionen & Habilitationen
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Dreidimensionale Charakterisierung der Osseointegration von Titanimplantaten mittels Mikrocomputertomographie
Art der Abschlussarbeit
Dissertation
Autoren
- Bernhardt, Ricardo
Betreuer
- Prof. Dr.-Ing. Hartmut Worch
Weitere Betreuer
Prof. Dr. rer. nat. habil. Bert Müller, Dr. rer. nat. Jürgen Goebbels
Abstract
Die Entwicklung und Erprobung von metallischen Implantatwerkstoffen mit biologischen Beschichtungen für den Einsatz im menschlichen Knochen verlangt neben der Untersuchung grundlegender zellbiologischer Wechselwirkungen eine ganzheitliche Betrachtung ihrer Wirkungsweise im lebenden Organismus. Die überwiegend angewandte Methode zur Quantifizierung des Potentials von Biofunktionalisierungen metallischer Implantatwerkstoffe ist die histologische Auswertung. Diese stützt sich aber auf Informationen aus wenigen und eher zufälligen Schnittlagen im Probenvolumen, welche mit einer hohe Anzahl an Tierexperimenten kompensiert wird. Mit der Mikrocomputertomographie steht neben der klassischen Histologie eine zerstörungsfreie Methode zur Verfügung, welche eine detaillierte dreidimensionale Darstellung des neugebildeten Knochengewebes ermöglicht. Die Abbildungsqualität des mineralischen Knochengewebes um Titanimplantate als Grundlagen für die Vergleichbarkeit zur Histologie wurde anhand von drei Mikrofokus-Computertomographen und einem Synchrotron-Computertomographen (HASYLAB) untersucht. Die tomographischen Untersuchungen von Hartgewebe und metallischen Implantaten mit Hilfe von Synchrotronstrahlung zeigte hierbei die beste qualitative Übereinstimmung zur histologischen Bildgebung. Für die Quantifizierung der Knochenneubildung wurden interaktive Analysemodelle erarbeitet, welche eine vereinheitlichte Auswertung von histologischen und tomographischen Informationen erlauben. Auf Grundlage der entwickelten Analyseprozeduren war es erstmals möglich einen statistischen Vergleich zwischen den Ergebnissen aus histologischer und tomographischer Analyse zu führen. Dabei konnte gezeigt werden, dass bei der Herausstellung von Unterschieden zur Osseointegration verschieden modifizierter Titanimplantate mit beiden Verfahren ähnlich Trends in den Ergebnissen zu finden sind. Die Signifikanz von Unterschieden zur Knochenneubildung mit p < 0,01 konnte allerdings ausschließlich bei der mikrotomographischen Analyse herausgestellt werden. Die Ergebnisse bei der Darstellung und Analyse des mineralischen Gewebes durch Nutzung der Synchrotrontomographie gehen weit über die Grenzen der histologischen Untersuchungen hinaus. Durch den dreidimensionalen Charakter der Informationen ergeben sich dabei neue Bewertungsmodelle zur Beurteilung der Osseointegration von biofunktionalisierten Implantaten. Die mikrotomographische Analyse liefert durch die geringe Irrtumswahrscheinlichkeit der Ergebnisse bei deutlich geringerer Probenanzahl gegenüber einer histologischen Auswertung einen erheblichen Beitrag zur Verringerung von Tierversuchen.
Zugeordnete Forschungsschwerpunkte
- Bio Surface-Engineering von Biomaterialien
Zugeordnete Forschungsprojekte
- Untersuchungen der Wechselwirkungen an biologisierten Grenzschichten von Implantaten im Knochen, Teilprojekt I: Optimierung der Biokompatibilität und Osseointegration von Knochenimplantaten durch Entwicklung biologisch funktionalisierter Oberflächen auf Titanwerkstoffen
Berichtsjahr
2006