Article
Neu entwickelte dynamische Analyse der Knorpelerholung – Ein Vergleich zwischen in vivo und in vitro
Search Medline for
Authors
Published: | October 13, 2014 |
---|
Outline
Text
Fragestellung: Hyaliner Knorpel zeichnet sich durch ein komplexes biphasisches viskoelastisches Verhalten aus. Wichtige bisher nur schwer messbare Parameter zur exakten Charakterisierung von Knorpelgewebe - und damit der zukünftig besseren Evaluation von tissue engineertem Knorpelersatz - sind die Geschwindigkeit und der Grad der belastungsabhängigen Knorpelerholung. Dazu wurde nach zyklischer Kompression und anschließender Entlastung das Erholungsverhalten (EV) von Gelenkknorpel untersucht. Bisher wurden lediglich Messdaten zur EV mittels Magnetresonanztomographie (MRT) in vivo erhoben. Eckstein (1999) ermittelte die humane Patellaknorpeldicke vor und nach 100 Kniebeugen mittels MRT. In der vorliegenden Studie wird das in vivo Modell auf ein in vitro Modell übertragen, wobei bovine osteochondrale Zylinder zyklisch belastet werden und im Anschluss unter einer konstanten Tastkraft die EV gemessen wird.
Methodik: Patellae frisch geschlachteter Jungbullen wurden bei -20 C eingefroren und zur Messung nach dem Auftauen für 0,5 h in PBS-Lösung gelegt, um Flüssigkeitsverluste auszugleichen. Die Entnahme von je einem Knorpelknochenzylinder (d=5 mm) erfolgte aus der lateralen (n=7) und medialen (n=7) Gelenkfläche. Der knöcherne Bereich der Probe wurde in der Aufnahme platziert und die Knorpeloberfläche orthograd zum zylindrischen Prüfstempel (d=1,5 mm) ausgerichtet und für 15 min in PBS equilibriert. Unter Kraftüberwachung wurde die Knorpeloberfläche angefahren und die Position des Prüfstempels für weitere 5 min gehalten, ehe 100 Zyklen mit einer aus Vorversuchen ermittelten Kraft von 620 mN (obere Schwellast) innerhalb von 3 min kraftgeregelt appliziert wurde (untere Schwellast=62 mN). Nach den Zyklen wurde das EV mittels eines neu entwickelten hochdynamischen Prüfsystems (Föhr, 2012) bei kraftgeregeltem Halten von 10 mN für 1,5 h gemessen. Die Dickenmessung erfolgte mittels Nadelindentation.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die mittlere Eindringtiefe am Ende der zyklischen Belastung betrug 9,25% (SA 2,04%; medial) und 11,89% (SA 1,81%; lateral) der initialen Knorpeldicke. Die durchschnittliche Reduktion der Knorpeldicke nach 3 Minuten betrug 4,88% (SA 1,74%; medial) und 4,25% (SA 0,86%; lateral)(TBL1). Eckstein et al. (1999) geben 3-7 Minuten nach der zyklischen Belastung eine Reduktion des Knorpelvolumens von 5% an, was sich mit den Daten der hier vorgestellten in vitro Studie deckt. Im Gegensatz zu der in vivo gemessenen Erholung findet in vitro die hauptsächliche Knorpelerholung innerhalb der ersten 20 Minuten nach Belastungsende statt, wobei diese nicht linear erfolgt(IMG1). Sowohl in vivo, als auch in vitro konnte keine komplette Knorpelerholung nach 1,5 h gemessen werden. Die neu entwickelte hochdynamische Messmethode der Knorpelerholung in vitro ermöglicht einen relevanten Schritt zur biomechanischen Charakterisierung von Knorpel und kann damit für die objektive Bewertung und zukünftige Optimierung von tissue engineerten Knorpelersatzmaterialien eine wichtige klinische Bedeutung bekommen.