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Fragestellung: Die Therapie osteochondraler Defekte (OCD) am Kniegelenk ab einer Größe von 2,5–3 cm² erfolgt aktuell vorrangig unter der Verwendung von autologem Knochen und einer zusätzlichen Knorpelrekonstruktion oder von autologen osteochondralen Stanzzylindern. Beide Verfahren verursachen eine zusätzliche Entnahmemorbidität. Diese könnte durch einen in-vitro hergestellten patientenspezifischen mehrschichtigen osteochondralen Gewebeersatz vermieden werden.

Ziel der Studie war es, basierend auf Magnetresonanztomographie (MRT)-Daten ein patientenspezifisches, mehrschichtiges Implantat zu generieren, welches die Defektgeometrie und Anatomie des OCD genau berücksichtigt und damit die Einschränkungen herkömmlicher autologer osteochondraler Transplantate, durch z. B. die Möglichkeit der exakten Berücksichtigung der konvexen äußeren Gelenkknorpeloberfläche, überwindet. Die passgenaue Implantation solcher Implantate sollte in situ geprüft werden.

Methodik: Es wurden OCD im Bereich der Kniegelenke von Körperspender:innen erzeugt und nachfolgend ein MRT durchgeführt. Anhand der Datensätze erfolgte die Defekt-Identifizierung, Segmentierung und CAD-Modellierung der patientenspezifischen Implantate, welche anschließend mittels eines Mehrkanal-3D-Extrusionsdruckers (GeSiM) hergestellt wurden. Dabei wurde die Knochenschicht aus einem Calciumphosphatzement (INNOTERE) und die Knorpelschicht aus einem Hydrogel (Alginat + Methylzellulose) erzeugt; eine kombinierte, verwobene Übergangszone aus beiden Materialien als Grenzschicht von Knochen- zu Knorpelzone stellte die Fusion und Stabilität der hybriden Implantate sicher. Mittels verschiedener Designs wurden Implantationsstrategien und Verankerungsmöglichkeiten (press fit, smart nails) der 3D-gedruckten Implantate im Defekt getestet. Nachfolgend wurde die Formtreue und Passgenauigkeit der Implantate anhand standardisierter 3D-Messungen in verschiedenen MRT-Sequenzen beurteilt.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Der entwickelte Arbeitsablauf, der die Verarbeitungsschritte der MRT-gestützten Defektidentifizierung, Segmentierung, Modellierung, Design und Fabrikation der Implantate umfasst, wurde erfolgreich unter kliniknahen Bedingungen angewendet. Patientenspezifische Implantate konnten auf der Grundlage der zwei Biomaterialien mit klinisch relevanten Eigenschaften hergestellt werden – unter Bedingungen, die das Bioprinting, die direkte Einbettung von patienteneigenen Zellen in den Druckprozess, ermöglichen würden. Die geometrische Kompatibilität des entworfenen und hergestellten Implantats wurde am Spenderknochen an verschiedenen Defektlokalisationen erfolgreich getestet. Die Implantate konnten mittels smart nails verankert und im MRT dargestellt werden.

Es konnten erfolgreich patientenspezifische mehrschichtige Implantate für die Therapie von OCD auf der Basis von MRT-Daten nach Etablierung eines CAD/CAM-Arbeitsablaufs hergestellt, implantiert und im MRT vermessen werden. Dies eröffnet neue Perspektiven für die Behandlung von multizonalen Defekten.