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Fragestellung: Kritische Knochendefekte stellen die moderne Chirurgie vor ein therapeutisches Dilemma. Der Goldstandard, die autologe Knochentransplantation, ist ein invasives, komplikationsbehaftetes Verfahren. Mittels 3D-Druck sind hochporöse Knochenscaffolds herstellbar und durch Zusätze wie Bioglas kann eine Bioaktivität im Filament erreicht werden, welches über die Freisetzung von Ca2+-Ionen die Differenzierung von Stammzellen beeinflussen kann. Die Hypothese war, dass die Scaffold-Geometrie einen signifikanten Einfluss auf die Knochenheilung im segmentalen Femurdefektmodell der Ratte hat. Als Subhypothese wurde eine weitere Verbesserung durch Dotierung der Scaffolds mit Bioglas untersucht.

Methodik: Mittels 3D-Druck wurden aus Polylaktat (PLA) und PLA +20% Bioglasanteil (BG) hochporöse, tubuläre Geometrien hergestellt. Diese entweder dünn- (A1, A1BG) bzw. dickwandigen (A2, A2BG) Geometrien wurden in einen 6 mm großen plattenstabilisierten Femurdefekt in der SD-Ratte implantiert. Tiere der Kontrollgruppe (K) erhielten syngene Spongiosa als Defektfüllung. Nach 8 (n=10/Gruppe) und 16 Wochen (n=3/Gruppe) wurden verschiedene Knochenheilungsparameter radiologisch, biomechanisch und histologisch evaluiert.

Statistik: Kruskal-Wallis-Test für Gruppenvergleiche, Wilcoxon-Test für Vergleiche zwischen Zeitpunkten, p<0,05 ist signifikant.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Nach 8 Wochen zeigte sich in Gruppe A1 eine verbesserte Durchbauung und signifikant verbesserte Biegesteifigkeit (in % des gesunden Femurs: A1, 12% vs K: 1,5%, A2: 4,0%, A1BG: 0,4%, A2BG: 2,2%, p<0,05). Diese Parameter sowie die Knochenmineraldichte (BMD) stiegen nur in dieser Gruppe (A1) nach 16 Wochen Heilungszeit weiter deutlich an (BMD: A1 8w: 0,54 g/cm³ vs 16 w: 0,75 g/cm³, p=0,06). Eine Verbesserung der Knochenheilung durch Dotierung der Scaffolds mit Bioglas konnte weder nach 8 noch nach 16 Wochen erreicht werden, wenngleich die Unterschiede innerhalb der Gruppen nach 16 Wochen Heilungszeit geringer ausfallen.

Es konnte gezeigt werden, dass die Scaffold-Geometrie ein elementarer Faktor ist, um die Knochenheilung positiv zu beeinflussen. Es konnte die Formierung qualitativ hochwertigen Knochens und verbesserte biomechanische Eigenschaften erreicht werden. Möglicherweise haben die offenporigen, zylindrischen Geometrien einen positiven Effekt auf die Ausbildung des Frakturhämatoms und Einwandern knochenregenerativer Zellen und fördern so langfristig die Knochenheilung. Demgegenüber haben hohe Wandstärke und ein Bioglasanteil im Scaffold teilweise einen negativen Effekt. Beide Faktoren könnten die Formierung eines kontinuierlichen Frakturhämatoms auf verschiedenen Wegen beeinträchtigen. Erhöhte Wanddicke führt zu einem geringeren Lumen des Scaffolds und Calciumionen aus dem Bioglas könnten die Koagulation beschleunigen, so dass in beiden Fällen der Bluteinstrom und damit die Ausbildung eines Frakturhämatoms behindert wird.