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Der Einfluss der Nano- und Mikroarchitektur von Gerüstmaterialien auf die in vivo Osteoinduktivität
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Authors
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Julian Koettnitz
- Unfall-, Hand-und Wiederherstellungschirurgie Bielefeld, Universitätsklinikum OWL Campus Bielefeld-Bethel, Bielefeld, Germany
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Thomas Vordemvenne
- Unfall-, Hand-und Wiederherstellungschirurgie Bielefeld, Universitätsklinikum OWL Campus Bielefeld-Bethel, Bielefeld, Germany
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Dirk Wähnert
- Unfall-, Hand-und Wiederherstellungschirurgie Bielefeld, Universitätsklinikum OWL Campus Bielefeld-Bethel, Bielefeld, Germany
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Madlen Merten
- Molekulare Neurobiologie Universität Bielefeld, Bielefeld, Germany
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Andreas Hütten
- Fakultät für Physik , Universität Bielefeld, Dünne Schichten & Physik der Nanostrukturen, Bielefeld, Germany
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Richard Stange
- Institut für Muskuloskelettale Medizin Münster, Münster, Germany
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Christian Kaltschmidt
- Fakultät für Biologie/Zellbiologie der Tiere, Bielefeld Institute for Biophysics and Nanoscience, Universität Bielefeld, Bielefeld, Germany
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Barbara Kaltschmidt
- Fakultät für Biologie/Zellbiologie der Tiere, Bielefeld Institute for Biophysics and Nanoscience, Molekulare Neurobiologie Universität Bielefeld, Bielefeld, Germany
| Published: | October 26, 2021 |
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Fragestellung: Knochenheilungsstörungen, wie sie z.B. bei der atrophen Pseudarthrose oder der Knocheninfektion vorkommen, stellen eine enorme Belastung für Patienten und unser Gesundheitssystems dar. In dieser Studie wurde die Zell- und Wachstumsfaktoren freie Knochenregeneration in vivo mittels physikalischer Osteoinduktion (Nano- und Mikroarchtitektur) untersucht.
Methodik: Für diese Studie wurden 20 männliche Wistar-Ratten in 4 Gruppen randomisiert (n=5).
Gruppe I: Spongostan+NaCl 0,9%, Gruppe II: Kontrollgruppe, Gruppe III: Kollagenfasern, Gruppe IV: SpongostanNaCl mit SiO2-Nanopartikel.
Der chirurgische Eingriff an den männlichen Ratten wurden im Alter von ca. 8 Wochen bei einem Gewicht von ca. 300g durchgeführt. Unter intra-peritonealer Narkose erfolgte die Trepanation mit einem critical-size-defect von 5mm am Os parietale beidseits. Die o.g. Materialien wurden in die Trepanationslöcher eingesetzt. Nachfolgend engmaschiger Verschluß des Periosts, des Sukutangewebes und Kutangewebes. Euthanasie der Ratten 30 Tage post-OP. Die Auswertung erfolgte mittels Micro-CT (Bone Volume, Bone Mineral Density) und Histologie.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Es zeigte sich ein signifikanter Unterschied mit höchstem Knochenvolumen in der Spongostan-Gruppe (MW 7.893 +/- 1,683), nachfolgend durch die Kollagenfasergruppe (MW 4,703 +/- 0,913) und kaum nachweisbares Wachstum in der Kontrollgruppe (MW 3,653 +/- 1,393), sowie in der Spongostan+SiO2-Nanopratikel-Gruppe (MW 1,923 +/- 0,733).
Die Auswertung der Histologie nach 4 Wochen zeigte vermehrtes Knochenvolumen in der Spongostan-Gruppe, sowie in der Kollagenfaser-Gruppe. Kein Knochenwachstum zeigte sich in der Kontrollgruppe, als auch in der SIO2-Nanopartikel-Gruppe+Spongostan.
Spongostan mit NaCl 0,9%, welches sowohl eine Nano (32,97nm) - als auch Mikroarchitektur (60,66µm) beinhaltet grenzt sich von den Kollagenfasern mit nur einer Nanoarchitektur (31,93nm) ab. Das könnte grundlegend für das bessere Knochenwachstum im Vergleich sein, obwohl kaum ein Unterschied in der nm-Porengröße vorhanden ist. Osteoinduktion ist ein Prozess aus Mikro- und Nanoarchitektur.
Unterstützt wird diese These auch durch die Maskierung von Spongostan mittels Si02-Partikeln vor dem Einsetzen in die Ratte. Hier zeigte sich ein kaum vorhandenes Knochenwachstum. Letzten Endes zeigte sich die stärkste Knochenneubildung bei befeuchtetem Spongostan, gefolgt von Kollagenfasern.
Diese Untersuchung zeigt erstmals das osteoinduktive Potential von angefeuchtetem Spongostan in einem etablierten Tiermodell. Spongostan, normalerweise zur Blutstillung genutzt, könnte somit als Substanz zur Knochenheilung, bzw. als Träger eingesetzt werden.
