Verbund

TOKMIS: Biomimetische Interpositionsimplantate zur Behandlung von Kniegelenksarthrose

Arthrose, ein abnormaler "Verschleiß" der Gelenke, ist die weltweit häufigste Gelenkerkrankung. Derzeit leiden etwa ein Drittel aller Menschen über 70 Jahre an Arthrose. Oftmals ist das Kniegelenk betroffen. Wenn es sich um den zur Körpermitte hin gerichteten Teil des Gelenks handelt, spricht man von einer medialen Kniegelenksarthrose. Zur Behandlung der medialen Kniegelenksarthrose gibt es verschiedene Möglichkeiten. Diese weisen bisher jedoch entweder geringe Erfolgsraten auf oder sind mit aufwendigen Operationen und einer langwierigen Rehabilitation verbunden. Das Hauptziel des Verbunds ist es deshalb eine neuartige, minimal-invasive Methode zur Behandlung der medialen Kniegelenksarthrose zu entwickeln. Dabei soll ein elastisches Knieimplantat (Kniespacer) mit optimierten Materialeigenschaften und einer patienten-spezifisch angepassten Form entwickelt werden. Zusätzlich soll eine Software zur präoperativen Planung des Eingriffes erstellt werden. Die entwickelten Kniespacer-Prototypen werden auf ihre biologische Verträglichkeit, biomechanische Funktion und Haltbarkeit unter Belastung getestet. Anschließend sollen die optimierten Kniespacer in einer klinischen Pilotstudie getestet werden. Im Verbund TOKMIS arbeiten sieben interdisziplinäre Arbeitsgruppen an der Entwicklung dieses neuen Behandlungskonzepts zur Kniegelenksarthrose.

Teilprojekte

Teilprojekt Deutsche Sporthochschule Köln

Förderkennzeichen: 01EC1406A
Gesamte Fördersumme: 373.910 EUR
Förderzeitraum: 2015 - 2019
Projektleitung: Prof. Dr. Wolfgang Potthast
Adresse: Deutsche Sporthochschule Köln, Institut für Biomechanik und Orthopädie
Am Sportpark Müngersdorf 6
50933 Köln

Teilprojekt Deutsche Sporthochschule Köln

Die Deutsche Sporthochschule Köln wird die Einflüsse neuer und vor-ermüdeter Kniespacer auf die Belastung und die Belastungsverteilung in menschlichen Kniegelenkkadavern unter simulierten Muskelkräften und Bewegungen untersuchen. Auch soll die Bewegung des Spacers im Knie und seine Fähigkeit zur Anpassung an die individuelle Kniegelenkgeometrie untersucht werden. Am Kadaver-Knie werden die gelenk-internen Referenzkräfte und Spannungen während physiologischer Belastungsbedingungen simuliert. Dazu werden spezielle Gelenksensoren in osteoarthrotische Kadaver-Kniegelenke implantiert. Nach dem Fixieren der Beine in einem Kniegelenk-Belastungssimulator werden die Präparate mit reflektierenden Markern versehen. Mit Hilfe eines Bewegungsanalysesystems kann so die simulierte Bewegung des Knies zusätzlich zu den aufgezeichneten Kräften synchronisiert aufgezeichnet werden. Die Muskelkräfte während des Kniebeugens und -streckens werden durch pneumatische Aktautoren erzeugt, die Kräfte der verschiedenen Anteile der Kniestreck- und Kniebeugemuskulatur simulieren. Anschließend wird der Kniespacer in das mediale Kompartment des Kadaver-Knies implantiert. Wie bereits beschrieben, werden Kräfte und Druckverteilungen erneut bestimmt. Die medio-laterale Kraft- und Druckverteilung wird dazu verwendet, den Einfluss des Kniespacers auf die Biomechanik des Kniegelenks zu beschreiben. Röntgenaufnahmen geben Aufschluss über die Anpassung des Kniespacers an die Femurmorphologie und die Relativbewegungen des Tibiaplateaus. Es folgen Roboter-getriebene Materialermüdungsprozeduren. Danach werden die Spacer in der selben Messreihe untersucht wie oben beschrieben.

Teilprojekt MPI für Intelligente Systeme

Förderkennzeichen: 01EC1406B
Gesamte Fördersumme: 93.984 EUR
Förderzeitraum: 2015 - 2019
Projektleitung: Dr. Ralf Kemkemer
Adresse: Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme
Heisenbergstr. 3
70569 Stuttgart

Teilprojekt MPI für Intelligente Systeme

Das Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme soll die Oberfläche des Spacer-Materials optimieren. Das Ziel ist die chemische Funktionalisierung eines Polymers auf Polyurethanbasis durch bioinspirierte, auf PEG und Hyaluron basierende Hydrogele. Die Hydrogelschicht wird chemisch-physikalisch charakterisiert und wesentliche mechanische Eigenschaften werden bestimmt. Die Tests sollen die Eignung der Funktionalisierung hinsichtlich einer verbesserten Langzeitstabilität des Knie-Spacers überprüfen. Ausgehend vom Grundmaterial werden reaktive Gruppen des Polymers genutzt, um biofunktionalisierte Hydrogelbeschichtungen aufzubringen. Im ersten Schritt werden systematische Untersuchungen zu Modifizierung des Ausgangspolymers durchgeführt. Dabei sollen Multiarm-PEG Moleküle mit reaktiven Endgruppen wie Isocyanatgruppen herangezogen werden. Die Beschichtungen werden hinsichtlich ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften charakterisiert. In weiteren Schritten soll eine Funktionalisierung der Gele mit Molekülen der extrazellulären Matrix erreicht werden. Dazu sollen freie Endgruppen der Gele genutzt werden, um konvalente Bindungen zu Molekülen wir Hyaluron oder Aggrecan herzustellen. Die Beschichtungen werden wiederum hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften charakterisiert werden.

Teilprojekt Hochschule Reutlingen

Förderkennzeichen: 01EC1406C
Gesamte Fördersumme: 196.200 EUR
Förderzeitraum: 2015 - 2019
Projektleitung: Prof. Dr. Günter Lorenz
Adresse: Hochschule Reutlingen
Alteburgstr. 150
72762 Reutlingen

Teilprojekt Hochschule Reutlingen

In diesem Teilprojekt soll ein Biomaterial auf Polyurethanbasis identifiziert werden, welches als Implantatwerkstoff für den Kniespacer verwendet werden kann. Ausgangspunkt ist ein bereits bekanntes Biomaterial, welches bei der Fertigung einer neuartigen Herzklappe entwickelt wurde. Dieses Material wird nun in seinen Eigenschaften an die neue Umgebung und Funktion eines Gelenkspaltimplantates angepasst. Dies soll durch Modifizierung des Materials erreicht werden, indem die Wasseraufnahme minimiert wird. Die reduzierte Wasseraufnahme erhöht die Langzeitstabilität bei hoher dynamischer Belastung. Dieses Material wird als Kernmaterial eines zweischichtig aufgebauten Implantates eingesetzt. Im ersten Schritt werden systematische Untersuchungen zu Modifizierung des Ausgangspolyurethans durchgeführt. Hierzu werden Diisocyanate und Makrodiole aus denen das Polyurethan aufgebaut ist, variiert. Die Materialvariationen werden dabei im Labormaßstab hergestellt und einem Screening unterzogen. Hierbei wird die Stabilität des Materials gegenüber Oxidation und Hydrolyse sowie die mechanischen Eigenschaften der Materialien als Parameter herangezogen. Das Material, das bei diesen Versuchen die besten Eigenschaften zeigt, wird einem in vitro-Degradationstest in Anlehnung an die ISO 10993 Teil 13 unterzogen. Mittels reaktiver Extrusion wird das Material in größeren Mengen hergestellt und einem Reinigungsprozess unterzogen.

Teilprojekt be innovative GmbH

Förderkennzeichen: 01EC1406D
Gesamte Fördersumme: 565.086 EUR
Förderzeitraum: 2015 - 2019
Projektleitung: Dr. Josef Jansen
Adresse: be innovative GmbH
Zülpicher Str. 353
50937 Köln

Teilprojekt be innovative GmbH

Der Projektpartner be innovative GmbH ist an verschiedenen Schritten der Entwicklungskette beteiligt. Das Unternehmen übernimmt folgende Aufgaben: Anhand von „Statistischen-Form-Modellen" (SFM) sollen die Formen der Kniespacer mittels Simulationsverfahren und Tests iterativ entwickelt werden. Ziel ist, dass die Kniespacer nicht dislokalisieren können und im Knie selbstjustierend sind. Für besonders sportliche Patienten sollen zusätzliche Befestigungsmöglichkeiten für Kniespacer evaluiert werden, wobei jedoch der Spacer im Knieinnenraum beweglich bleibt. Daneben entwickelt die be innovative GmbH Verfahren zur Herstellung der Kniespacer. Es sollen diverse Muster und Prototypen für Tests und die spätere klinische Erprobung angefertigt werden. Neben den skizzierten Arbeiten ist die be innovative GmbH direkt in die Evaluierung geeigneter Hochleistungspolymere (TP1) und charakteristischer Knieformen (TP2) sowie dem Testen der Dauerfestigkeit der Kniespacer in Kniesimulatoren (TP4) involviert.

Teilprojekt ZIB

Förderkennzeichen: 01EC1406E
Gesamte Fördersumme: 247.809 EUR
Förderzeitraum: 2015 - 2019
Projektleitung: Dr.-Ing. Stefan Zachow
Adresse: Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Berlin (ZIB)
Takustr. 7
14195 Berlin

Teilprojekt ZIB

Das ZIB wird im Teilprojekt 2 eine statistische Analyse zur Anatomie des Kniegelenks durchführen. Die Analyse dient der Bestimmung der Formvariabilität des menschlichen Knies (respektive des Gelenkspaltes/-knorpels)  bei unterschiedlichen Arthrosegraden. Darüber hinaus soll das ZIB im Teilprojekt 6  eine 3D-Planungssoftware (Prototyp) entwickeln, mit der für individuelle Patienten ein passendes Implantat ausgewählt werden kann. Grundlage für die Arbeit in Teilprojekt 2 ist die Datenbank der OAI (Osteoarthritis Initiative). Diese umfasst mehr als 5.000, durch medizinische Bildgebung erfasste Patienten (45-80 Jahre, m/w, versch. Ethnien) mit unterschiedlichen  Arthrosegraden, einschließlich einer Kontrollgruppe ohne Befund. Aus der Datenbank werden mindestens 500 Datensätze ausgewählt, die das Arthrosespektrum geeignet abdecken. Daraus werden dreidimensionale Modelle der Knieanatomie rekonstruiert. Diese Modelle werden einer statistischen Formanalyse unterzogen, aus der charakteristische Gruppen bezogen auf die Gelenkspaltgeometrie identifiziert werden. Aus der Formanalyse werden gruppenspezifische Implantatgeometrien abgeleitet. Im Teilprojekt 6 wird eine Planungssoftware entwickelt, mit der ein geeignetes Implantat für eine individuelle Knieanatomie ausgewählt werden kann.

Teilprojekt Universitätsmedizin Rostock

Förderkennzeichen: 01EC1406F
Gesamte Fördersumme: 293.492 EUR
Förderzeitraum: 2015 - 2019
Projektleitung: Prof. Dr. Rainer Bader
Adresse: Universitätsmedizin Rostock, Orthopädische Klinik und Poliklinik
Doberaner Str. 142
18057 Rostock

Teilprojekt Universitätsmedizin Rostock

Im Teilvorhaben der Orthopädischen Klinik und Poliklinik, Universitätsmedizin Rostock sollen die neuartigen elastischen Spacerwerkstoffe unter physiologischen Randbedingungen biomechanisch getestet und hinsichtlich ihrer Biokompatibilität in vitro und in vivo beurteilt werden. Als Ergebnis des Gesamtvorhabens soll ein innovatives Spacer-System entstehen, welches eine hohe Verschleißfestigkeit aufweist und einen nahezu physiologischen Bewegungsumfang gestattet. Das neuartige Spacer-System muss eine gute biologische Verträglichkeit unter Ausschluss von adversen entzündlichen Reaktionen zeigen. Im Projekt werden von der Universitätsmedizin Rostock genormte Proben des Spacermaterials in einem speziellen, laboreigenen Prüfstand der natürlichen kniegelenkspezifischen Roll-Gleitbewegung unterworfen. Während der dynamischen Simulation werden Abriebpartikel generiert und aufgefangen, um anschließend für zellbiologische Untersuchungen zur Verfügung zu stehen. Im Anschluss an die zyklischen Beanspruchung werden die Proben optisch und gravimetrisch bewertet. Neben der biomechanischen Testung im Roll-Gleitprüfstand sollen Zellbesiedlungstests an verschiedenen Werkstoffproben zur Bewertung der Zytotoxizität und Biokompatibilität sowie biologischen Stabilität durchgeführt werden. Zusätzlich werden die Lebensfähigkeit der Zellen und deren Proliferation sowie die Freisetzung von verschiedenen Mediatoren, wie Zytokinen oder Matrix abbauenden Proteinasen, unter dem Einfluss der generierten Abriebpartikel, analysiert. Hierbei ist die Reaktion von Chondrozyten und Makrophagen auf die Abriebpartikel von Spacern unterschiedlicher Materialzusammensetzungen von Interesse.

Teilprojekt ARCUS Klinik

Förderkennzeichen: 01EC1406G
Gesamte Fördersumme: 258.268 EUR
Förderzeitraum: 2015 - 2019
Projektleitung: Dr. Andree Ellermann
Adresse: R + B GmbH - ARCUS Klinik
Raststatter Str. 17-19
75179 Pforzheim

Teilprojekt ARCUS Klinik

Das Ziel des Verbundes ist eine neuartige, minimal-invasive Methode zur Behandlung der medialen Kniegelenksarthrose zu entwickeln. Dazu soll ein elastisches Knieimplantat (Spacer) sowie eine Software zur prä-operativen Planung des Eingriffes erstellt werden. In diesem Vorhaben soll eine klinische Pilotstudie zur Evaluation der klinischen und biomechanischen Wirksamkeit als auch vor allem der Sicherheit des Spacers durchgeführt werden. Der klinische Nutzen wird mittels Schmerz- und Funktionsscores überprüft. Die Sicherheit des eingesetzten Spacers wird mit der Lagekontrolle, der Untersuchung von Entzündungswerten und Anzeichen von implantatbezogenen Komplikationen gewährleistet. Für die biomechanische Bewertung werden die dynamische Kniegelenksbelastung und die Belastungsverteilung neben der Bewertung der skelettalen Ausrichtung der unteren Extremität herangezogen. Während der klinischen Untersuchung werden im ersten Abschnitt zunächst zehn Patientinnen und Patienten mit dem implantierten Spacer minimal invasiv versorgt. Diese werden sowohl prä-operativ als auch post-operativ begleitend über eine Dauer von zwölf Monaten klinisch sowie bewegungs- belastungsanalytisch untersucht. Bei Komplikationsfreiheit aller Teilnehmenden nach sechs Monaten werden weitere 20 Probandinnen und Probanden versorgt. Die Folgeuntersuchungen beinhalten bildgebende Verfahren (MRI, X-Ray, dynamische Fluoroskopie), Bluttests zur Kontrolle der Entzündungswerte, evaluierte Schmerz- und Funktionsscores (KSS, KOOS, WOMAC) und Ganganalysen zur Untersuchung der mechanischen Kniegelenkbelastung während verschiedener alltäglicher Situationen (Gehen auf der Ebene, auf geneigten Flächen und Treppensteigen).