Forschung

Auf dieser Seite finden Sie ausgewählte und aktuelle Projekte aus den Forschungseinrichtungen der Orthopädischen Klinik der MHH. Sollten Sie fragen zu den einzelnen Projekten oder Themen haben, finden Sie in der Beschreibung den zugehörigen Ansprechpartner.


DFG Forschergruppe

"Gradierte Implantate FOR 2180 --- Sehnen- und Knochen-Verbindungen"

Die Implantatforschung konzentriert sich in den letzten Jahren verstärkt auf funktionale Gewebeimplantate für homogen aufgebaute Gewebearten. Weniger gut erforscht sind Implantate für Bereiche, die sich zwischen Geweben mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften wie z.B. am Sehnen-Knochen-Übergang befinden. Natürliche Gewebeübergänge weisen Gradienten auf: Gradienten der Struktur, der Zusammensetzung und der daraus folgenden Funktionalität, die sich in der Änderung der biomechanischen Eigenschaften widerspiegeln. Dieser komplexen Situation trägt das von der hier vorgestellten Forschergruppe geplante neuartige, gradierte zellfreie Implantat Rechnung. Endogene Stammzellen des Wirtes bzw. Empfängers sollen durch das Implantat zu einer Bildung eines Sehnen-Knochen-Übergangs angeregt werden und nach Abbau des Implantats einen funktionsfähigen („regenerierten“) Übergang zurücklassen. Ziel der Forschergruppe ist es, die prinzipielle Machbarkeit und modellhafte Herstellung eines gradierten Implantats für einen zukünftigen Einsatz am Sehnen-Knochen-Übergang der Rotatorenmanschette aufzuzeigen. Als Grundmaterial dienen elektrogesponnene Fasermatten aus bioabbaubaren Polymeren (insbesondere auf Basis von Polycaprolacton) mit einem gerichteten („sehnenseitig“) bzw. ungerichteten („knochenseitig“) Faserverlauf. Die Fasermatten werden durch geeignete Maßnahmen, z.B. das Einbringen von im physiologischen Milieu löslichen „Opferfasern“, in ihrer Porosität und Permeabilität so eingestellt, dass das Überleben und die Funktion einwandernder Zellen gefördert werden sowie der Transport von Nährstoffen und Stoffwechselprodukten möglich ist. Weiterhin werden die mechanischen Eigenschaften an die in vivo-Situation angepasst. An ihrer Faseroberfläche werden die Matten modifiziert und mit variierenden Anteilen an Calciumphosphat-, Silicaoder Polymernanopartikeln ausgerüstet. Silica- oder Polymernanopartikel dienen als Freisetzungssystem für biologisch aktive Proteine. Neben Bone Morphogenetic Protein (BMP)2 und Transforming Growth Factor (TGF)-beta wird als neuer Faktor Smad8 Linkerregion + Mad Homology Re-gion 2 (Smad8 L+MH2) genutzt. Dabei handelt es sich um einen modifizierten Transkriptionsfaktor, welcher die Zellen zur Bildung von Sehnenzellen und -gewebe anregt. Zur Einstellung der Freisetzungsrate werden die Faktoren mittels nanopartikulärer Freisetzungssysteme gradiert auf die Implantate aufgebracht. Insbesondere zum Erreichen einer besonders langfristigen Wirkung sollen auch amyloidartige Varianten der Proteine hergestellt werden. Die knochenseitige Fixierung des Implantats erfolgt mit Hilfe eines kommerziellen Knochenankers. Sehnenseitig ist eine Annaht vorgesehen. Die Bildung eines regenerierten Übergangs nach Einsetzen des Implantats wird im Rahmen der Forschergruppe in Klein- und Großtiermodellen verifiziert.

Förderung seit 2015

Ansprechpartnerin: Prof. Dr. rer. nat. Andrea Hoffmann

Homepage: https://www.gradierte-implantate.de/


EU Projekt

"Softpro - Synergy-based Open-source Foundations and Technologies for Prosthetics and Rehabilitation"

Aktuelle Prothesenhände auf Basis von Roboterfunktionen sind immer noch sehr teuer, technisch viel zu anfällig, und so gut wie nicht intuitiv steuerbar. Eine technisch breite Anwendung in der Armprothetik haben sie aus diesen Gründen bisweilen nicht finden können. In der Regel sind Armprothesen entweder nur kosmetische Ebenbilder der verlorenen Extremität oder sie bieten im Vergleich zur menschlichen Hand nur stark vereinfachte Funktionen.

Um das zu ändern sollen in dem Forschungsprojekt "Softpro - Synergy-based Open-source Foundations and Technologies for Prosthetics and Rehabilitation" verfügbare Robotertechnologien in einem offenen Exzellenz-Netzwerk in Europa zusammengeführt und weiterentwickelt werden. Es wird mit € 7,4 Millionen aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm „Horizont 2020“ der Europäischen Union gefördert.

Die sechs tragenden Säulen des Forschungsprojekts bilden dabei sensomotorische Synergien aus der Neurowissenschaft, die Mensch-Roboter-Interaktion aus der Robotertechnologie, die funktionelle Vereinfachung von Alltagsbewegungen der Hand für ihre Prothetik, neue Strategien zur Beurteilung des Behandlungsfortschritts von armamputierten Patienten, der Aufbau gemeinsam nutzbarer Open-Source Quellen für die Zusammenführung des Know-Hows von Entwicklern und Nutzern, sowie eine enge Verzahnung von Forschungszentren mit klinischen Institutionen und der Industrie.

Förderung seit 2016

Ansprechpartner: Dr. Eike Jakubowitz

Homepage: http://www.softpro.eu/


DFG Sachbeihilfen

"Vergleich von Schaft- und osseointegrierter Versorgung bei Oberschenkelamputierten"

Patienten werden nach einer Amputation seit annähernd einem Jahrhundert mit der sogenannten Schafttechnik versorgt. Trotz fortlaufender Entwicklung in der Prothetik kann es zu Komplikationen beim Tragen der Prothese kommen. In Extremfällen können die Patienten mit Schafttechnik nicht mobilisiert werden. Eine Alternative bietet hier die osseointegrierten Prothesenverankerung. Dabei wird ein Implantat in den verbliebenen Femur eingebracht und am Stumpfende durch die Haut nach außen geführt. Die osseointegrierte Prothesenverankerung ersetzt den Schaft und es entsteht eine direkte Verbindung zwischen dem Prothesenbein und dem muskuloskelettalen Bewegungsapparat. Mit einer Amputation geht Muskelvolumen verloren, was zu einem Ungleichgewicht der Muskulatur führt. Dies wird häufig durch eine stärkere Nutzung der kontralateralen Seite ausgeglichen, was die degenerative Veränderung der Gelenke begünstigt. So konnte ein signifikanter Zusammenhang zwischen einer Amputation und einem erhöhten Risiko einer Gonarthrose des kontralateralen Beins nachgewiesen werden.

Aufbauend auf eigenen Vorarbeiten wird ein patientenspezifisches Mehrkörpermodell vom muskuloskelettalen Bewegungsapparat der Oberschenkelamputierten entwickelt. Dabei sollen die verschiedenen Versorgungskonzepte, die der Schafttechnik und der osseointegrierten Prothesenverankerung, berücksichtigt werden. Darüber hinaus beinhaltet das Modell die besondere Muskelund Knochensituation und soll neben der Kontaktkraft die Muskelkräfte während alltäglicher Aktivitäten, wie z.B. Gehen in der Ebene und Treppensteigen, bestimmen. Geplant ist der Einsatz von Bildgebung, Ganganalyse und Mehrköpersimulation.

Ziel des Projekts ist es, den Effekt einer osseointegrierten Prothesenversorgung im Vergleich zu konventionellen Versorgungen auf Gangbild und Gelenkbelastungen zu untersuchen. Es sollen zwei Arbeitshypothesen geprüft werden:

1a) Die Patienten mit einer Schaftversorgung weisen verglichen mit gesunden Probanden ein Gangbild auf, welches zu einer erhöhten Belastung im kontralateralen Hüftgelenk führt.

1b) Die Patienten mit einer osseointegrierten Prothesenverankerung weisen verglichen mit gesunden Probanden ein Gangbild auf, welches zu einer erhöhten Belastung im kontralateralen Hüftgelenk führt.

2) Patienten, die mit einer osseointegrierten Prothesenverankerung versorgt sind, weisen ein symmetrischeres Gangbild auf als Patienten, die mit der konventionellen Schafttechnik versorgt sind und haben eine geringere Belastung im Hüftgelenk.

Zusätzlich sollen Verfahren zur Stumpfgestaltung mit dem klinischen Partner hinterfragt und optimiert werden. Daraus folgend soll ein Oberschenkelstumpf modellhaft erarbeitet werden, der optimierte Muskelansätze zur Energieaufwandsreduzierung aufweist. Langfristig ließe sich somit die Lebensqualität von betroffenen Patienten steigern und erhalten, weil z.B. die Entstehung von Arthrose bedingt durch eine erhöhte Belastung des kontralatralen Hüftgelenks abgeklärt werden kann.

Förderung seit 2017

Ansprechpartner: Dr. Bastian Welke

"Optimierung des Weichteil-Balancings bei Implantation totaler Knieendoprothesen"

Im Rahmen des vorliegenden DFG-Neuantrages sollen die Mechanismen und Funktionen einzelner Gelenkstrukturen des Knies im Bezug zum Weichteilbalancing anhand von in-vitro Versuchen erforscht und mit Hilfe von Computer-Simulationen ergänzt werden. Aufbauend auf bestehende Daten zur Stabilität, Steifigkeit und Weichteilhemmung einzelner Strukturen des Kniegelenkes aus der gegenwärtigen Literatur soll eine optimale, systematische Reihenfolge des Weichteil-Release erarbeitet und objektive Zielparameter des Weichteilbalancings bestimmt werden. Die Erkenntnisse aus der Literatur sollen durch strukturierte Geweberesektionsversuchen am Kniepräparat gefolgt Steifigkeitsuntersuchungen am Roboter ergänzt werden. Die aus der Literatur und den Experimenten gesammelten Informationen sollen zudem als Grundlage für die Entwicklung eines umfassenden muskuloskelettalen Mehrkörpermodells des Knies genutzt werden, mit dessen Unterstützung weitere Vorgehensweisen zum Weichteilbalancing im Rahmen des Projektes projiziert werden können. Dieses Projekt legt den Grundstein für eine modellbasierte, patientenspezifische Simulation des Soft-tissue-balancings aus dem ein Planungswerkzeug für die Knie-TEP in Folgeprojekten entwickelt werden kann. Dieses kann den Operateur dann bereits bei der OP-Planung mit Hilfe von automatisierten Mehrkörpersimulationen bezüglich des Weichgewebe-Releases mit Vorschlägen unterstützen und so zur Objektivierung des Weichteilbalancings beitragen.

Förderung seit 2015

Ansprechpartner: M.Sc. Manuel Ferle

"OMEGA - Optimierungsbasierte, muskuloskelettale Vorwärtssimulation des pathologischen Gangs"

Die Kenntnis von Bewegung und Belastung des menschlichen Körpers ist ein Kernpunkt in der Medizin, speziell in der Orthopädie und Unfallchirurgie. Moderne numerische Methoden der Mehrkörpersimulation haben ein Niveau erreicht, auf dem sie von großem Nutzen sind, um Belastungen in knöchernen und Weichgewebestrukturen zu berechnen. Meist basieren die Berechnungen auf zuvor gemessenen Bewegungen und externen Belastungen. Die Abhängigkeit von diesen Messungen ist bisher ihre größte Limitierung, da sich so keine Vorhersagen über Auswirkungen von krankhaften oder therapeutischen Änderungen in oder am menschlichen Körper auf Bewegung und Belastung treffen lassen.Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer neuen Generation von prädiktiven Vorwärtsdynamik Simulationen basierend auf der Berechnung von optimalen Bewegungen. Diese Technologie soll nun im medizinischen Kontext eingesetzt werden, um Behandlungsstrategien für den individuellen Patienten im Vorhinein bewerten und damit optimieren zu können. Solch eine Simulation könnte in der Zukunft die Medizin weg von einem rein empirischen Ansatz, der auf der Evolution von Behandlungsstrategien beruht, hin zu einer geführten Entwicklung von Behandlungen bringen.Zu diesem Zweck wird eine innovative muskuloskeletale Vorwärtssimulation entwickelt und im klinischen Kontext implementiert. Dazu wird sie zunächst in relativ simplen Szenarien, wie einer Knie-/Sprunggelenksversteifung mittels einer Orthese bei gesunden Probanden oder der Therapie einer Drop-foot- Pathologie, getestet und bewertet. Diese Szenarien wurden gewählt, da die Charakterisierung der Intervention gut bekannt ist. Es ist geplant, als Referenz zunächst Messungen im Ganglabor durchzuführen, die einen Status der Bewegung vor und nach der Intervention/Therapie aufzuzeichnen. Im Vergleich zu etablierten Methoden wie der Inversen Dynamik werden die prädiktiven Fähigkeiten der Vorwärtssimulation dann bewertet und optimiert. Im Zuge dessen wird auch ein klinisches Rahmenwerk geschaffen, um die Vorwärtssimulation im klinischen Kontext einsetzen zu können. Dies umfasst die Identifizierung von Parametern, die eine gegebene Pathologie und Intervention hinreichend beschreiben, und die Implementierung dieser Parameter in das Simulationsmodell.Die Ergebnisse dieses Projektes werden zur Verbesserung von individuellen Patientenversorgungen beitragen können. Besonders in Szenarien, in denen aufgrund von geringer Fallzahl oder hoher Individualität einer evidenzbasierte Medizin Grenzen gesetzt sind, kann prädiktive Vorwärtssimulation der Schlüssel zu einer erfolgreichen Therapie von Bewegungsabläufen sein. Das Projekt ist ein wichtiger Schritt dorthin und stellt den ersten Schritt im klinischen Umfeld dar.

Förderung seit 2016

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Christof Hurschler, M.Sc. Gilmar Fernades dos Santos

Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency 

DFG-Projekt "Einfluss muskulo tendinöser Stabilisatoren auf die Schulterstabilität vor und nach Implantation einer inversen Schultergelenksprothese"

Die Implantation einer inversen Schultergelenksprothese (ISP) ist als effektives Operationsverfahren zur Verbesserung der aktiven Schultergelenksbeweglichkeit und Schmerzreduktion bei Patienten mit einer Defektarthropathie etabliert. Allerdings kommt es aufgrund der defizitären muskulären Stabilisatoren bei einem erheblichen Anteil der Patienten zu einer postoperativen Prothesenluxation. Als Ursache für eine Instabilität der Schulter oder einem unzureichenden Bewegungsumfang nach Implantation einer ISP lassen sich potentielle Einflussfaktoren sowohl in der Ausrichtung der Prothesen-Komponenten als auch in der zugrunde liegenden Pathologie des Patienten, einem chronischen Rotatorenmanschettendefekt, begründen, der durch die Implantation nicht ursächlich behoben wird. Ein Kernproblem bei der medizinischen Versorgung von Patienten mit einer ISP bei einer residualen Rotatorenmanschette liegt in der mangelnden Informationslage bezüglich des vom Schädigungsmuster abhängigen Risikos zur Instabilität nach der Versorgung. Obwohl eine operative Versorgung von Patienten mit einer ISP gegenüber der Versorgung mit einer anatomischen Schulterprothese gute Ergebnisse liefert, fehlen dem Operateur noch immer Informationen über das optimale Weichteilmanagement bei der Behandlung von Patienten mit einer defizitären Rotatorenmanschette, um ein Maximum an Stabilität und Bewegungsumfang zu erzielen. Die zwei Hauptziele des vorliegenden Forschungsprojektes sind daher,

1. die Rolle der gelenkübergreifenden Weichteilspannung und insbesondere den Effekt einzelner muskulo-tendinöser Stabilisatoren auf die Stabilität der Schulter vor und nach Implantation einer inversen Schultergelenksprothese biomechanisch zu untersuchen.

2. das optimale Weichteilmanagement in Abhängigkeit vom patienten-individuellen Schädigungsmuster der muskulo-tendinösen Stabilisatoren zu ermitteln, um eine optimale Stabilität des Gelenkes sowie einen maximalen Bewegungsumfang nach einer prothetischen Versorgung zu erzielen.

Förderung seit 2016

Ansprechpartner: M.Sc. Manuel Ferle