Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1382
Main Title: Biomechanik und Mechanobiologie in der Regeneration osteochondraler Defekte im Kniegelenk
Translated Title: Regeneration of osteochondral defects - Biomechanics and Mechano-biology
Author(s): Kleemann, Ralf
Advisor(s): Lauster, Roland
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Trotz der erreichten Fortschritte in der Versorgung von traumatischen Verletzungen stellt die Therapie osteochondraler Defekte im Kniegelenk weiterhin eine klinische Herausforderung dar. Der Ansatz, den mechanischen Einfluss auf die Regeneration von Knochen und Knorpel mit einzubeziehen, soll neue Erkenntnisse über die Wechselwirkung von Mechanik und Biologie in der Regeneration osteochondraler Defekte ermöglichen. Das Ziel dieser Arbeit war, den Einfluss strukturell und mechanisch unterschiedlicher Versorgungen osteochondraler Defekte auf den Regenerationsverlauf und die mechanische Qualität des regenerierten Knorpels mit Hilfe eines speziell zu entwickelnden Materialsprüfstand im ovinen Kniegelenk zu untersuchen. Bei 48 Merinomix-Schafen wurde je Femurkondyle des linken Hinterbeins ein osteochondraler Defekt gesetzt, von denen einer versorgt und der zweite als Kontrolle leer belassen wurde. Als Referenzverfahren wurden die Defekte mit autologen Knorpel-Knochenzylindern versorgt. Zur Untersuchung des strukturellen Einflusses der subchondralen Defektfüllung auf die Regeneration wurden Spongiosacluster eingebracht und mit einer Kollagenmembran verschlossen. Zur Untersuchung des mechanischen Einflusses der subchondralen Defektfüllung auf die Regeneration wurden die Defekte mit biodegradierbaren PLGA-Scaffolds unterschiedlicher mechanischer Qualität versorgt. Post mortem wurden die visko-elastischen Knorpeleigenschaften des gesunden, transplantierten und regenerierten Gelenkknorpels mit einer speziell entwickelten, hochpräzisen Materialprüfmaschine gemessen. Ferner wurden die Präparate histologisch, histomorphometrisch und immunhistochemisch beurteilt und verglichen. Im Ergebnis zeigte sich nach autologem Transfer (Referenzverfahren) ein signifikanter Verlust in der mechanischen Kompetenz des transplantierten Knorpels. Obwohl zeitgleich degenerative, prä-arthrotische Prozesse im Knorpel und Knochen (Sklerosierung) beobachtet wurden, war dieses reparative Verfahren allen anderen Versorgungen überlegen. Die strukturell minderwertige Versorgung mit Spongiosaclustern zeigte insgesamt eine verzögerte Regeneration. Der transplantierte Knochen wurde zunächst bindegewebig ersetzt, bevor sich neuer Knochen bilden konnte. Mechanisch und histologisch war die Regeneration der Spongiosacluster vergleichbar mit der Regeneration der unversorgten Defekte. Unterschiede in der mechanischen Qualität von PLGA-Scaffolds hatten einen Einfluss auf den Verlauf, jedoch nicht auf das Ergebnis der Regeneration hinsichtlich mechanischer Kompetenz des regenerierten Knorpels. Zusammenfassend scheinen strukturell und mechanisch unterschiedliche subchondrale Versorgungen eher den Heilungsverlauf osteochondraler Defekte (i.e. Geschwindigkeit, Gewebeanteile) zu beeinflussen, als die mechanische und histologische Qualität des regenerierten Ersatzknorpels.
Cartilage and subchondral bone are both responsible for the normal function of the knee joint by providing a very low friction articulation and load distribution. The integrity and structure of these tissues is altered by traumatic or degenerative processes. Current surgical treatments focus on the regeneration, repair or replacement of the cartilage surface whereas the restoration of bony defects on the healing of osteochondral defects has not been investigated so far. It is hypothesized that the mechanical quality of the subchondral bone plays an important role for the regeneration of osteochondral defects. Therefore, the aim of the study was to investigate the influence of mechanical conditions on the regeneration of osteochondral defects. The quality of the regenerated cartilage by means of composition and mechanical properties is influenced by the mechanical competence of the restored subchondral bone. The mechanical quality of cartilage has to be determined with a custom developed materials testing device. Osteochondral defects were created in each femoral condyle of the left knee in each of 48 mature Merino-mix sheep. The defect was filled either at the lateral or medial side randomly with one of the treatments, while the contralateral side was left empty and serves as control. As a reference, the defects were filled with osteochondral autografts. In order to investigate the influence of structural properties, the defects were treated with crushed spongiosa covered with a collagen-membrane. Finally, a hard and soft PLGA scaffold was implanted to analyse the effect of implant stiffness on osteochondral regeneration. Post mortem, healthy, regenerated and transplanted cartilage was tested using a high precision materials testing device. Further, the specimens underwent a histological, immunhistochemical and histomorphometrical analysis. The results showed that the osteochondral transplanted group was superior in the quality of the cartilage and bone to all other groups. However, degenerative pre-arthrotic changes at cartilage and bone were observed, and consequently the long-term performance of the treated area appears to be questionable. The crushed spongiosa group showed a delayed regeneration by means of incomplete filling of bone and segments of fibrous cartilage. The crushed bone was mainly replaced by connective tissue, before enchondral ossification appeared. Overall, the mechanical and histological quality of the spongiosa-cluster treated defects was comparable to the non-treated defects. Although differences in mechanical quality of PLGA scaffolds influenced the process of regeneration, they had only a small effect on the mechanical quality of regenerated cartilage. In conclusion, different structural and mechanical implant qualities influenced the velocity of regeneration and tissue distribution in osteochondral defects, while the mechanical and histological quality of the regenerated cartilage seemed to be less affected.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-13163
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1679
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1382
Exam Date: 15-Jun-2006
Issue Date: 23-Jun-2006
Date Available: 23-Jun-2006
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Biomechanik
Knorpelmechanik
Mechanobiologie
Osteochondrale Defekte
Regeneration
Scaffolds
Biomechanics
Cartilage mechanics
Osteochondral defects
Regeneration
Scaffolds
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