Das Wissenschaftlerteam des kleinen innovativen Unternehmens Biomimetix, das die Entwicklung von NUST MISiS zum ersten Mal weltweit erfolgreich umsetzt, hat erfolgreich eine biomimetische Hybridprothese aus einer Polyethylen- und Titanlegierung mit ultrahohem Molekulargewicht in einen Femur implantiert, der die Struktur eines Knochens imitiert. Die erfolgreiche Operation wurde von einer der Moskauer Veterinärkliniken MedVet in Auftrag gegeben.
Die Operation zur Implantation einer experimentellen biomimetischen Prothese (ähnlich der Struktur des Gewebes eines lebenden Organismus) für einen Hund, der an einem Osteosarkom des Femurs leidet, wurde im August 2018 erfolgreich durchgeführt. Nach einigen Tagen konnte das Tier wieder laufen, und Prognosen zufolge wird sich die Mobilität bald vollständig erholen.
Osteosarkom (osteogenes Sarkom) ist ein schnell wachsender Krebstumor, dessen Zellen aus Knochengewebe stammen, was zu seiner allmählichen Zerstörung und dementsprechend zu einem Verlust der Mobilität führt. Osteosarkom ist die häufigste Art von Knochentumor bei Menschen und Tieren.
Die Behandlung umfasst notwendigerweise eine Chemotherapie und eine Operation, um das betroffene Gewebe zu entfernen. Fortschrittliche Technologien ermöglichen die Durchführung einer organerhaltenden Operation. In diesem Fall wird anstelle des entfernten Teils des Knochens ein Metall-, Keramik- oder Polymerimplantat eingesetzt. Trotz der Tatsache, dass solche Prothesen die Mobilität wiederherstellen können, unterscheiden sie sich in ihrer Struktur stark vom Knochengewebe, und dies kann zu einer Reihe erheblicher Schwierigkeiten führen.
Abb. 1 - Röntgenaufnahme der Hinterhand des Tieres vor der Operation. Osteosarkom betrifft fast 11 cm Knochengewebe.„Herkömmliche Materialien für die medizinische Prothetik weisen eine Reihe erheblicher Nachteile auf: Beispielsweise nehmen Titanimplantate zu viel Belastung für Knochen auf, und letztere beginnen sich zu verdünnen. In dieser Situation kann der Knochen an der Verbindung mit der Prothese brechen. Keramik ist eine weitere Option, aber sie ist zerbrechlicher, was die Größe des ersetzten Knochens einschränken kann. Darüber hinaus erlaubt die Struktur dieser Materialien nicht, dass sie mit dem Knochen „zusammenwachsen“ - eine ständige enge Fixierung ist erforderlich “, erklärt Fedor Senatov, Generaldirektor von Biomimetix, Forscher am Zentrum für Verbundwerkstoffe von NUST MISiS.
Das Biomimetix-Team entwickelt seit mehreren Jahren biomimetische Implantate. Wissenschaftler arbeiten mit Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht - einem bewährten biokompatiblen Material -, modifizieren es jedoch auf einzigartige Weise und verleihen Implantaten die gewünschte Struktur. Dies ist die weltweit erste Erfahrung bei der Herstellung biomimetischer Prothesen aus einem solchen Polymermaterial.
Abb. 2 - Röntgenbild des Hinterbeins des Tieres nach Implantatinsertion.
Im Auftrag des MedVet-Netzwerks von Veterinärzentren entwickelte das Biomimetix-Team im August dieses Jahres eine experimentelle biomimetische Femurprothese für einen Hund mit Osteosarkom.
„Da sich herausstellte, dass der Hund groß war - der Mastiff, der sich daran gewöhnt hatte, sich aktiv zu bewegen, und es ungefähr 11 cm dauerte, um den Knochen zu entfernen, wurde beschlossen, die Prothese hybrid zu machen. Auf einem Titanrohr, das von unseren Partnern Konmet im 3D-Druck hergestellt wurde, bauten wir eine Schicht aus durchgehendem Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht auf, und das Innere bestand aus porösem Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht, das mit der Struktur des schwammigen Knochens identisch war. Während der Operation wurde ein Teil der Beschichtung abgeschnitten, um das Implantat an den Knochen anzupassen. Einige Tage nach der Operation konnte der Hund vollständig laufen. Wenn die Fusion des Polymers mit dem Knochengewebe erfolgreich ist, können die Fixierplatten nach einiger Zeit entfernt werden “, sagt Fedor Senatov.
Abb. 3 - Implantate mit einer titanverstärkenden Komponente, einem "schwammigen" Polymerkern und einer "kortikalen" Polymerhülle.„Meine Kollegen und ich haben erfolgreich eine Prothesenoperation durchgeführt. Das Implantat ist stark, seine Größe entspricht dem Gewicht des Hundes und der Größe des Knochens. Langzeitergebnisse sind hier wichtiger, damit das Implantat implantiert wird und in den Knochen hineinwächst. Dann wird es große Fortschritte geben, aber es braucht Zeit. Während wir den Hund beobachten, wird er derzeit einer Chemotherapie unterzogen “, sagt der Chefarzt von MedVet, Ph.D. Ilya Vilkovsky.
Laut den Entwicklern dauerte die Vorbereitung 2 Wochen. In dieser Zeit:
- Entwicklung des Implantatdesigns für Röntgen,
- 3D-Modellierung
- Durchführung von Computersimulationen,
- Entwicklung technischer Lösungen zur Änderung der Technologie zur Herstellung eines Hybridimplantats;
- Erhalt von Testproben,
- Durchführung mechanischer Prüfungen,
- Herstellung des endgültigen Implantats.