In Fortsetzung des vorherigen Themas über Implantate und Prothesen schlug dieselbe wissenschaftliche Gruppe eine interessante Technologie für Laboruntersuchungen des Verhaltens eines orthopädischen Implantats unter Bedingungen vor, die dem menschlichen Körper so nahe wie möglich kommen. Die Studie kann in vitro durchgeführt werden, dh ohne Beteiligung von Labortieren.
Endoprothetik - Das Ersetzen eines beschädigten Gelenks oder Knochens durch eine High-Tech-Prothese ist eine komplexe Operation, bei der modernste Metall-, Keramik- und Polymermaterialien verwendet werden.
Jedes Material für das Implantat wird einer Reihe von Tests unterzogen, einschließlich der Biokompatibilität und des Verhaltens des Materials unter mechanischer Beanspruchung. Da sich die Ergebnisse solcher Studien unter traditionellen Laborbedingungen stark von den tatsächlichen Verschleißindikatoren unterscheiden, wird es zum Testen des Verhaltens des Implantats in einem lebenden Organismus in den Körper eines Labortiers implantiert. Nach einiger Zeit, normalerweise etwa einem Jahr, wird das Implantat entfernt und die Biokompatibilität und Alterung des Materials bewertet.
Wissenschaftler des Zentrums für Verbundwerkstoffe NUST „MISiS“ haben zusammen mit Kollegen der Technischen Universität Dortmund eine Technologie entwickelt, um den Verschleiß des Prothesenmaterials unter mechanischer Beanspruchung in einer realitätsnahen Umgebung vorherzusagen. Eine speziell synthetisierte Flüssigkeit, die menschliches Blutplasma simuliert, und eine servohydraulische High-Tech-Anlage ersetzten die experimentelle lebende Probe vollständig.
Als Forschungsmaterial wurde ein biomimetisches Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht verwendet, das von Wissenschaftlern des Zentrums für Verbundwerkstoffe von NUST „MISiS“ entwickelt wurde.
„Wir haben das Material bereitgestellt und die Verwendung von synthetischem Plasma vorgeschlagen. Unsere Kollegen von der Technischen Universität Dortmund haben die Technologie der Ermüdungsprüfung entwickelt und ein Experiment an ihren Geräten durchgeführt“, kommentiert Fedor Senatov, Ph.D. - Das Material wurde zwei Arten mechanischer Belastung ausgesetzt, wobei die Belastung des Femurs und der Tibia simuliert wurde: zyklisch und statisch. Dank dieses Experiments haben wir bewiesen, dass es möglich ist, das Verhalten eines orthopädischen Implantats in einem menschlichen Körper in vitro vorherzusagen, ohne auf Tierversuche zurückgreifen zu müssen. “
„Unser Wunsch war es, eine Alternative anzubieten, die die Anzahl der Tierversuche verringert, die unter dem Gesichtspunkt der Beurteilung der Ermüdungseigenschaften aus ethischer Sicht unwirksam und fragwürdig sind. Ein weiterer Aspekt war die Möglichkeit, eine neue Methode vorzuschlagen, mit der das Implantatmaterial im Labor auf Haltbarkeit getestet werden kann. In der globalen Praxis gibt es noch keine Standards für die Untersuchung der Ermüdungseigenschaften von Implantaten in einer biomimetischen Umgebung, was mit einem hohen Risiko für die Verwendung neuer Materialien verbunden ist. Wir arbeiten auf dem Gebiet der Testentwicklung, die es uns ermöglicht, die Lebensdauer des Materials genau vorherzusagen. Ähnliche Experimente wurden bereits von einer Gruppe von Professor Walter (Anmerkung - der Leiter der Forschungsgruppe von deutscher Seite) für Metall- und Keramikimplantate durchgeführt. Dieses Experiment ist einzigartig für Polymere und hat keine weltweiten Analoga “, sagt Marina Knyazeva, Vertreterin der Forschungsgruppe der Technischen Universität Dortmund.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der von Wissenschaftlern vorgeschlagenen Forschungstechnologie ist die Zeitersparnis. Wenn die Beurteilung der chemischen Alterung eines Implantats in einem lebenden Organismus etwa ein Jahr dauern würde, wären für Haltbarkeitstests mehrere zehn Jahre erforderlich. In-vitro-Bedingungen können den Prozess der chemischen Alterung und des chemischen Verschleißes erheblich beschleunigt werden. Wenn die Indikatoren für Materialverschleiß nicht zufriedenstellend sind, wird dies schnell bekannt und es wird möglich sein, Experimente mit anderen Proben fortzusetzen.
Es ist jedoch noch zu früh, um über die völlige Aufgabe der Rolle von Labortieren bei der Prüfung von Materialien für die Prothetik zu sprechen.
„Mit unserer Technologie können wir mehrere Materialien gleichzeitig vergleichen, ohne sie an Tieren testen zu müssen. Wenn jedoch das optimalste Material aus der Liste gefunden wird, muss es in vivo getestet werden - in lebenden Organismen. Dies ist in erster Linie auf die Notwendigkeit zurückzuführen, die Biokompatibilität des Materials sowie seine orthopädischen Parameter zu überprüfen. Schließlich können Patienten auf eine Vielzahl von Merkmalen des Bewegungsapparates stoßen “, erklärt Fedor Senatov.
Daher schlagen Wissenschaftler eine umfassende Technologie zur Untersuchung des Verhaltens des Implantats vor, bei der Experimente zur beschleunigten Alterung in vitro die Lebensdauer eines potenziellen Implantats vorhersagen und nachfolgende In-vivo-Tests dessen Biokompatibilität bestimmen.
Der Originalartikel ist im
Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials zu finden .