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In der Orthopädie sowie der Kiefer- und Oralchirurgie werden häufig Implantate verwendet, die meist aus Metalllegierungen bestehen. Beim Einsetzen wird üblicherweise erst ein Loch in den Knochen gebohrt, in das das Implantat gedrückt und zunächst durch Belastung (Druck) gehalten wird. Für eine erfolgreiche Behandlung muss der Knochen um das Implantat herum heilen und es so sicher an Ort und Stelle halten.
„Wenn alles gut verläuft, dann verbleibt das Implantat sehr lang an der richtigen Stelle – möglicherweise für immer“, erklärt Guillaume Haiat, Forschungsdirektor am CNRS und Projektkoordinator von BoneImplant. „Falls nicht, gerät man in eine Art Teufelskreis, denn ohne eine gute Genesung wird die Oberfläche nicht hart, sodass zwischen Knochen und Implantat Mikrobewegungen stattfinden“, sagt er. Diese Bewegungen verhindern die Heilung und letztendlich muss das Implantat entfernt werden.
Im Rahmen des Projekts BoneImplant, finanziert über den Europäischen Forschungsrat (ERC), leitete Haiat ein Forschungskonsortium, das Quantifizierungsmethoden zur Überwachung des Erfolgs von Implantaten entwickelte. Die Forschung war auf praktische Auswirkungen für Betroffene ausgelegt und die Projektergebnisse führten zur Ausgründung von zwei neuen Biomedizin-Start-ups.
Modellierung, Operation und Quantifizierung
Das Team erstellte zunächst anhand verschiedener Verfahren der Computermodellierung komplexe Simulationen von Implantaten. Das beinhaltete die Analyse von Fluiddynamiken in nanoskopischen Hohlräumen, also winzigen Löchern im Knochen, die für die Knochenheilung von entscheidender Bedeutung sind. Diese Dynamiken werden auch Remodellierungsphänomene bezeichnet.
„Die präzisen Mechanismen dieser Remodellierung sind noch weitestgehend unbekannt. Wir wissen jedoch, dass Flüssigkeitsströme in diese Hohlräume damit zu tun haben, denn so spüren die Zellen die Belastung durch das Implantat und reagieren darauf“, erklärt Haiat.
Da das Projekt über wissenschaftliche Erkenntnisse hinaus auch praktische Auswirkungen haben sollte, führten die Forschenden eine direkte Überwachung von Implantaten durch experimentelle Operationen durch. Bei diesen Eingriffen kam eine neue Art Implantat zum Einsatz, die nur für diese Experimente konzipiert wurde und die Form einer Münze hatte.
„Wir schufen auf relativ einfache und reproduzierbare Weise eine standardisierte Situation für die Messungen. Das ist wichtig, wenn man verstehen will, was passiert“, merkt Haiat an.
Im dritten Teil des Projekts arbeitete das Team an multimodalen Verfahren für experimentelle Messungen, um Daten aus den frisch eingesetzten Implantaten zu bemessen und zu extrahieren. Diese Arbeit umfasste Neutronen-Mikrotomographie, Raman-Spektroskopie sowie eine Innovation des BoneImplant-Projekts: „Wir haben erstmals Ultraschall verwendet, um die Oberfläche eines Knochenimplantats zu untersuchen“, ergänzt Haiat.
Gründung neuer Start-up-Unternehmen
„In diesem Projekt ging es über die grundlegende Wissenschaft hinaus direkt in die Behandlung“, berichtet Haiat. „Wir haben also Unternehmen und Medizinprodukte entwickelt, um die Patientengesundheit tatsächlich zu verbessern und personalisierte Medizin zu bieten.“
Die Projektergebnisse führten zu zwei Ausgründungen. WaveImplant besteht bereits seit ein paar Jahren und erstellt Medizinprodukte, mit denen mittels quantitativem Ultraschall die Stabilität von Zahnimplantaten gemessen werden kann. Das System kann verwendet werden, um zu entscheiden, wie Operationen angepasst werden müssen. Klinische Studien am Menschen sollen nächstes Jahr stattfinden.
Ein jüngeres Unternehmen, ImpacTell, wurde im November 2022 gegründet. Dieses Start-up verwendet innovative akustische Methoden aus dem Projekt, um die Stabilität von Hüftimplantaten zu messen. Beim Einsetzen der Implantate orientiert man sich an bestimmten Geräuschen, die anzeigen, dass ein Implantat stabil sitzt – auch die eigene Propriozeption spielt eine wichtige Rolle. „Mit unserem Produkt kann dieses Gefühl quantifiziert werden“, fügt Haiat hinzu. Die klinischen Studien sind für 2025 angesetzt.
Anregung internationaler Kollaborationen
BoneImplant war ein internationales Projekt in Zusammenarbeit mit Forschenden aus vielen Ländern, darunter Korea und Frankreich. Über den ERC wurde ein Stipendiat aus Südkorea in Haiats Labor eingestellt, was zu einem weiteren Projekt führte, das gemeinsam von der französischen und koreanischen Regierung finanziert wird.
Und dank der Unterstützung der EU und dem Erfolg des Projekts leitet Haiat jetzt ein französisch-kanadisches Labor mit über 50 Forschenden, die weiter am BoneImplant-Projekt arbeiten. „Das habe ich dem ERC und der europäischen Anerkennung zu verdanken“, schließt Haiat.