Projekte

Arthrose gehört zu den am weitesten verbreiteten chronischen Erkrankungen der älteren Bevölkerung. Allein in Deutschland sind rund fünf Millionen Menschen betroffen – der größte Teil davon an Hüfte und Knie. Im letzten Krankheitsstadium, wenn im Gelenk Knochen auf Knochen reibt, verbleibt Betroffenen meist nur die Implantation künstlicher Gelenke, sogenannter Endoprothesen.

Prototyp mimt menschliches Knorpelgewebe

Eine Alternative zu Endoprothesen können naturnahe, elastische Überzüge für den Hüftkopf sein: In dem auf drei Jahre angelegten Projekt MioHIP strebt die revomotion GmbH Köln seit Juni 2016 gemeinsam mit Fraunhofer UMSICHT und der Orthopädischen Klinik der RWTH Aachen die Entwicklung eines solchen Produkts an. Basierend auf einem biomedizintechnischen Gesamtkonzept und einer zum Patent angemeldeten Technologie der revomotion wird der Hüftkopfüberzug unter Berücksichtigung verschiedener Lastszenarien konstruiert. Auch die anatomischen Unterschiede von Männern und Frauen sollen beim Design des Prototyps eine Rolle spielen. Das Material des Überzugs, ein speziell entwickeltes Polyurethan der revomotion, soll ähnliche elastische Eigenschaften wie menschliches Knorpelgewebe aufweisen. Dafür modifiziert ein Team von Fraunhofer UMSICHT die Polymere so, dass eine biomimetische Oberfläche erzeugt und die Verträglichkeit des Materials für den menschlichen Körper erhöht wird.

Mit dem biomimetischen Ansatz soll zu einer qualitativen und nachhaltigen Verbesserung der medizinischen Versorgung in der Orthopädie beigetragen werden. Auf diese Weise soll MioHIP helfen, dass viele ältere Menschen, die unter Arthrose leiden, ihre alltäglichen Aktivitäten wieder selbstständig ausführen können – ohne die Risiken künstlicher Prothesen auf sich nehmen zu müssen.

MioHIP wird im Rahmen des Leitmarktwettbewerbes LifeSciences.NRW gefördert. Dieser adressiert hoch aktuelle Segmente der medizinischen Versorgung, die eine zentrale Rolle für eine nachhaltige und zukunftsweisende Entwicklung unseres Landes spielen.

Projektpartner:

  • revomotion GmbH Köln
  • Fraunhofer UMSICHT
  • Uniklinik RWTH Aachen

 

Das Ziel des Projektes ist es, im vorwettbewerblichen Bereich der medizintechnischen Forschung und Entwicklung grundlegende Konzepte für die sichere dynamische Vernetzung von Komponenten in OP-Saal und Klinik auf Basis eines offenen Standards zu erarbeiten, zu evaluieren und mit derzeitigen nationalen und internationalen Normungsaktivitäten zu synchronisieren. Die Vernetzung computergesteuerter Medizingeräte im OP untereinander und die Interaktion dieser Geräte mit medizinisch zugelassener Software ist eine besondere Herausforderung an die Informations- und Kommunikationswirtschaft im medizinischen Applikationsumfeld.

Speziell ausgewählte NRW-Unternehmen werden im Rahmen des Projekts ein integriertes OP-System inklusive zentraler (chirurgischer) Arbeitsstation entwickeln. Ziel ist die Etablierung eines NRW-Netzwerks zur nachhaltigen Weiterentwicklung und Verstetigung der verwendeten Technologien und Standards. Am Standort Aachen werden projektrelevante (Produkt-)Entwicklungen erstmals zum Aufbau eines Referenz-, Ausbildungs-, Test- und Demo-Zentrums führen.

Konsortium

Das ZiMT Konsortium setzt sich aus öffentlichen Fördermittelgebern, Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen zusammen:

Projektpartner:

  • Lehrstuhl für Medizintechnik
  • SurgiTAIX AG
  • steute Schaltgeräte GmbH & Co. KG
  • Beger Design
  • Localite GmbH
  • Klinik für Neurochirurgie, Uniklinik RWTH Aachen
  • Klinik für Orthopädie, Uniklinik RWTH Aachen
  • Klinik für Klinik für Hals-, Nasen-, Ohrenheilkunde und Plastische Kopf- und Halschirurgie, Uniklinik RWTH Aachen

Assoziierte Partner:

  • Drägerwerk AG & Co. KG
  • EIZO Europe GmbH
  • Ilara GmbH
  • Institut für Softwaretechnik und Programmiersprachen - ISP IT4process GmbH
  • März Internetwork Services AG
  • Maquet GmbH
  • Möller-Wedel GmbH
  • Open Connections GmbH
  • qcmed GmbH
  • Schmitz und Söhne GmbH & Co.
  • KG Söring GmbH
  • UniTransferKlinik Lübeck
  • VDE Prüf- und Zertifizierungsinstitut

 

In Deutschland wurden 2009 über 180.000 primäre Knieendoprothesen eingesetzt. Zwei von drei Kniegelenkersatzoperationen betreffen Frauen, wobei erst in jüngster Zeit Implantate entwickelt wurden, die zumindest die durchschnittlichen anatomischen Verhältnisse der Kniegelenke von Frauen bzgl. Größe und Form berücksichtigen. Mit der Erkenntnis, dass der Erfolg einer Gelenkrekonstruktion maßgeblich mit der Berücksichtigung der individuellen Knochen- und Weichgewebesituation einhergeht, wurde zunehmend der Einsatz der Navigation, die eine individualisierte Implantatlage ermöglicht, gefördert und erforscht. Aufbauend auf diese mittlerweile etablierten Technologien wird nun eine personalisierte Planung individuell angepasster Implantate von zunehmendem Interesse. Durch eine optimierte Planung könnte neben Knochen- und Knorpelstrukturen auch die individuelle Weichgewebesituation biomechanisch berücksichtigt und das Potential personalisierter Knieimplantate hinsichtlich Form und Funktion voll genutzt werden. Hiermit würde für Frauen und Männer gleichermaßen das jeweils individuell optimale Implantat realisierbar. Ziel des Projektes ist es, weitere Erkenntnisse in den bildbasierten Planungen und modernen Fertigungstechnologien zu erlangen und diese Methoden weiter zu entwickeln. Hierzu bringen mehrere Projektpartner ihre spezielle Expertise in das Kooperationsprojekt ein.

In diesem Forschungsprojekt werden die biomechanischen Eigenschaften von zellulären Knorpelersatzmaterialien theoretisch, numerisch und experimentell untersucht. Das Ziel ist die klinische Eignung von künstlichem Material zu beurteilen und zu optimieren. In Zusammenarbeit mit dem Institut für allgemeine Mechanik ein Knieprüfstand entwickelt. Hierbei wird der Abdruck eines Kniegelenkes mit einem künstlichen Knorpelbelag überzogen, in denm definierte Defekte gesetzt werden können. Artikuläre Knorpelzellen werden in unterschiedliche Knorpelersatzmaterialien eingebracht und kultiviert. Nach einer definierten Kulturzeit können die gezüchteten Knorpelgewebe dann, nachdem sie in die Defekte eingebracht wurden, unter Simulation eines physiologischen Gangzyklus über unterschiedliche Zeitpunkte in dem Prüfstand getestet werden. Im Anschluss an die Belastungszyklen können die Proben biomechanisch, biochemisch und histologisch analysiert werden. Anhand der gewonnen Daten können Simulationen zur Gewebebeschaffenheit durchgeführt werden.

Die Kinematik des Kniegelenkes spielt eine entscheidende Rolle für das Verständnis und die Entstehung von pathologischen Veränderungen des Kniegelenkes. Ziel des Projektes ist daher, mit einem speziellen elektromagnetischen Tracking die Kinematik des Kniegelenks unter physiologischen und pathologischen Bedingungen zu analysieren. Nach simulierten operativen Eingriffen wird die Wiederherstellung der physiologischen Gelenkkinematik mit einem 6DoF (Degrees of Freedom) Tracking überprüft.

In diesem Projekt wird ein biomechanischer Testaufbau entwickelt, der mit aktiven Muskelkräften die natürliche Bewegung des Schultergelenks simulieren kann. Weiter werden die gemessenen resultierenden Kräfte im Glenoid mittels Kraft-Momenten-Sensorik detektiert. Dieser Testaufbau soll dafür verwendet werden, anschließend verschiedene orthopädische Fragestellungen zu bearbeiten, um bestehende Therapieansätze zu evaluieren und zu optimieren.

Im Rahmen dieses Projektes soll eine experimentelle Untersuchung von  unterschiedlichen Therapieansätze bzw. der operativen Einflüsse von additiven, subtraktiven und verschiebenden Osteotomien am Fuß im Kontext der Bewegungs- und biomechanischen Analyse durchgeführt werden. Ziel ist es, der anhand experimentell und mittels Modellierung gewonnener Daten, eine Modell-gestützte Therapieplanung und Realisierung in den klinischen Alltag zu integrieren.

Im Kontext dieses Projektes zur primären Hüftendoprothesenversorgung soll eine Biomechanik-basierte Therapieplanung eine patientenspezifische Implantatpositionierung und -orientierung ermöglichen. Diese Anforderungen könnten mit Hilfe der Navigation intraoperativ umgesetzt werden und somit eine individualisierte Versorgung gewährleisten. Weiterhin soll dieser Forschungsansatz der Qualitätsdokumentation und –sicherung dienen.

Mit der Methode des Elektrospinnings ist es möglich künstliche Gewebegeflechte aus Polymerlösungen herzustellen. Ziel in diesem Projekt ist, die hergestellten dreidimensionalen Zellträger weiter zu optimieren und zur Zellkultivierung und biomechanischen Stimulation der Zellen und Gewebe zu nutzen. Dies soll durch eine  Parameteroptimierung bspw. wie angelegte Spannung, Viskosität der Polymerlösung etc. erreicht werden, da diese einen maßgeblichen Einfluss auf die Struktur der Zellträger haben.

Die Herstellung lebenden Gewebes für spätere Verwendung beim Patienten durch Kultivierung von Zellgewebe in-vitro ist ein an Bedeutung gewinnendes Arbeitsgebiet in der regenerativen Orthopädie. Für die Zellkultivierung unter definierten Bedingungen werden spezielle medizintechnische Geräte benötigt. Ein aktuelles Forschungsziel ist, das Wachstum von Zellkulturen auf dreidimensionalen Zellträgern unter wohldefinierter, unidirektionaler mechanischer Belastung und verträglichen Umgebungsbedingungen zu untersuchen. Hierzu wird eine hierfür geeignete mechanische Kompressionsapparatur entwickelt und eingesetzt.

Die vorherrschende Kraft im Tibiaplateau stellt einen interessanten biomechanischen Parameter zur Optimierung bei der Implantation von Knieprothesen dar. Hierbei wird eine Messsensorik entwickelt, die es erlaubt, zukünftig intraoperativ Informationen für den Operateur zu generieren, um eine differenziertere Positionierung und Orientierung des Implantats zu gewährleisten. Auch eine Einstellung in Bezug auf die optimale Bandspannung soll dadurch ermöglicht werden.