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AG Reifenrath „Biodegradable und bioaktive orthopädische Implantate“

Leitung:

PD Dr. med. vet. Janin Reifenrath
FTA für Versuchstierkunde

Stellv.Leitung:

PD Dr. rer. nat. Elmar Willbold

Mitarbeiter:

Dr. med. vet. Nina Angrisani
Marie-Luise Schröder (Tierärztin)
Hilke Catherina Janßen (Tierärztin)
Diana Strauch (Biologielaborantin)
Mattias Reebmann (BTA)
Maike Haupt (VMTA)

Orthopädische Implantate werden täglich in der klinischen Routine verwendet, z.B. bei der Versorgung von Knochenbrüchen, Fehlstellungen oder als Gelenkersatz. Dennoch können bei der Nutzung von Implantaten verschiedenste Schwierigkeiten auftreten, wie z.B. Fremdkörperreaktionen des Körpers auf das Material, Knochenabbauprozesse aufgrund von Lastabschirmung oder Implantat-assoziierte Infektionen. Diese oder andere Komplikationen machen eine Implantatentfernung häufig unumgänglich, was mit einer hohen Patientenbelastung verbunden ist.

Forschungsschwerpunkte: Abbaubare Implantate und Implantat-assoziierte Infektionen

Es gibt zwei große Schwerpunkte der Forschungsgruppe „Biodegradable und bioaktive orthopädische Implantate“. Einerseits wird an der Entwicklung abbaubarer („biodegradabler“) Implantatmaterialien geforscht, die grundsätzlich eine Implantatentfernung nach einer Ausheilung unnötig machen. Andererseits werden neue Konzepte zur besseren Einheilung von Geweben und Materialien erschlossen sowie an der Vermeidung von Implantatinfektionen durch Prüfung modifizierter („bioaktiver“) Oberflächen und der Evaluation neuer Therapiestrategien gearbeitet. Dabei werden auch zentrale Fragen der mechanischen Stabilität und der Verträglichkeit untersucht. Ziel der Forschungsarbeiten sind optimierte orthopädische Implantatmaterialien und damit eine verbesserte Patientensicherheit und -Lebensqualität.

Im Rahmen einer Vielzahl von Projekten, die von verschiedenen Drittmittelgebern gefördert wurden, u.a. von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 599 „Zukunftsfähige bioresorbierbare und permanente Implantate aus metallischen und keramischen Werkstoffen“, konnte ein breites Methodenspektrum entwickelt und etabliert werden. So können Implantate präklinisch sowohl auf ihre Verträglichkeit als auch auf ihre Funktionalität geprüft werden.

Dabei kommen zum einen in vitro Verfahren zur Untersuchung des Degradationsverhaltens neuer abbaubarer Materialien und Zellkultur-Testsysteme zur Evaluierung der Zytotoxizität zum Einsatz. Zum anderen erfolgt die Prüfung der notwendigen Funktionsbeständigkeit von Implantaten mittels biomechanischer Methoden wie Zug- und Biegeversuchen sowie zyklischer Testverfahren. Weiterhin sind eine Vielzahl spezifischer Tiermodelle für die präklinische Prüfung in vivo etabliert. Zur Auswertung werden bildgebende Verfahren ebenso verwendet wie diverse histologische Methoden. Als Nicht-invasive Nachweismethoden können neben einem Fluoreszenz Imaging System zur in vivo Untersuchung von Entzündungsreaktionen oder pH-Wertverschiebungen im Kleintier in Kooperation mit dem Institut für Versuchstierkunde der MHH ein in vivo Mikro-CT-Scanner und ein hochauflösender Magnet-Resonanz-Tomograph genutzt werden. Damit können beispielsweise fortschreitender Implantatabbau oder knöcherne Integration zu unterschiedlichen Zeitpunkten quantitativ erfasst werden.

Neben gängigen histologischen Untersuchungstechniken einschließlich der Fluoreszenzmikroskopie wird die Konfokale Laser-Scanning Mikroskopie in Zusammenarbeit mit der Zentralen Forschungseinrichtung für Lasermikroskopie der MHH für die Untersuchung von Implantatoberflächen genutzt.

Im Bereich der Implantat-assoziierten Infektionen werden derzeit prophylaktische und therapeutische Ansätze verfolgt. Im Bereich der Prophylaxe soll über die Veränderung von Oberflächeneigenschaften der Implantatmaterialien z.B. durch Laserstrukturierung das Einwachsverhalten in die knöcherne Umgebung verbessert und gleichzeitig das potentielle Anhaften und Wachstum von bakteriellen Krankheitserregern vermieden werden. Die bakterielle Besiedlung der Implantatoberfläche kann über konfokalmikroskopische Untersuchungen dargestellt und quantifiziert werden. In Kooperation mit dem Laserzentrum Hannover und anderen AGs im NIFE wird nach geeigneten Oberflächen gesucht und diese dann in geeigneten Infektionsmodellen (v.a. S. aureus) getestet. 

Im Bereich neuartiger therapeutischer Ansätze steht ein Verfahren im Forschungsfokus, bei welchem an Nanopartikel gebundene Chemotherapeuthika gezielt am gewünschten Wirkort, der Implantatoberfläche, akkumuliert werden können. So sollen einerseits die Gefahr von Nebenwirkungen durch systemische Gaben zu verringert und andererseits die therapeutisch notwendige Konzentration vor Ort sicher erreicht werden. Für die Akkumulation der Nanopartikel wird ein elektromagnetisches Feld im Implantationsbereich genutzt. Ziel dieses Verfahrens ist es, bei einer später auftretenden Infektion zu einem beliebigen Zeitpunkt nach der Implantation eine Therapieoption zu schaffen, die eine Implantatentfernung vermeidet.

Abstrich von einem infizierten Implantat auf einer Blutagarplatte, Wachstum von α-hämolysierenden Kolonien von S. aureus (A); Konfokalmikroskopische Aufnahmen von einer Implantatoberfläche mit und Biofilmformation (B); histologisches Präparat aus der Implantatumgebung mit sichtbaren Bakterien (Pfeil), HE gefärbt

Dienstleistungen und Kooperationen

In-vitro-Tests

  • Eudiometrie

  • Degradationsratenbestimmung in vitro von abbaubaren Materialien

  • Biomechanische Testung von Implantaten:

    • nach spezifischen Intervallen

    • im zyklischen Testsystem

  • Enzymaktivitätsbestimmungen

  • Proteinbestimmungen

  • Zellkulturtestverfahren

Präklinische Prüfung von Materialien in verschiedenen Tiermodellen

  • Klinische Auswertung

  • Radiologische Auswertung

  • Mikro-computertomographische Auswertungsverfahren

  • Magnetresonanz-tomographische Auswertungsverfahren

  • Konfokalmikroskopische Untersuchungstechniken von Implantatoberflächen

  • In vivo Fluoreszenzmarkierungen von Knochenumbauprozessen

Histologie

  • Histologische Bearbeitung aller Weich- und Hartgewebe

  • Einbettung in Paraffin und Herstellung von Paraffinschnitten (Weichgewebe)

  • Einbettung in Technovit 9100 und Herstellung von Technovitschnitten (Hartgewebe)

  • Herstellung von Trenn-/Dünnschliffen

  • Klassische histologische Färbungen mit Farbstoffen

  • Antikörperfärbungen

  • Enzymhistochemische Färbungen

  • In-Situ-Hybridisierungen

  • Mikroskopische Auswertung und Fotodokumentation der Färbungen mittels

    • Durchlichtmikroskopie

    • Dunkelfeldmikroskopie

    • Phasenkontrastmikroskopie

    • Fluoreszenzmikroskopie

    • Polarisationsmikroskopie

    • Auflichtmikroskopie

  • Semiquantitative Bestimmung standardisierter Knochenparameter

  • Histologisch-elektrochemische Auflösung von Metallen

Aktuelle Projekte:

  • Biofabrication for NIFE (Förderer: Nds. Ministerium für Wissenschaft und Kultur, Volkswagen-Stiftung)

  • Forschergruppe Gradierte Implantate FOR 2180 --- Sehnen- und Knochen-Verbindungen (Förderer DFG)

  • Implant-directed Magnetic Drug Targeting: Antibiotische Therapie periimplantärer Infektionen (Förderer: DFG)

  • Untersuchung molekulargenetischer Prozesse bei Hüftkopfnekrose im Vergleich zur Koxarthrose zur Analyse neuartiger Therapieansätze (Förderer: Erwin-Röver-Stiftung)

  • Auftragsforschung