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Multiscale computational modelling for natural hip biomechanics and tribology

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Simulation der dynamischen Gelenkbelastung für Arthrosebehandlung der nächsten Generation

10 bis 15 % aller Menschen über 60 Jahren leiden an Arthrose, und der demografische Wandel macht neuartige Behandlungen dringend erforderlich. MSCHIPBIO nutzte Computersimulationen, um die funktionelle Biomechanik des Hüftgelenkknorpels für verbesserte Eingriffe genau im Profil darzustellen.

Gesundheit

Arthrose, eine Erkrankung, bei der die Gelenke der Betroffenen schmerzhaft und steif werden, ist belastend, verringert die Mobilität und schränkt die Patienten selbst bei alltäglichen Aufgaben ein. Die heute üblichen Behandlungen beschränken sich auf Schmerztherapie, eine kurzfristige Linderung durch Steroid- oder Hyaluronsäureinjektionen sowie Kräftigungstherapie. Bei schwerer Arthrose kann eine Zell- oder Gewebetransplantation (mit begrenztem Erfolg) durchgeführt oder eine Gelenkprothese eingesetzt werden. Obwohl die Arthroplastik im Allgemeinen erfolgreich ist, bleibt das frühzeitige Versagen ein Problem. Dieses wird gewöhnlich durch den Verschleiß oder die Lockerung des Implantats verursacht und macht eine chirurgische Korrektur erforderlich. Das EU-finanzierte Projekt MSCHIPBIO kombinierte fortschrittliche Computersimulationsverfahren zur Verknüpfung detaillierter Vorhersagen der Hüftgelenkbelastung im Körpermaßstab mit Simulationen des Knorpelverhaltens im Gelenkmaßstab bei Belastung, die durch verschiedene alltägliche Aufgaben hervorgerufen wird. Die dynamischen Belastungsprofile, die an der ETH Zürich entwickelt wurden, könnten dazu beitragen, dass die künstlichen Implantate der nächsten Generation die natürliche Leistung genauer nachahmen oder sogar übertreffen.

Erstellen von biochemischen Profilen

Zu den aussichtsreichsten Verfahren zur Linderung von schwerer Arthrose gehören die Gewebeschonung und Regenerationsbehandlungen. Bei der Gewebeschonung wird das natürliche Gelenk entweder bei einer Operation umgeformt, um es näher an seine ursprüngliche Form und Funktion heranzuführen, oder kleine Gewebemengen (z. B. Knorpel) von Entnahmestellen am Körper, die keiner Belastung ausgesetzt sind, werden auf die beschädigten Bereiche transplantiert. Bei Regenerationsbehandlungen werden Materialien transplantiert, die biologisch aktiver als die Knorpel des Patienten sind (was auf die altersbedingte Degeneration zurückzuführen ist). Vielversprechende Kandidaten sind weiche biologische Materialien, die den natürlichen Knorpel nachahmen und mit biologischen Wachstumsfaktoren und/oder Spenderstammzellen versetzt werden, welche das Wachstum von neuem Knorpelgewebe anregen. Die Suche nach Materialien, die stark genug sind, um zwischenzeitlichen Belastungen standzuhalten, während das neue Gewebe in die Verletzungsstelle einwächst, stellt jedoch noch immer eine Herausforderung dar. „Man könnte zum Beispiel die möglichen Ergebnisse der gewebeschonenden Behandlungen anhand der Modelle von MSCHIPBIO untersuchen und somit die Neupositionierung oder Umformung optimieren, um die innere Gelenkspannung wieder auf ein normales Niveau zu bringen“, sagt der Hauptforscher Dr. Xijin Hua. „Die Modelle könnten auch als Leitlinie für Gelenkprothesen dienen, um das Verhalten von natürlichen, selbstschmierenden Gelenken zu imitieren und damit ihre Haltbarkeit zu verbessern.“ Ein unerwartetes Ergebnis der Simulationen war der Nachweis einer „selbstdichtenden“ Funktion im natürlichen Hüftgelenk, bei der übermäßig lange Belastung zu einer Verringerung der Belastung im Knorpel an den Gelenkrändern führen und das Risiko von Gewebeschäden möglicherweise verringern könnte.

Modellierung gesucht

Die Modelle im Körpermaßstab sind derzeit in einem Repository des AnyBody Modelling Systems, also des Simulationsframeworks, mit dem sie erstellt wurden, verfügbar und können von allen Lizenzinhabern der Software abgerufen werden. Das Design des Modells im Gelenksmaßstab basiert auf der freien, öffentlich zugänglichen Simulationssoftware FEBio und wird in einer demnächst erscheinenden Publikation zur Reproduktion durch andere biomedizinische Forscher ausreichend beschrieben. Einige Hersteller von orthopädischen Implantaten sind an der Nutzung derartiger Modelle interessiert, um einige vorklinische Labortests zu ersetzen, wodurch schneller stabilere Modelle gefertigt werden könnten. Die Modelle könnten letztendlich auch in Softwarepakete für die allgemeine Operationsplanung integriert werden. „Zusammengenommen könnten diese Optionen die zukünftige Behandlung von Arthrose beeinflussen und hoffentlich zu einer besseren Versorgung und geringeren Behandlungskosten führen“, so der Forschungsleiter, Professor Stephen Ferguson. Dr. Hua möchte die Integration der verschiedenen Modellmaßstäbe fortsetzen, um eine größere Bandbreite der Belastungsbedingungen für das menschliche Hüftgelenk zu erforschen, und die Leistung von Gelenkprothesen oder Knorpeltransplantationstherapien untersuchen. Diese Forschung wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen gefördert.

Schlüsselbegriffe

MSCHIPBIO, Hüfte, Gelenk, Prothetik, Arthrose, Arthroplastik, Biomechanik, Gewebe, regenerativ, Simulation, Implantat

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