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Fragestellung: 3D-Druck bietet die Möglichkeit neuartige Scaffolds zur Therapie großer Knochendefekte herzustellen und die Limitationen der autologen Knochenspende zu vermeiden. Vorarbeiten zeigten in vitro eine verbesserte Adhäsion und osteogene Genexpression humaner MSC unter Bioglas(BG)- Zusatz in das verdruckte Polylaktat(PLA)-Filament. Die Hypothese der Studie war, dass der Zusatz von Bioglas und/oder die Erhöhung der mechanischen Stabilität durch verbesserte Geometrien des Scaffolds die Knochenheilung in-vivo verbessern.

Methodik: Mithilfe eigens hergestellten Bioglas-dotierten PLA-Filaments (20% g/g BG, =BG20) wurden zwei unterschiedliche hochporöse Geometrien mittels Fused-Filament-Fabrication 3D-Druck hergestellt. Neben einem dünnen Grundelement in Form einer Säule (A1) wurde eine dickwandige, mechanisch stabilere Geometrie gleicher Außendimensionen (A2) gewählt. Daraus resultieren vier Gruppen: Jede Geometrie wurde in reiner Polylaktat-Form (PLA-A1, PLA-A2) und mit BG20 (BG-A1, BG-A2) gedruckt und anschließend in vivo im 6 mm Femurdefektmodell der Ratte evaluiert (n=10/Gruppe, 8 Wochen Heilungszeit). Tiere der Kontrollgruppe erhielten vitale, syngene Spongiosa. Primäre Untersuchungsvariablen waren die Biegesteifigkeit (3-Punkt-Biegetest) sowie Knochendurchbauung und Knochendichte (BMD) in der µCT-Analyse. Statistik: Kruskal-Wallis-Test + Bonferroni korrigierte posthoc Analyse nach Dunn, p<0,05 ist signifikant.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die Hypothese einer Verbesserung der Knochenheilung durch Bioglas und/oder eine mechanisch rigidere Geometrie konnte nicht bestätigt werden. Die mit Scaffold A1 versorgten Defekte wiesen im Vergleich zu allen Vergleichsgruppen eine signifikant verbesserte Biegesteifigkeit auf. Mit PLA-A1 versorgte Defekte zeigten eine zur Kontrollgruppe ähnliche BMD und teils eine annähernde Restitutio ad integrum mit vollständiger Durchbauung ohne übermäßige Kallusreaktion. Eine Durchbauung konnte auch für BG-A1 erreicht werden. Jedoch wurden in den Gruppen BG-A1 und BG-A2 teils überschießende und teils anerge Knochenaufbaureaktionen beobachtet. Die Verwendung von dickwandig gedruckten Scaffolds (A2) ging im Vergleich zu A1 mit einem Rückgang der Biegesteifigkeit (signifikant) und des Volumens des neugebildeten Knochens einher.

Diese Ergebnisse zeigen, dass 3D-gedruckte dünnwandige poröse röhrenförmige Strukturen in dem verwendeten Tiermodell ohne Zusatz von Bioaktivatoren, spongiösem Material oder regenerativen Zellen ein hohes knochenregeneratives Potential aufweisen, welches dem vitalen Knochentransplantat teilweise überlegen ist. Die heterogenen Resultate in den Bioglasgruppen deuten auf zu hohe BG-Konzentrationen hin. Es zeigte sich ferner, dass bei Verwendung eines plattenstabilisierten Defektmodells, die direkten biomechanischen Eigenschaften des Implantats nachrangig sind, vielmehr scheint das offene Lumen, welches möglicherweise die Formierung eines überbrückenden Frakturhämatoms erleichtert, für die Bildung des neuen Knochens von Bedeutung zu sein.