Im Berliner Zentrum für Craniofaciale Fehlbildungen in der Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie- Klinische Navigation und Robotik der Charité Campus Virchow-Klinikum in Berlin wird der mobile CT Philips Tomoscan M in die Implantation von extraoralen kraniofazialen Knochenankern zur Epithesenfixierung eingebunden. Es stellt sich dabei die Frage nach der Ortstreue und Dimensionstreue von knöchernen Strukturen und extraoralen kraniofazialen Implantaten im CT. Ein Knochenphantom dient der Vermessung von Lochpaaren verschiedener Abstände, einer Knochenschraube, eines Abutments und eines Magneten unter variierten Scanparametern durch Werkzeuge der Scannerkonsole. Die Ortstreue von Löchern und Implantaten liegt in >99% im Intervall ±0,2mm. Fenstereinstellungen haben einen geringen Einfluss auf Lochabstände. Lochdurchmesser zeigen unter Anhebung des Window Level (WL) Korrelation (r2=0,776) und eine lineare Größenzunahme bei maßstabgerechter Skalierung, variieren aber wenig unter Variation der Window Width (WW). Alle Implantate werden zu groß abgebildet, außer in extremen Fenstereinstellungen. Implantatdimensionen nehmen bei maßstabgerechter Skalierung mit höheren WL linear ab. Die Variabilität der Darstellung nimmt mit dichterem Implantatmaterial ab. Kontaktflächen von Implantaten mit Gewebe sind im CT nicht beurteilbar. / In the Berlin Centre for Craniofacial Malformations at the Clinic for Oromaxillofacial Surgery of the Charité, Campus Virchow- Clinic in Berlin, a mobile CT Scanner Philips Tomoscan M is integrated into the process of extraoral bone anchor implantation for prosthesis fixture. With implementation of the scanner, accuracy of localisation and dimensional accuracy of bony structures and implants have been questioned. A bone phantom is used for measuring distances between holes, hole diameters and dimensions of an implant fixture, an abutment and a magnet with measuring tools of the scanner under variation of scan parameters. Localisation accuracy of holes and implants is found in >99% within ±0.2mm. Window settings have little influence on hole distances. Diameters show linear growth at standardized scaling and correlation with window level augmentation (r2=.776). Little Variation of diameters is found with variation of window width. All Implants are magnified. Implant dimensions diminish with window level augmentation at standardized scaling. Variability of dimension decreases with more radio opaque implant material. Implant contact with tissues cannot be assessed in CT scans.

This thesis addresses the development of materials, technologies and circuits applied for the fabrication of a new class of microelectronic devices that are relying on a three-dimensional shape variation namely shapeable microelectronics. Shapeable microelectronics has a far-reachable future in foreseeable applications that are dealing with arbitrarily shaped geometries, revolutionizing the field of neuronal implants and interfaces, mechanical prosthetics and regenerative medicine in general. Shapeable microelectronics can deterministically interface and stimulate delicate biological tissue mechanically or electrically. Applied in flexible and printable devices shapeable microelectronics can provide novel functionalities with unmatched mechanical and electrical performance. For the purpose of shapeable microelectronics, novel materials based on metallic multilayers, photopatternable organic and metal-organic polymers were synthesized. Achieved polymeric platform, being mechanically adaptable, provides possibility of a gentle automatic attachment and subsequent release of active micro-scale devices. Equipped with integrated electronic the platform provides an interface to the neural tissue, confining neural fibers and, if necessary, guiding the regeneration of the tissue with a minimal impact. The self-assembly capability of the platform enables the high yield manufacture of three-dimensionally shaped devices that are relying on geometry/stress dependent physical effects that are evolving in magnetic materials including magentostriction and shape anisotropy. Developed arrays of giant magnetoimpedance sensors and cuff implants provide a possibility to address physiological processes locally or distantly via magnetic and electric fields that are generated deep inside the organism, providing unique real time health monitoring capabilities. Fabricated on a large scale shapeable magnetosensory systems and nanostructured materials demonstrate outstanding mechanical and electrical performance. The novel, shapeable form of electronics can revolutionize the field of mechanical prosthetics, wearable devices, medical aids and commercial devices by adding novel sensory functionalities, increasing their capabilities, reducing size and power consumption.

Knorpeldefekte des Kniegelenks zeichnen sich durch eine sehr begrenzte spontane Heilungstendenz aus und führen im Verlauf häufig zur Arthrose. Trotz intensiver Forschungsbemühungen konnte bisher keine neue Therapieoption eine zufrieden-stellende Alternative zu den bisherigen Therapien hervorbringen. Eine ACI in Kombination mit einem künstlich hergestellten Knorpel-Knochen-Ersatzmaterial scheint jedoch großes Potential für die Therapie von Knorpel-Knochen-Schäden zu besitzen. Im vorliegenden Langzeittierversuch mit Kaninchen wurde eine einzeitige ACI mit einem biphasischen Ersatzmaterial (TruFit®) und platelet-rich-plasma (PRP) kombiniert. Zu diesem Zweck wurde in der medialen Femurkondyle ein critical-size-Defekt mit einem Durchmesser von 4,5 mm gesetzt. In der ersten Versuchsgruppe blieb der Defekt unbehandelt (Leer). Bei der zweiten Gruppe wurde die Defekthöhle mit einem TruFit®-Zylinder aufgefüllt (TFP). Gruppe drei erhielt zusätzlich PRP (TFP+PRP) und Gruppe vier wurde darüber hinaus mit einer einzeitigen ACI kombiniert (TFP+PRP+C), bei der Chondrozyten mit Hilfe eines speziellen Kollagenase-Schnellverdaus isoliert werden konnten. Die Auswertung der Knorpel-Knochen-Regeneration erfolgte nach 12 Monaten durch eine Mikroradiographie, eine intravitale Fluoreszenzmarkierung des Knochens und durch Toluidinblau-O- und Safranin-O-Färbungen. Verwendet wurden die Scores nach Wakitani und O’Driscoll. Dabei konnte gezeigt werden, dass eine TruFit®-Therapie die Knochenregeneration positiv beeinflussen kann. Die Zugabe von PRP bewirkte die Bildung von zahlreichen dünnen Trabekeln mit einer erhöhten Anzahl trabekulärer Verbindungen, allerdings auch eine schlechtere Rekonvaleszenz der subchondralen Knochenschicht. Bezüglich der Knorpelheilung schnitt die Gruppe TFP+PRP+C am besten ab, wobei die Unterschiede nicht signifikant waren. Insgesamt zeigten alle Versuchsgruppen eine unzureichende osteochondrale Regeneration, so dass für die Therapie am Menschen zunächst weitere Studien nötig sind, die sowohl ossär als auch chondral eine verbesserte Heilungspotenz demonstrieren können. Bisher fehlen groß angelegte Studien um Therapieempfehlungen bezüglich des Ersatzmaterials, der genauen Durchführung der einzeitigen ACI und Zusätzen wie Wachstumsfaktoren zu machen.

In neural implants and biohybrid research systems, the integration of electrode recording and stimulation front-ends with pre-processing circuitry promises a drastic increase in real-time capabilities [1,6]. In our proposed neural recording system, constant sampling with a bandwidth of 9.8kHz yields 6.73μV input-referred noise (IRN) at a power-per-channel of 0.34μW for the time-continuous ΔΣ−modulator, and 0.52μW for the digital filters and spike detectors. We introduce dynamic current/bandwidth selection at the ΔΣ and digital filter to reduce recording bandwidth at the absence of spikes (i.e. local field potentials). This is controlled by a two-level spike detection and adjusted by adaptive threshold estimation (ATE). Dynamic bandwidth selection reduces power by 53.7%, increasing the available channel count at a low heat dissipation. Adaptive back-gate voltage tuning (ABGVT) compensates for PVT variation in subthreshold circuits. This allows 1.8V input/output (IO) devices to operate at 0.4V supply voltage robustly. The proposed 64-channel neural recording system moreover includes a 16-channel adaptive compression engine (ACE) and an 8-channel on-chip current stimulator at 3.3V. The stimulator supports field-shaping approaches, promising increased selectivity in future research.