Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2007. / Druckausg. bei Shaker, Aachen erschienen.

Zugl.: Berlin, Universiẗat, Diss., 2006. / Zsfassung in dt. und engl. Sprache.

Zugl.: Jena, Univ., Diss., 2010

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--München.

Die Kahnbeinfraktur ereignet sich als die häufigste Fraktur innerhalb der Handwurzelknochen. Als Pathomechanismus wird hauptsächlich der Sturz auf die nach dorsal hyperextendierte ulnar abduzierte Hand angesehen. Bei rechtzeitiger Diagnose und sofortiger Intervention lassen sich sehr gute Heilungsergebnisse erzielen und eine Pseudarthrosebildung verhindern. Für die akute dislozierte B2-Fraktur nach Herbert hat sich die intraossäre Fixation als bewährtes Behandlungs-verfahren etabliert. In der Klinik stehen dafür eine Vielzahl von intraossären Schrauben zur Verfügung, die sich in ihren technischen Eigenschaften teilweise stark unterscheiden. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines biomechanischen Versuchsaufbaues, das im experimentellen Vergleich verschiedener Osteosynthese-verfahren am Os scaphoideum Anwendung finden soll. Die experimentell ermittelten Ergebnisse ermöglichen eine Aussage über die Primärstabilität, die allein durch die Verankerung des Implantats im Knochen erreicht wird. In der hier vorliegenden in vitro Studie wurden sechs unversehrte anomaliefreie humane Kahnbeine der Hand, gestellt durch das Institut für Anatomie der Universitätsklinik Leipzig, vollständig von Bändern und umgebenden Weichteil-gewebe befreit. Zur Vermeidung eines Positionsverlustes beider Fragmentenden erfolgte zunächst die Osteosynthese durch Insertion einer Herbertschraube und anschließend die Osteotomie mittels oszillierender Knochensäge im Sinne einer nicht-dislozierten Fraktur im mittleren Drittel. Die verwendete Herbertschraube der Firma Martin® war 21 mm lang und zählt zu den Standardimplantaten. Sie verfügt über zwei endständige Gewinde, die sich in Durchmesser und Gewindesteigung jeweils unterscheiden. Über einen Führungs-draht kann eine exakte Positionierung des kanülierten Implantats erreicht werden. Durch selbstbohrende und selbstschneidende Eigenschaften wird eine regelrechte Schraubenimplantation bei nur minimaler Knochensubstanzreduktion ermöglicht. Die Knochen-Implantat-Verbindung wurde zweizeitig unter penibler Aussparung des Frakturspaltes in je 2 kubische eiserne Pfannen mit den Abmaßen 2,0 cm x 2,0 cm x 2,0 cm geklebt. Hierfür diente Sikadur®-31 CF Normal, ein lösemittelfreier, thixotroper Zweikomponentenkleber auf Epoxidharzbasis. In Zusammenarbeit mit der HTWK Leipzig erfolgte nach vollständiger Aushärtung der gesamten Testeinheit die Einspannung und Ausrichtung in die elektromechanische Prüfmaschine vom Typ LFM-H der Firma Walter + Bai AG. Zur Datenerhebung diente eine in den Versuchs-aufbau eingebrachte Kraftmessdose, die nach Einspannung des Testobjektes kalibriert wurde. An den beiden Eisenpfannen wurden zwei Branchen des Wegmess-systems platziert. Der Weg wurde als Regelgröße festgelegt. Die drei Kanäle speicherten 1-Zeitwerte, 2- Kraftwerte und 3- Wegwerte. Wichtige Kriterien für das Design einer biomechanischen Studie sind das Einhalten standardisierter Bedingungen und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Nach Abschluss der Vorversuche und Auswertung der Ergebnisse ergaben sich folgende Erkenntnisse: 1) Zyklisch eingeleitete Kraft in Form von sinusförmigen Schwingungen ermöglichen eine standardisierte Verifizierbarkeit der Ergebnisse. Innerhalb dieser Studie wurde die Frequenz der wechselnden Belastungsrichtung auf 0,5 Hz festgelegt. Ein Belastungzyklus umfasste 100 sinusförmige Schwingungen. 2) Die Krafteinleitung soll über einen definierten Weg geschehen, damit Stadien vor dem definitiven Implantatversagen erfasst werden können. 3) Nach Abschluss eines Belastungszyklus soll die Auslenkung auf das nächsthöhere Belastungsniveau um einen definierten Weg erfolgen. Aus den Erkenntnissen des letzten Vorversuches profitierend wurde eine Auslenkungs-erhöhung um je 10 µm festgelegt. 4) Für die experimentelle Testung der Primärfestigkeit zwischen Os scaphoideum und intraossärem Implantat empfiehlt sich neben der exakten Schraubeninsertion eine Ausrichtung des Testkörpers entsprechend der Krafteinleitung, da somit ein Entstehen von Momenten innerhalb der Knochen-Implantat-Verbindung verhindert werden kann. 5) Damit in der biomechanischen in vitro Testung nur die Primärfestigkeit zwischen Knochen und Implantat gemessen wird, sollten die Versuche auf Zugbelastungen beruhen. Die Analyse des Kraftflusses im Versuchsaufbau ergab, dass während der Druckbelastung teilweise Kräfte gemessen worden sind, die keine Aussage über die Festigkeit der Knochen-Implantat-Verbindung erlauben. Darüber hinaus erwiesen sich die Druckversuche sogar als Ursache für ein schneller voranschreitendes Implantatversagen. 6) Die Verwendung einer Prüfmaschine ist für die komplexe Testung und die Auswertung der Ergebnisse empfehlenswert. 7) Die klinische Übertragbarkeit ist auf Grund des nicht berücksichtigten anatomisch funktionellen Zusammenwirkens mit angrenzendem Weichteil-gewebe und Knochen eingeschränkt. Biomechanische Untersuchungen zur Primärstabilität können bei der Auswahl des „idealen“ Implantats hilfreich sein. Der direkte experimentelle Vergleich verschiedener intraossärer Schrauben und die Analyse ihrer technischen Eigenschaften können dazu beitragen, dass bei der Wahl des Implantats bessere Heilungserfolge in der operativen Versorgung der Kahnbeinfraktur erzielt werden und dass sich somit das Risiko einer Pseudarthrosenbildung vermindert.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Frage inwiefern der Einsatz von Zeitreihenmethoden - also Methoden, die den kontinuierlichen Charakter biomechanischer Zeitreihendaten berücksichtigen - einen aus methodischer Sicht günstigeren Auswertungsansatz darstellt als herkömmliche, diskrete Methoden. Damit liefert die Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Überwindung der postulierten Konfidenzkrise biomechanisch-bewegungswissenschaftlicher Forschung, nach der sich die Ergebnisse vieler Studien aufgrund u. a. methodischer Defizite nicht oder nur eingeschränkt reproduzieren lassen. Dabei konnte in drei Teilstudien für verschiedene methodische Bereiche (Inferenzstatistik, Klassifikation, Trenderkennung) gezeigt werden, dass der Einsatz von Zeitreihenmethoden bekannte Probleme diskreter Methoden erfolgreich addressieren kann. Die vorgestellte Arbeit regt über das spezifische Thema hinaus zu einem kritischeren Umgang mit methodischen Aspekten an und zeigt mögliche Lösungsansätze auf.

Articular cartilage defects are still one of the major challenges in orthopedic and trauma surgery. Today, autologous chondrocyte transplantation (ACT), as a cell-based therapy, is an established procedure. However, one major limitation of this technique is the loss of the chondrogenic phenotype during expansion. Human mesenchymal stem cells (hMSCs) have an extensive proliferation potential and the capacity to differentiate into chondrocytes when maintained under specific conditions. They are therefore considered as candidate cells for tissue engineering approaches of functional cartilage tissue substitutes. First in this study, hMSCs were embedded in a collagen type I hydrogel to evaluate the cartilaginous construct in vitro. HMSC collagen hydrogels cultivated in different culture media showed always a marked contraction, most pronounced in chondrogenic differentiation medium supplemented with TGF-ß1. After stimulation with chondrogenic factors (dexamethasone and TGF-ß1) hMSCs were able to undergo chondrogenesis when embedded in the collagen type I hydrogel, as evaluated by the temporal induction of cartilage-specific gene expression. Furthermore, the cells showed a chondrocyte-like appearance and were homogeneously distributed within a proteoglycan- and collagen type II-rich extracellular matrix, except a small area in the center of the constructs. In this study, chondrogenic differentiation could not be realized with every hMSC preparation. With the improvement of the culture conditions, e.g. the use of a different FBS lot in the gel fabrication process, a higher amount of cartilage-specific matrix deposition could be achieved. Nevertheless, the large variations in the differentiation capacity display the high donor-to-donor variability influencing the development of a cartilaginous construct. Taken together, the results demonstrate that the collagen type I hydrogel is a suitable carrier matrix for hMSC-based cartilage regeneration therapies which present a promising future alternative to ACT. Second, to further improve the quality of tissue-engineered cartilaginous constructs, mechanical stimulation in specific bioreactor systems are often employed. In this study, the effects of mechanical loading on hMSC differentiation have been examined. HMSC collagen hydrogels were cultured in a defined chondrogenic differentiation medium without TGF-ß1 and subjected to a combined mechanical stimulation protocol, consisting of perfusion and cyclic uniaxial compression. Bioreactor cultivation neither affected overall cell viability nor the cell number in collagen hydrogels. Compared with non-loaded controls, mechanical loading promoted the gene expression of COMP and biglycan and induced an up-regulation of matrix metalloproteinase 3. These results circumstantiate that hMSCs are sensitive to mechanical forces, but their differentiation to chondrocytes could not be induced. Further studies are needed to identify the specific metabolic pathways which are altered by mechanical stimulation. Third, for the development of new cell-based therapies for articular cartilage repair, a reliable cell monitoring technique is required to track the cells in vivo non-invasively and repeatedly. This study aimed at analyzing systematically the performance and biological impact of a simple and efficient labeling protocol for hMSCs. Very small superparamagnetic iron oxide particles (VSOPs) were used as magnetic resonance (MR) contrast agent. Iron uptake was confirmed histologically with prussian blue staining and quantified by mass spectrometry. Compared with unlabeled cells, VSOP-labeling did neither influence significantly the viability nor the proliferation potential of hMSCs. Furthermore, iron incorporation did not affect the differentiation capacity of hMSCs. The efficiency of the labeling protocol was assessed with high resolution MR imaging at 11.7 Tesla. VSOP-labeled hMSCs were visualized in a collagen type I hydrogel indicated by distinct hypointense spots in the MR images, resulting from an iron specific loss of signal intensity. This was confirmed by prussian blue staining. In summary, this labeling technique has great potential to visualize hMSCs and track their migration after transplantation for articular cartilage repair with MR imaging. / Gelenkknorpeldefekte stellen immer noch eine der großen Herausforderungen in der Orthopädie und Unfallchirurgie dar. Als zellbasiertes Verfahren ist die Autologe Chondrozytentransplantation (ACT) heute in der klinischen Routine etabliert. Ein großer Nachteil dieser Methode ist jedoch der Verlust des chondrozytären Phänotyps während der Expansion der Zellen. Humane mesenchymale Stammzellen (hMSZ) verfügen über ein ausgeprägtes Proliferationspotential und besitzen die Fähigkeit, unter spezifischen Bedingungen zu Knorpelzellen zu differenzieren. Sie werden daher als alternative Zellen für das Tissue Engineering von funktionellem Knorpelersatzgewebe in Betracht gezogen. In der vorliegenden Arbeit wurden erstens hMSZ in ein Kollagen Typ I Hydrogel eingebracht und zunächst der Grad der chondrogenen Zelldifferenzierung im Konstrukt evaluiert. HMSZ-Kollagenhydrogele zeigten in allen Kultivierungsmedien eine deutliche Kontraktion, welche am stärksten im chondrogenen Differenzierungsmedium unter Zugabe von TGF-ß1 ausgeprägt war. Nach Stimulation mit chondrogenen Faktoren (Dexamethason und TGF-ß1) differenzierten hMSZ zu Knorpelzellen, nachgewiesen durch die Induktion von knorpelspezifischer Genexpression. Die Zellen wiesen eine Chondrozyten-ähnliche Morphologie auf und waren bis auf einen kleinen Bereich in der Mitte des Konstrukts homogen in einer Proteoglykan- und Kollagen Typ II-haltigen extrazellulären Matrix verteilt. Eine chondrogene Differenzierung konnte in der vorliegenden Arbeit jedoch nicht mit jeder hMSZ-Präparation realisiert werden. Durch die Verbesserung der Kulturbedingungen, z.B. durch die Verwendung einer anderen Serumcharge im Gelherstellungsprozess, konnte eine Steigerung der knorpelspezifischen Matrixsynthese erzielt werden. Nichtsdestotrotz spiegeln die großen Schwankungen in der Differenzierungskapazität die hohe Variabilität zwischen verschiedenen Spendern wider, welche die Entwicklung eines knorpelartigen Gewebes beeinflussen. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse, dass das Kollagen Typ I Hydrogel eine geeignete Trägermatrix für hMSZ darstellt, um in Stammzell-basierten Knorpelregenerationstherapien zukünftig als vielversprechende Alternative zur ACT eingesetzt zu werden. Um die Qualität eines in vitro generierten knorpelartigen Gewebes weiter zu verbessern, wird häufig eine mechanische Stimulation in spezifischen Bioreaktorsystemen durchgeführt. In der vorliegenden Arbeit wurden daher zweitens die Effekte von mechanischer Belastung auf die Differenzierung von hMSZ untersucht. HMSZ-Kollagenhydrogele wurden im chondrogenen Differenzierungsmedium ohne TGF-ß1 kultiviert und einem kombinierten mechanischen Stimulationsprotokoll, bestehend aus Perfusion und zyklischer uniaxialer Kompression, ausgesetzt. Die Kultivierung im Bioreaktor hatte weder einen Einfluss auf die Zellvitalität noch auf die Anzahl der Zellen im Kollagen Typ I Hydrogel. Die mechanische Beeinflussung steigerte im Vergleich mit den unbelasteten Kontrollgelen die Genexpression von COMP und Biglykan und führte zu einer Hochregulation von Matrix Metalloproteinase 3. Diese Ergebnisse belegen, dass hMSZ mechanosensitiv sind, jedoch konnte keine Differenzierung zu Knorpelzellen induziert werden. Hierfür sind weitere Studien notwendig, um spezifische Stoffwechselwege zu identifizieren, welche durch die mechanische Stimulation beeinflusst werden. Drittens, für die Entwicklung von neuen zellbasierten Therapien für die Gelenkknorpelrekonstruktion ist eine zuverlässige Bildgebung auf zellulärer Ebene erforderlich, um die Zellen in vivo wiederholt nicht invasiv zu detektieren. Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, systematisch die Effizienz und die biologischen Auswirkungen einer einfachen und dauerhaften Markierung für hMSZ zu untersuchen. Superparamagnetische Eisenoxidnanopartikel (VSOPs), ein Magnetresonanz (MR)-Kontrastmittel, wurden für die Markierung eingesetzt. Die Aufnahme der Eisenoxidnanopartikel wurde histologisch mittels eisenspezifischer Berliner-Blau-Färbung nachgewiesen und durch Massenspektroskopie quantifiziert. Im Vergleich zu unmarkierten Zellen beeinträchtigte die VSOP-Markierung weder die Vitalität noch das Proliferationspotential der hMSZ. Weiterhin war durch die Aufnahme der Eisenoxidnanopartikel keine Beeinflussung der Differenzierungskapazität der hMSZ zu verzeichnen. Die Effizienz der Zellmarkierung wurde mittels hochauflösender MR-Bildgebung bei 11,7 Tesla beurteilt. VSOP-markierte hMSZ im Kollagen Typ I Hydrogel erschienen als hypointense Punkte in den MR-Bildern, hervorgerufen durch die typische, VSOP-bedingte Signalauslöschung. Histologische Untersuchungen dieser Konstrukte bestätigten die MR-Ergebnisse. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass diese Zellmarkierungsmethode in Verbindung mit der MR-Bildgebung über das Potential verfügt, nach einer Gelenkknorpelrekonstruktion Aufschluss über die Lokalisation und Migration der transplantierten hMSZ zu liefern.

Bionischer Leichtbau realisiert mit Applikationen an gängige FEM-Programme nach dem Vorbild der Natur

Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2008 / Hergestellt on demand

Musiker sind sensomotorische High-Performer, welche hohen körperlichen und seelischen Belastungen ausgesetzt sind. Neben psychischen Beschwerden treten häufig spielbedingte muskuloskelettale Beschwerden auf, welche den Musikern die Ausübung ihrer Profession und somit das Arbeitsleben erschweren. Um ihnen effektive medizinische und physiotherapeutische Behandlungs- und Präventionsstrategien anzubieten, ist es notwendig, die Entstehungsmechanismen dieser Beschwerden zu identifizieren. Dies setzt aber ein Verständnis der komplexen Interaktionen zwischen physiologischen, psychologischen und sozialen Faktoren und deren Rolle in der Entwicklung von spielbedingten Beschwerden voraus. Diese Faktoren wurden jedoch bisher nur unzureichend untersucht. Zunächst wird auf Basis einer Literaturrecherche eine Analyse des aktuellen Forschungsstandes zu spielbedingten Beschwerden, zur Auftretenshäufigkeit wie zum Beispiel Prävalenzen oder Inzidenzen, den Risikofaktoren und der Bewegungsanalyse bei Musikern durchgeführt und Wissenslücken aufgezeigt. Dieses bildet den theoretischen Rahmen der Arbeit. Das prospektive Studiendesign der ersten Arbeit ermöglicht die Messung von Auftretenshäufigkeiten und Prädiktoren bei spielbedingten Beschwerden und gibt Einblicke in die Entstehungsmechanismen dieser Beschwerden bei Musikstudierenden. Die zweite Studie präsentiert einen Fragebogen zum Schmerzverhalten bei Musikern (MPIIQM-G). Dabei wurde die englische Originalversion übersetzt und an einer Stichprobe von Orchestermusikern validiert. Es handelt sich um den ersten validierten Schmerzfragebogen speziell für Musiker in deutscher Sprache. Die dritte Studie identifiziert Unterschiede in der muskulären Aktivität zwischen Musikern mit und ohne spielbedingten Beschwerden sowohl in der Charakteristik der Aktivität als auch im Frequenzverhalten während einer Ermüdung. Die eingesetzte Analysemethode erweist sich zudem als eine geeignete Vorgehensweise für die detaillierte Analyse der Muskelaktivierungseigenschaften. Der vierte Artikel arbeitet den Transfer der Elektromyographie von der Biomechanik in die klinische Physiotherapie heraus, wobei die therapeutische Diagnostik und Anwendung der Methode im Mittelpunkt stehen. Diese Dissertationsschrift in seiner Gesamtheit zeigt den Bedarf an einer systematischen Erfassung von spielbedingten Beschwerden bei Musikern auf und schließt eine Wissenslücke. Der Entstehung dieser Beschwerden liegen komplexe Interaktionen und Mechanismen verschiedener Quellen zugrunde, zu deren Analyse hier ein wichtiger Beitrag geleistet wird. Eine systematische Vorgehensweise ermöglicht die Aufschlüsselung dieser Komplexität und dadurch die Entwicklung eines gezielten Therapiemanagements für betroffene Musiker.