Biomaterialien in der Sportmedizin – Anwendungen bei Knorpel-, Knochen-, und Bandverletzungen

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<ul><li><p>Zusammenfassung</p><p>In den letzten Jahren gab es insbesonderebei den Biomaterialien im Bereich derSportmedizin Fortschritte zu verzeichnen,die einen entscheidenden Einfluss auf The-rapien von Knorpel-, Knochen- und Band-verletzungen genommen haben. Insbe-sondere die Weiterentwicklung in der Zel-lular- und Molekularbiologie schuf dieGrundlage fur die raschen Verbesserun-gen der Biomaterialien der nachsten Ge-neration. So wird insbesondere der Nach-ahmung der extrazellularen Matrix des zureparierenden Gewebes eine groe Rollebeigemessen, da diese einen erheblichenEinfluss auf die dynamischen zellularenVorgange in der Geweberegeneration hat.Dieser Artikel versucht einen Uberblickuber die vorhandenen Therapieoptionenin der Sportmedizin zu geben, diemoderneBiomaterialien verwenden.</p><p>SchlusselworterBiomaterialien Knorpel Knochen Bandapparat</p><p>B.L. Proffen, J.T. Sieker</p><p>Biomaterials in sportsmedicine applications incartilage, bone, and ligamentinjuries</p><p>Abstract</p><p>Biomaterials in sports medicine haveshown advancements during recent yearswhich contributed enormously to theimprovement of established and the devel-opment of new advanced therapies forcartilage, bone, and ligament injuries.Achievements in the fields of cellularand molecular biology paved the wayfor the development of medical productsof the new generation. Special emphasis isput on imitating composition and physicalproperties of the extracellular matrix of thetarget tissue which has an enormous influ-ence on the cellular processes during tis-sue healing. This review article attempts toprovide an overview of current therapeuticoptions emerging in sports medicine thatemploy new biomaterials.</p><p>KeywordsBiomaterials Cartilage Bone Ligament</p><p>Sports Orthop. Traumatol. 30, 220228 (2014)Elsevier Urban&amp;Fischer</p><p>www.elsevier.com/locate/orthtrhttp://dx.doi.org/10.1016/j.orthtr.2014.07.017</p><p>OrthopaedicsandTraumatology</p><p>220 B.L. Proffen, J.T. Sieker Biomat</p><p>SCHWERPUNKT / REVIEWSCHWERPUNKT / REVIEW</p><p>Biomaterialien in derSportmedizin Anwendungen beiKnorpel-, Knochen-, undBandverletzungenBenedikt L. Proffen, Jakob T. SiekerDepartment of Orthopaedic Surgery, Boston Childrens Hospital, Harvard MedicalSchool, Boston, MA, United StatesEingegangen/submitted: 22.04.2014; uberarbeitet/revised: 24.07.2014; akzeptiert/accepted: 24.07.2014EINLEITUNG groe Abstoungsreaktion hervorzu-Die Entwicklung von Biomateria-lien in der Sportmedizin, sei eszum Ersatz von Gelenken bis hin zurGewebereparatur, hat eine lange Tra-dition. Jedoch insbesondere durchdie immer mehr alternde Patienten-klientel wuchs der Markt fur Gewebe-ersatz und -reparatur fur Knorpel,Knochen oder Bandapparat in denletzten Jahren stetig an. Marktfuh-rend sind immer noch konventionelleImplantate aus Metall, Keramik oderPolymeren, jedoch wird den neuent-wickelten ,,Tissue Engineering Pro-dukten groes Entwicklungspoten-tial prophezeit [63].Biomaterialien tragen ohne Fragedazu bei, die Lebensqualitat der be-handelten Patienten erheblich zuverbessern. In der Sportmedizin zah-len hierzu insbesondere der kunst-liche Gelenkersatz [63]. Die ersteGeneration von Biomaterialienwurdein den 60er und 70er Jahren entwi-ckelt. Diese wurden meist aus her-kommlichen Industriematerialienhergestellt, ohne wirklich Wert aufBiokompatibilitat zu legen. Es wurdeversucht, so gut es geht die physi-kalischen und chemischen Eigen-schaften des zu ersetzenden Gewebesnachzuahmen, ohne dabei eine zuerialien in der Sportmedizinrufen. Im Gelenkersatz ging die Ent-wicklung hierbei von Karbongelen-ken uber rostfreien Stahl, verschie-denste Legierungen, allein oder imVerbund mit Polymeren wie Nylonoder Polyester, bis zum resistenterenTeflonuberzug [30].Von diesen meist ,,inerten Materia-lien, die sich durch ihre geringeFremdkorperreaktion auszeichneten,ging der Trend in den neunziger Jah-ren hin zu den bioaktiven Biomate-rialien. Im Speziellen versprach mansich dadurch eine bessere Integra-tion der Implantate in das umliegen-de Gewebe [31]. Implantate aus Ma-terialien wie Titan oder Keramik, wel-che eine porose Oberflache odereinen solchen Uberzug aufwiesen,forderten das Einwachsen von umlie-gendem Gewebe und schufen so einestabile dreidimensionale Matrix, diewiederum zu einem verlangerten Im-plantatuberleben beitrug [11]. Sol-che permanenten Implantate stelleninsbesondere in der Sportmedizinimmer noch einen Groteil der The-rapieoptionen fur Oberflachen- undkompletten Gelenkersatz oder Kno-chenbruchstabilisierung dar, obwohlInfektionen, Implantatlockerung,Entzundungsreaktionen durch Mate-rialabrieb oder Implantatversagen</p><p>http://dx.doi.org/10.1016/j.orthtr.2014.07.017http://dx.doi.org/10.1016/j.orthtr.2014.07.017</p></li><li><p>SCHWERPUNKT / REVIEWSports Orthop. Traumatol. 30, 220228 (2014)immer noch eine groe Herausforde-rung sind [54].Im selben Zeitraum wurde die Pro-duktpalette der inerten biostabilenPolymere wie zum Beispiel Polyethy-len, das durch seine Stabilitat undgeringen Reibungskoeffizienten alsInlay bei Gelenkersatz oder Oberfla-chenersatz im Acetabulum sehr weit-raumige Verwendung findet [22],durch bioresorbierbare Polymerewie Polyglycolsaure (Polyglycolicacid, PGA) und seine Copolymereerweitert, die durch kontrollierteZersetzung mit der Zeit durch kor-pereigenes Gewebe ersetzt werdenkonnen [28].Alternativ zu den synthetischen Po-lymeren wurde immer haufiger aufPolymere zuruckgegriffen, die ausextrazellularer Matrix isoliert wur-den. Diese haben den Vorteil, dassdie ansassigen Zellen eine gewohnteUmgebung vorfinden, um sich anzu-siedeln und neues Gewebe zu produ-zieren. Zu dem am haufigsten ver-wendeten naturlichen Polymerengehort Kollagen, das in praktischallen fur die Sportmedizin relevan-ten Geweben vorkommt. Die ver-schiedenen Typen von Kollagen,von denen hauptsachlich KollagenTyp 1-3 bisher Verwendung fand,konnen fur die jeweilige Anwendungin passender Form produziert wer-den, sei es als Schwamm [53],Membran [76] oder Hydrogel [83].Kollagen wird nach der Implantationrelativ zugig enzymatisch vonMatrix-Metalloproteinasen zersetzt,kann jedoch durch sogenanntesCross-linking stabiler gegenuberAbbau gemacht werden [29,57].Ein weiterer essentieller Bestandteilder extrazellularen Matrix, insbeson-dere im Knorpelgewebe, sind Glykos-aminoglykane (GAG). Diese sind be-sonders wichtig fur die viskoelasti-schen Eigenschaften des Knorpelsund regulieren Zelladhasion, -proli-feration und -differenzierung[52,59]. Das am haufigsten in derKlinik verwendete Glykosaminogly-kan ist Hyaluronsaure, welche schonbei der Therapie von Knorpel, Kno-chen und Bandern eingesetzt wurde[34,41]. Da es in seiner puren Formnur eine sehr begrenzte Stabilitatgegen enzymatischen Abbau auf-weist, wird es vor seiner Anwendung,meist in Form eines Gels, aber auchSchwamms, haufig chemisch verlinktoder mit anderen Molekulen ge-mischt [39,75]. Ein weiteres im Kor-per vorkommendes Biopolymer, dasseinen Weg in die klinische Anwen-dung gefunden hat, ist Fibrinogen.Dieses fur die Blutgerinnung essen-tielle Protein wird durch das EnzymThrombin aktiviert und bildet eingelartiges Fibrinnetzwerk. Zwar wur-de es primar in der Klinik zur Be-handlung von Wunden verwendet,jedoch kam es auch schon in derKnorpeltherapie als Zelltragersub-stanz zum Einsatz [40].Entwicklungen im neuen Jahrtau-send im Bereich der Biomaterialienwurden vor allem durch ein besseresVerstandnis der zell- und molekular-biologischen Zusammenhange er-reicht. Fortschritte in der Proteomik,Biokompatibilitat und Tissue Engi-neering eroffneten Moglichkeiten,biologische Gewebe kunstlich herzu-stellen, die sich durch ihre Kompa-tibilitat mit dem umliegendenGewebe auszeichnen und die korper-eigenen Reparaturmechanismen for-dern. Wurden die oben genanntenMetalle, Keramiken und Polymerefruher einfach als solide Implantateentwickelt, so wird heutzutage ver-sucht, durch die Modifikation derMaterialeigenschaften der intelli-genten Biomaterialien, wie Porosi-tat, Porengroe und Oberflachenbe-schaffenheit, gewebespezifische Ei-genschaften des Zielgewebes zuimitieren [35,68]. Porose Oberfla-chen ermoglichen eine gute mecha-nische Bindung mit dem umliegen-den Gewebe und miteinander ver-bundene Poren innerhalb einesB.L. Proffen, J.T. Sieker BiomImplantats ermoglichen das Ein-wachsen von Zellen und Blutgefaen[9]. Auch scheinen eine Porengroevon mindestens 100 mm und vor-handene Porenverbindungen denAustausch von Nahrstoffen undSauerstoff zu fordern [36]. Porositatverleiht dem Implantat eine groereOberflache, was in der Folge Zellan-bindung, -proliferation und -diffe-renzierung fordert [69]. Auf derarti-ge Weise optimiert, um das Einwach-sen von Zellen und Gefaen ausdem umliegenden Gewebe zu for-dern, ermoglichen diese intelligen-ten Biomaterialien das Einwachsenvon korpereigenen Zellen und dienachfolgende Produktion von extra-zellularer Matrix, die dem umliegen-den Gewebe in Form und Funktionsehr ahnlich ist und eine ubergangs-lose Integration ermoglicht [32,10].Die Idee dahinter ist, so viel wiemoglich korpereigene Gewebesub-stanz zu erhalten und durch den Ein-bau eines absorbierbaren Implanta-tes, welches von korpereigenen Zel-len bewachsen und neu produzierterMatrix nach und nach ersetzt wird,einen dem ursprunglichen Gewebegleichwertigen Ersatz zu schaffen,was im Idealfall den vorher unaus-weichlichen kunstlichen Gewebeer-satz unnotig macht oder zumindesthinauszogern kann [50].Im Folgenden wird naher auf diemodernen Biomaterialien eingegan-gen, die zurzeit in der Sportmedizinzum Einsatz kommen.BIOMATERIALIEN ZURKNORPELTHERAPIE</p><p>Klassische Biomaterialien in der The-rapie von Knorpelverletzungen ka-men vor allem in Form von Metallenhauptsachlich beim partiellen oderkompletten Oberflachenersatz derknorpeligen Gelenkflachen bzw. kom-pletten Gelenkersatz vor. RostfreierStahl, Kobalt-Chrom-Legierungenaterialien in der Sportmedizin 221</p><p>http://dx.doi.org/10.1016/j.orthtr.2014.07.017</p></li><li><p>SCHWERPUNKT / REVIEWSports Orthop. Traumatol. 30, 220228 (2014)und Titan zeichneten sich insbeson-dere durch ihre hohe Stabilitat ge-genuber den hohen Belastungen imGelenk aus, jedoch konnten Korro-sion und Abriebpartikel zu uner-wunschten allergischen oder sogartoxischen Reaktionen fuhren[51,62]. Auch hatte der relativ gro-e Unterschied in der Elastizitatzwischen Knochen und diesen Me-tallen das sogenannte Stress-shiel-ding zur Folge, bei dem der am Im-plantat anliegende Knochen resor-biert wird und sich das Implantatlockert [71].Neuere Materialien wie Titan habeneine dem Knochen ahnlichere Elasti-zitat und konnen dadurch die stress-induzierte Knochenresorption redu-zieren. Titanimplantate sind gleich-zeitig sehr stabil und erhalten aufihrer Oberflache durch Korrosioneine Titanoxidschicht, welche einenpassiven Korrosionsschutz bildetund zur Biokompatibilitat des Im-plantats beitragt [24]. Wahrend to-xische Verbindungen in Titanlegie-rungen der ersten Generation zu to-xischen Reaktionen fuhren konnten,weisen neuere Titanverbindungenweniger von diesen toxischen Ver-bindungen auf und wurden hinsicht-lich ihrer biomechanischen Eigen-schaften verbessert [19,5]. Zur Zeitwird daran geforscht, inerte Metall-implantate mit diversen Oberfla-chenbehandlungen bioaktiver zumachen, um so fur eine bessereIntegration in das umliegende Ge-webe zu sorgen. Auch konnten neuentwickelte Implantate auf Magne-siumbasis zu resorbierbaren Metall-implantaten fuhren [79]. AuchNichtmetalle wie Keramik werdenals Oberflachenersatz verwendet.Keramikverbindungen wie Tonerde(Al2O3) und Zirkonium, die sehr ho-hen Druckbelastungen standhaltenkonnen, eine hohe Festigkeit undLebensdauer mit geringem Abriebund Reibungskoeffizienten besitzen,eignen sich fur den kunstlichen222 B.L. Proffen, J.T. Sieker BiomatFemurkopf- oder Pfannenersatz[37,73]. Einen ahnlich geringen Rei-bungskoeffizienten und hohe Resis-tenz gegen Druckbelastung besitzensynthetische Polymere, wie zumBeispiel Polyethylen, high-densityPolyethylen und chemisch verlinktesPolyethylen. Diese werden mit Erfolgals Ersatz der acetabularen Gelenk-flachen oder als Inlays fur Kniege-lenkprothesen verwendet [22].Bei lokalisierten Knorpelschaden, dienur eines partiellen Ersatzes derKnorpelschicht bedurfen, geht derTrend jedoch immer mehr hin zu zell-basierten Therapien. Vor zwei Jahr-zehnten war Brittberg et al. einer derersten, der die Transplantation vonautologen Knorpelzellen klinischdurchfuhrte. Dabei wurden die im-plantierten Zellen von einem perios-talen Gewebelappen bedeckt [8].Nachteile dieser Technik wie zumBeispiel Transplantat Hypertrophieoder Implantatversagen fuhrten inder Folgezeit zu Verbesserungen[42]. Heutzutage werden fur dieseTechnik anstatt des periostalen Lap-pens vor allem naturlicherweise imKorper und dort im speziellen in derextrazellularen Matrix vorkommen-den Polymere verwendet. Vorteiledieser naturlich vorkommenden Po-lymere sind, dass diese potentiellvon Zellen erkannt und physiologi-sche Regulierung und Stimulierungvon Zellmechanismen hervorrufen,die fur den Heilungsprozess von Vor-teil sein konnen.In der Gruppe der naturlicherweisevorkommenden Polymere zahlt Kol-lagen zu den am haufigsten verwen-deten Biomaterialien, da es in denfur die Sportmedizin relevanten Ge-weben praktisch ubiquitar vor-kommt. Kollagen kommt naturli-cherweise im Knorpel hauptsachlichals Typ 2 Kollagen vor und wurde inder Knorpeltherapie meist in Formder matrixassoziierten Chondrozyten-implantation schon haufig und er-folgreich verwendet [67,76]. Hierbeierialien in der Sportmedizinwerden in einem zweizeitigen Ver-fahren erst autologe Knorpelzellenaus dem betroffenen Gelenk ent-nommen und in Zellkultur expan-diert. Die kultivierten Zellen werdendann entweder mit dem Kollagengelgemischt und in den Defekt einge-bracht oder als Zelllosung in denDefekt injiziert und danach von ei-ner Kollagenhaut bedeckt [67,76].Die Applikation von Kollagengelenhat hierbei den Vorteil, dass die im-plantierten Zellen homogen in derMatrix verteilt sind, was wiederumeine gleichmaige Produktionneuen Knorpelgewebes fordert. ImVergleich dazu ist die Kollagenpro-duktion bei der Therapie mit Kolla-genhauten haufig auf die Peripheriedes Implantates beschrankt [18].Kollagengele passen sich auch per-fekt jeder Defektform an und konnenso unabhangig von der Defektgroeund -tiefe angewendet werden. Kol-lagengele sind weiterhin bioresor-bierbar und losen auch keine signi-fikante Entzundungsreaktion aus[55]. In gleicher Weise als Knorpel-zelltrager in der Therapie von lokali-sierten Knorpeldefekten wurde auchdas Glykosaminoglykan Hyaluron-saure verwendet [78]. 24 Monatenach dem Eingriff zeigten Patienten,die mit einem hyaluronsaurehaltigenGel behandelt wurden, vergleich-bare Ergebnisse wie Patienten,deren Eingriff mit einem Kolla-gengel durchgefuhrt wurde. Mit ahn-lichem Erfolg wurde auch das fur dieBlutgerinnung wichtige BiopolymerFibrin in der Knorpeltherapie einge-setzt [40].Obwohl die oben genannten zellba-sierten Therapieapplikationen ihreWirksamkeit bewiesen haben, sindsie durch ihre meist zweizeitigen Ein-griffe finanziell und zeitlich sehraufwendig und mussen aufgrund derverwendeten Zellen zusatzliche Medi-zinpr...</p></li></ul>

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