Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Vorrichtung zur mechanischen Stimulation des Wachstums von Knorpelgewebe

Ansprechpartner: S. Bütefisch, AG 5.11/ 5.25

Knorpelgewebe gehört zu den Binde- und Stützgeweben und besitzt einen druckelastischen Charakter. In den Gelenken ist das Knorpelgewebe für die Stoßdämpfung sowie für die reibungsarme Bewegung verantwortlich. Dabei wird der Gelenkknorpel nicht direkt von Blutgefäßen mit Nährstoffen versorgt, sondern über „Walk“-Vorgänge aus der umgebenden Gelenkflüssigkeit. Kommt es bei einer Überbelastung zur Verletzung des Knorpelgewebes, so kann dieses nicht von alleine heilen. In der regenerativen Medizin wird deshalb mit körpereigenen Zellen im Labor Ersatzgewebe gezüchtet. Die biomechanische Stimulation stellt dabei einen wichtigen Faktor zur Verbesserung der Gewebebildung dar.
An der Klinik für Orthopädische, Unfall- und Wiederherstellungschirurgie der Charité Berlin wird an der Kultivierung von Knorpelzellgewebe aus unterschiedlicher Herkunft wie dem Gelenk, der Ohrmuschel und der Nasenscheidewand geforscht.
Die PTB hat in Zusammenarbeit mit der Charité eine Vorrichtung zur Biostimulation von Knorpelzellkulturen entwickelt. Hier konnten Erfahrungen der PTB aus dem Bereich der Mikro-Kraftsensorik und der dimensionellen Längenmesstechnik genutzt werden. In der Belastungsvorrichtung wird das zu stimulierende Knorpelzellkonstrukt über einen sterilisierbaren Teflon-Stempel in definierter Stärke komprimiert. Dabei kann einerseits die dazu benötigte Kraft und zum anderen die Deformation der Probe gemessen werden, wobei gleichzeitig auch die biomechanischen Eigenschaften gemessen werden können. Der benötigte Kompressionsweg ist am Anfang der Stimulation relativ groß (einige Millimeter), da zunächst die Flüssigphase aus dem Trägermaterial heraus getrieben werden muss und anfänglich Setzungserscheinungen im Material auftreten. Wenn sich die Zellmatrix im Laufe des Experiments verhärtet, reduziert sich dieser Wert auf deutlich unter 1 mm. Zur präzisen Bestimmung der Steifigkeit muss die Auflösung der Wegmessung im µm-Bereich liegen. Beim Prototyp der Belastungsvorrichtung wurde die Wegmessung mit Hilfe eines Triangulationslasersystems, dessen Auflösung im Bereich einiger Mikrometer liegt, realisiert.
Die Kräfte, die zur Stimulation der Zellkulturen nötig sind, liegen im Bereich von 1 - 3 N. Daher wurde für die Belastungsvorrichtung ein auf Dehnungsmessstreifen (DMS) basierender Kraftsensor ausgewählt, für den ein Messbereich von ±3 N angegeben ist. Da die Wegmessung an der Spitze des Kraftsensors erfolgt, hat die Nachgiebigkeit des Sensors keinen Einfluss auf das Messergebnis.
Als Führung für die Auslenkungseinheit wurde ein Festkörpergelenk gewählt. Es beruht auf dem Parallellenkerprinzip und besteht aus zwei Kohlefaserplatten, die sich aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften besonders gut zur Realisierung von Festkörpergelenken eignen. Durch diese Konfiguration wird eine lineare, nahezu reibungsfreie Vertikalbewegung des beweglichen Teils der Belastungsvorrichtung ermöglicht. Als Antrieb wurde ein Tauchspulensystem gewählt, das reibungsfrei arbeitet und regelungstechnisch gut beherrschbar ist. Die Vorrichtung wird mit Hilfe eines Computers und einer LabVIEW^TM–basierten Software gesteuert. Die analogen Signale des Kraftsensors, des Wegsensors und die Steuersignale für die Aktuator-Elektronik werden mit Hilfe einer rechnerintegrierten Analog-Digital-Wandlereinheit verarbeitet, die eine simultane Aufzeichnung aller relevanten Messwerte ermöglicht. Das Programm erlaubt es, nahezu beliebige Belastungszyklen, bzw. auch wechselnde Sequenzen frei zu programmieren. Erste Tests des Prototyps demonstrierten die Funktionalität des Systems auch unter den für technische Systeme ungünstigen Umweltbedingungen (hohe Luftfeuchtigkeit (90%) im Zellkultur-Inkubator).
In Zukunft soll die Belastungsvorrichtung hinsichtlich Zuverlässigkeit und Bedienkomfort weiter optimiert und in umfangreichen Versuchen getestet werden.




Bild 1: Skizze des Aufbaus der Belastungsvorrichtung mit allen relevanten Bauteilen (a). Der sterilisierbare Teflon-Stempel, über den das Knorpelzell-Konstrukt stimuliert wird, ist mit einem Magneten im Inneren versehen. Er befindet sich in einer Petrischale und wird kraftschlüssig an den Stößel des Stimulators, der ebenfalls mit einem Magneten versehen ist, gekoppelt. Zwischen dem Stempel und der Ankopplungsstelle des Stimulators ist der Deckel der Petrischale geklemmt, was eine Kontamination der Probe verhindert soll. Auf dem Foto (b) ist die realisierte Apparatur abgebildet.