Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Simulationsgestützte Entwicklung und Evaluierung neuartiger gewebter biomimetischer Implantate zur Regeneration und Therapie von Sehnen- und Bänderdefekten

Das Ziel des geplanten branchenübergreifenden IGF-Forschungsvorhabens „BIOMPLANT“ ist die simulationsgestützte Entwicklung einer flexiblen Technologie zur Umsetzung von gewebten, gradierten, biomimetischen und langzeitresorbierbaren Sehnen- und Bänder (SB)-Implantaten auf Basis von biokompatiblen Seidenfibroingarnen und Kollagen.

Die zu entwickelnden Implantate sollen dabei biomimetisch über strukturmechanische und geometrische Gradienten der nativen anatomischen Form und dem biomechanischen Verhalten der menschlichen SB angenähert werden, um eine schnelle Heilung und ein Remodelling der Zellen zu ermöglichen. Die Gradienten werden simulationsgestützt und mit Hilfe neu zu entwickelnder Webtechnologien umgesetzt. Mittels einer Kollagen-Funktionalisierung soll die Biokompatibilität der Implantate erhöht und die Regeneration gefördert werden.

Zur Bewertung der Wirksamkeit und Kompatibilität erfolgen umfassende Untersuchungen zum biomechanischen Verhalten sowie zur Degradation und Zellreaktion unter zyklischer mechanischer Beanspruchung im Bioreaktor in simulierter Körperflüssigkeit. Die biomechanische Analyse erfolgt im komplexen Verbund von Knochen und Implantat unter physiologisch angenäherten Bedingungen und belastungstypischen in vivo-Beanspruchungsszenarien, die auch potentielle Bruchkanten von Nahtstellen berücksichtigt. Nach Auswertung der Ergebnisse sollen diese im Kontext der Zellreaktion bewertet werden.

Aufbauend auf diesen Bewertungen sollen zwei Demonstratoren für den Einsatz als Implantat anhand exemplarischer Beispiele für eine Sehne und ein Band des menschlichen Körpers gefertigt werden. KMU-gerechte Richtlinien zur Herstellung von Geweben mit strukturmechanischen und geometrischen Gradienten werden erarbeitet. Die Projektergebnisse lassen sich unmittelbar direkt von KMU der Bandwebindustrie und der Medizinproduktebranche sowie mittelbar von KMU der Leichtbau- und Composite-Branche nutzen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des interdisziplinären IGF Projektes 20043 BR (BIOMPLANT) wurde eine Technologie zur simulationsgestützten Entwicklung und Fertigung gewebter biomimetischer Implantate zur Regeneration und Therapie von Sehnen- und Bänderdefekten entwickelt. Hierbei wurden strukturmechanische und geometrische Gradienten über die Gewebestruktur so umgesetzt, dass diese der nativen anatomischen Form und dem biomechanischen Verhalten gesunder Sehnen und Bänder angenähert sind. Hierfür wurden Gewebestrukturen mit gezielt einstellbaren Steifigkeits- und Geometriezonen, die über die Implantatlänge verteilt sind, realisiert. Dies erfolgte durch die Abbildung der Zusammenhänge der strukturellen und physikalischen Eigenschaften der komplexen 3D-Textilstrukturen durch Mikro-Skalen-Modelle auf FEM-Basis und deren biomimetische strukturelle und mechanische Auslegung. Dafür wurde erstmalig ein breitenvariables Riet in Kombination mit der ORW-Technik an einer Spulenschützen-Bandwebmaschine konstruktiv-technologisch umgesetzt.

Die Erkenntnisse aus dem Projekt können branchenübergreifend genutzt werden, so dass sich zahlreiche Neuentwicklungen im stetig wachsenden Composites-Markt eröffnen. Als großserientaugliche Technologie bietet sich so ein großes Potential für die KMU-geprägte Bandweberei im Bereich Leichtbau und Verbundbauteile. Vor allem die KMU aus den Bereichen Faserstoffe, Textil- und Sondermaschinenbau, und Bandweben sowie Medizintechnik und Biomaterialien werden die erarbeiteten Ergebnisse nutzen können, da sie sich durch die Erweiterung der Produktpalette ihren Anteil an den wachsenden Märkten Technische Textilien, Medizintechnik und Leichtbau sichern können.