Gestickte Herniennetze aus Chitosan mit lokal einstellbar gradierten Steifigkei-ten zum Einsatz als Implantatmaterial

Ronny Brünler, Moritz Eger, Stephanie Lukoschek, Dilbar Aibibu, Chokri Cherif Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden, Dresden Annette Breier, Cindy Elschner, Judith Hahn, Lars Bittrich, Axel Spickenheuer Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. (IPF), Dresden Corina Vater, Carola Petto, Michael Gelinsky Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung (TFO), Universitätsklinikum der TU Dresden, Dresden

Herniennetze als textiles Implantatmaterial

Die Muskelschicht in der Leistenregion und im Bereich der Bauchwand weist auf-grund durchtretender Blut- und Lymphgefäße natürliche Öffnungen auf. Bei Überlas-tungen oder Bindegewebsschwächen kann es hier zu Austritten von Eingeweiden kommen, die allgemein als Hernien bezeichnet werden. Beispielsweise bezeichnet eine Leistenhernie oder auch Leistenbruch einen solchen Eingeweidedurchbruch im Bereich des Leistenrings. Neben diesem bekannten Beispiel treten solche Defekte in der Regel abdominal, also im Bauchbereich auf (Nabel-, Bauchwand-, Zwerchfellher-nien). Zur dauerhaften Behandlung von Hernien ist aufgrund der patientenseitig vor-handenen Defekte oder Gewebeschwächen eine Naht häufig nicht ausreichend. Da-her werden Kunststoffnetze zur dauerhaften Stabilisierung der Bruchpforte eingesetzt [1].

Hernienoperationen stellen einen Anteil von 10 bis 15 Prozent aller Eingriffe in der Allgemein- und Viszeralchirurgie dar. Das Spektrum der Operationstechniken zur Hernienreparatur ist breit, wobei sich bis dato kein Standardverfahren etablieren konnte. Bei kleinen Brüchen kann der Verschluss durch offene Nahtverfahren erfol-gen. Zum Verschließen größerer Hernien sind die Nahtverfahren aufgrund der Span-nung der Nähte nicht geeignet. Hier hat sich der Einsatz von Netzimplantaten be-währt, um die Bruchpforte dauerhaft zu stabilisieren.

Bei der Auslegung von textilen Herniennetzen treten verschiedene Herausforderun-gen auf. So ermöglichen Netze mit hoher Flächenmasse eine sichere Stabilisierung der Bruchpforte und eine stabile Integration, können jedoch zu Missempfindungen, Bewegungseinschränkungen oder Narbenbildung führen. Netze mit geringem Flä-chengewicht können sich sehr gut in die Bauchwand integrieren, jedoch bestehen erhöhte Risiken der Migration oder eines Implantatversagens. Die Überwindung die-ser konträren Eigenschaften ist bisher nicht zufriedenstellend gelungen.

Entwicklung einer simulationsgestützten Sticktechnologie für lokal gradierte Netzstrukturen

Die derzeit verfolgte Strategie bei den textilbasierten Implantaten in der Hernienchi-rurgie zielt häufig auf wirktechnisch hergestellte Strukturen ab. Das Wirkverfahren lässt zwar eine präzise Einstellung der Porengröße, Fadendichte und Fadenorientie-rung zu, jedoch sind lokale Variationen der Wirkstruktur ohne tiefgreifende Eingriffe in den Wirkprozess nicht möglich.

Zur Überwindung dieser Herausforderungen und der verfahrensbedingten Limitatio-nen haben Dresdner Forscher der Textiltechnik, der Polymerforschung und des Uni-versitätsklinikums interdisziplinär an neuartigen, gradierten Netzimplantaten für die Hernienreparatur auf Basis der Sticktechnik gearbeitet.

Diese Technologie wurde zur Fertigung von Netzimplantaten verwendet, da sich durch das Design die Netzparameter Material, Porosität, Flächengewicht, Dehnbar-keit und Festigkeit anforderungsgerecht einstellen lassen [2]. Darüber hinaus lassen sich Gradierungen und die Geometrie individuell einstellen und auch kleine Produkti-onseinheiten effizient und verschnittlos fertigen. Die vielfältigen Möglichkeiten zur Einstellung der Netzeigenschaften ermöglichen die Realisierung patientenindividuel-ler Herniennetze und können so zu einer Reduzierung der Rezidiv- und Komplikati-onsraten beitragen.

Zur simulationsgestützten Auslegung von Netzimplantaten in verschiedenen Einsatz-szenarien wurden optische Bilddaten von 39 freiwilligen Testpersonen als Grundlage für ein numerisches Modell einer abdominalen Hernie erfasst. Zur Auslegung belas-tungsgerechter Strukturen wurden die Vermessungen der Bauchdecke in unter-schiedlichen Dehnungszuständen mithilfe des 3D-Messsystems ARAMIS durchge-führt (Abb. 1).

Abb. 1 Vermessung der Dehnungszustände der Bauchdecken. (A) ARAMIS-Messsystem zur dreidi-mensionalen Erfassung von Messobjekten. (B) Überführung der optischen Messdaten in ein paramet-risierbares Netz als Grundlage für patientenindividuelle Netzimplantate.

Die Auswertung der Dehnungszustände der Bauchdecken macht große individuelle Unterschiede zwischen den Probanden deutlich, die der jeweils unterschiedlich aus-geprägten Bauchmuskulatur geschuldet sind. Das zeigt, dass es für Hernien-Patienten keine »one-fits-all-Lösung« geben kann, und somit ein großes Potenzial für maßangepasste Netzimplantate besteht, um die anatomischen Gegebenheiten be-rücksichtigen zu können. Auf Basis der ausgewerteten Dehnungszustände sowie der Anamnese der Probanden wurden Netzimplantate mit gradierter Struktur entwickelt, die niedrige Steifigkeiten im Randbereich und hohe, belastungsgerechte Steifigkeiten im Bereich der Bruchpforte aufweisen [3].

Zur praktischen Umsetzung des simulationsgestützt ausgelegten Netzdesigns wurde ein Mustergenerator entwickelt, mit dem sich die gradierten Netzimplantate schnell in die sticktechnische Fertigung überführen lassen (Abb. 2).

Abb. 2 Beispiele für Netzdesigns bestehend aus Grundstruktur (grün) und Verstärkungsbereich (blau). (A) Kleinporig, flexibel. (B) Kleinporig, steif. (C) Großporig, steif. (D) Großporig, nur im Zentrum ver-stärkt, rund. (E) Prinzip variabler Struktursteifigkeiten durch Implementierung einer Verstärkungsstruk-tur.

Erspinnung hochfester Chitosangarne

Aufgrund seiner Zellverträglichkeit, der nicht vorhandenen Entzündungsreaktion und des Degradationsverhaltens ist Chitosan hervorragend als Implantatmaterial geeig-net. Für die Gewährleistung einer hohen Implantatstabilität sowie der Verarbeitbarkeit von Chitosangarn im Stickprozess wurden die bisher verfügbaren Spinnprozesse tiefgreifend verändert. Es konnten sowohl Monofile mit Durchmessern von 100 µm bis 300 µm als auch Garne aus 12 bis max. 24 Einzelfilamenten mit Durchmessern von 20 µm und einer Mindestfestigkeit von 20 cN/tex in reproduzierbarer Qualität er-sponnen werden [4]. Die Filamentdurchmesser der Fasern können dabei über die gezielte Anpassung der verschiedenen Prozessparameter wie den Volumenstrom der Spinnpumpe, die Düsengeometrie sowie die Verstreckung des Garns über die gesamte Prozessstrecke eingestellt werden. Die erhaltenen Chitosangarne besitzen eine homogene und glatte Oberfläche sowie einen runden Faserquerschnitt.

Um die Multifilamentgarne auf Stickmaschinen zu verarbeiten, war es notwendig, Garnkonstruktionen zu entwickeln, die ein gutes Abgleiten des Fadens im Stickpro-

zess ermöglichen und keine Filamentbrüche aufweisen. Zur Realisierung des erfor-derlichen Garnzusammenhalts wurden auf den Garnmaterialien Schlichtesysteme aufgebracht sowie die Flecht- und Zwirntechnologie angewendet. Eine sticktechni-sche Verarbeitung von geschlichteten und gezwirnten Chitosangarnen als Unterfa-den konnte durch Befeuchtung des Materials erfolgreich umgesetzt werden, sodass teilresorbierbare Netze herstellbar waren [5].

Chitosan als resorbierbare Komponente für komfortable Herniennetze

Für die erfolgreiche Behandlung von Hernien mit Netzimplantaten sind teilresorbier-bare Strukturen erfolgversprechend. Eine resorbierbare Komponente aus Biomateria-lien ermöglicht eine gute Einheilung und eine hohe Stabilität direkt nach der Operati-on. Nach dem Abbau verbleibt ein stabilisierendes, leichtes Netz, dass Missempfin-dungen vermeidet, wie sie bei dauerhaft verbleibenden Netzstrukturen mit hohem Flächengewicht auftreten. Jedoch haben bisher verwendete, resorbierbare Materia-lien häufig saure Abbauprodukte, die zu Entzündungen oder Abstoßungen des Net-zes führen können.

Zur Entwicklung einer resorbierbaren Komponente wurden daher umfangreiche Un-tersuchungen zur Eignung von Chitosan als Implantatmaterial durchgeführt. Chitosan wird aus dem nachwachsenden Rohstoff Chitin gewonnen, das am häufigsten vor-kommende Biopolymer nach der Cellulose.

Die Zytokompatibilität (Zellverträglichkeit) des Materials wurde mit Hilfe von humanen mesenchymalen Stromazellen und humanen Bindegewebszellen in vitro untersucht. Für die Untersuchung auf Netzstrukturen wurden neue Besiedlungsmethoden entwi-ckelt (Abbildung 3).

Weiterhin wurden die neuentwickelten Implantate hinsichtlich ihrer Verträglichkeit untersucht. Hierfür wurden in vitro spezifische Botenstoffe (Zytokine) bestimmt, die Immunantworten anregen und damit Entzündungen anzeigen. Es konnte gezeigt werden, dass die Rohmaterialien, die Fasern sowie die Netzstrukturen keine Entzün-dungsreaktion hervorrufen und damit hervorragend als Grundmaterial für Hernien-netzstrukturen geeignet sind [4].

Abb. 3: Zellverträglichkeitstest von humanen mesenchymalen Stromazellen (hMSCs) auf Chitosan-netzen (lebende Zellen grün angefärbt, tote Zellen rot angefärbt).

Um die Beständigkeit nach der Implantation abzuschätzen wurde das Degradations-verhalten der Netzstrukturen untersucht. Chitosan ist ein Polysaccharid und kann enzymatisch resorbiert werden. Dieser enzymatische Abbau wurde anhand des im menschlichen Blutserum vorhandenen Enzyms Lysozym untersucht. Die Ergebnisse aus den Degradationsversuchen zeigen einen 25-%igen Abbau der Chitosannetze über 12 Monate und ermöglichen damit eine schrittweise Degradation im Körper über mehrere Jahre hinweg, so dass eine vollständige Ausheilung stattfinden kann.

Zusammenfassung

Netzstrukturen mit gradierter Struktursteifigkeit und resorbierbaren Chitosanfaserma-terialien ermöglichen eine erfolgreiche Behandlung von Bauchwanddefekten. Auf Grundlage optischer Untersuchungen an Bauchdecken in unterschiedlichen Deh-nungszuständen wurden anisotrope Dehnungsverteilungen nachgewiesen, die als Basis für eine simulationsgestützte Auslegung von patientenindividuellen Stickmus-tern mit gradierter Steifigkeit und teilresorbierbaren Komponenten dienen. Das Biopo-lymer Chitosan ist aufgrund der Biokompatibiltät und seiner einstellbaren Degradier-barkeit hervorragend für eine solche langsam degradierende Komponente geeignet und kann zu verstickbaren Garnen in unterschiedlichen Aufmachungen und hoher Festigkeit gesponnen werden.

Die umfangreichen Arbeiten der interdisziplinär zusammenwirkenden Forschungsein-richtungen resultieren in der Entwicklung einer simulationsgestützten Technologie zur Herstellung belastungsgerechter, faserbasierter Implantate mit definierten, lokal un-terschiedlichen Steifigkeitsgradienten (Abbildung 4).

Abb. 4: Spannungsverteilung in der Bauchdecke (A), generisches Stickmuster zur Erzielung gradierter Struktursteifigkeiten (B) und gestickte Netzstruktur mit resorbierbarer Chitosan-Komponente und dauer-haft verbleibender Grundnetzstruktur mit variabler Steifigkeit (C).

A C B

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 18790BR der Forschungsvereinigungen Forschungskuratorium Textil e.V. und DECHEMA wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der indust-riellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Wir danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel und den Firmen des Projektbegleiten-den Ausschusses (PA) für die fachliche Unterstützung sowie die Bereitstellung von Versuchsmaterial. Der Abschlussbe-richt und weiterführende Informationen sind am Institut für Textilmaschinen und Texti-le Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden am Institut für Polymerfor-schung e.V. (IPF) sowie am Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk und Weichgewebeforschung (TFO) am Universitätsklinikum Dresden erhältlich.

Literaturverzeichnis

[1] Kaufmann R, Halm J A, Eker H H, Klitsie P J, Nieuwenhuizen J, van Geldere D, Simons M P, van der Harst E, van `t Riet M, Kleinrensink G J, Jeekel J, Lange J F. Mesh versus suture repair of umbili-cal hernia in adults: a randomised, double-blind, controlled, multicentre trial. Lancet (2018), Vol. 391, S. 860-869

[2] Breier, A. C.: Embroidery technology for hard-tissue scaffolds. In: Blair, T. (Hrsg.): Bio-medical Textiles for Orthopaedic and Surgical Applications: Fundamentals, Applications and Tissue Engineer-ing. Woodhead Publishing Series in Biomaterials. Elsevier (2015) S. 23 - 43

[3] Breier, A., Bittrich, L., Hahn, J., Wende, L., Spickenheuer, A.: Stress-adapted hernia meshes pro-duced by embroidery technology: Evaluation of the influence of the reinforcement structure. Biomedi-cal Engineering / Biomedizinische Technik 62 (2017) s2, S. 70.

[4] Eger, M., et al.: Collagen-coated chitosan hybrid implant for the treatment of abdominal wall herni-as. Kollagenbeschichtete Chitosan-Hybrid-Implantate zur Behandlung von Bauchwandbrüchen. 56. Chemiefasertagung Dornbirn (2017)

[5] Eger, M., Vater, C., Hahn, J., Lukoschek, S., Petto, C., Bittrich, L., Breier, A., Kempert, P., Aibibu, D., Spickenheuer, A., Gelinsky, M., Cherif, Ch.: Fabrication and characterization of partially-resorbable embroidered chitosan-PVDF meshes with tissue-specific load adaption for the treatment of abdominal wall hernias. Biomedical Engineering / Biomedizinische Technik 62 (2017) s2, S. 69