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Fragestellung: Tissue Engineering am Knochengewebe und die Entwicklung optimaler Ersatzstoffe zur Füllung großer Knochendefekte stellen zwei der anspruchsvollsten Forschungsgebiete in Orthopädie und Unfallchirurgie dar und haben eine hohe klinische Relevanz. Für die nicht-invasive Charakterisierung und Bewertung der Eigenschaften von Knochenersatzstoffen und deren biologischen Verhaltensweisen, ist die micro-Computer-Tomographie (mCT) ein zuverlässiges und geeignetes Instrument, da eine besonders exakte, umfassende und nicht-invasive Darstellung von Mikrostrukturen gelingt.

Fundamentale Probleme in der mCT-Analyse sind jedoch neben der Benutzer-Abhängigkeit in der Datengenerierung vor allem ein Mangel an standardisierten mCT-Auswertungsprotokollen.

Wir haben uns zum Ziel gesetzt, durch einen eigens entwickelten Algorithmus, den mCT-Analyzer, mCT-Datensätze standardisiert und somit objektivierbar und reproduzierbar auszuwerten.

Methodik: Zur Überprüfung unseres Algorithmus haben wir zehn knochenbildende Konstrukte aus beta-Tricalciumphosphat (ßTCP)-Granulat, humanen mesenchymalen Stammzellen und Bone Morphogenetic Protein-7 (BMP-7) gebaut. Diese Konstrukte wurden mittels mCT zu zwei Zeitpunkten untersucht: einerseits vor ektoper Implantation (T0) in immundeffiziente Mäuse und andererseits nach Explantation acht Wochen später (T1). Im Anschluss an die 3D-Rekonstruktion der generierten mCT-Aufnahmen wurden die Datensätze automatisch segmentiert mittels Fuzzy-Clustering bei vollautomatischer Schwellenwertbestimmung. Zusätzlich zur Auswertung der Struktur des ßTCP selbst, wurden in einem zweiten Schritt die für Knochenersatzstoffe typischen Poren extrahiert und vergleichend für T0 und T1 analysiert.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die Analyse der mCT-Datensätze zeigte Korrelate von Knochenbildung im Beobachtungszeitraum von T0 zu T1.

Wir konnten außerdem zeigen, dass unser Algorithmus die gleichen Ergebnisse für Struktur-Parameter (z.B. Konstruktvolumen, Porenanzahl und Porenvolumen) wie nach Analyse durch andere, etablierte Analysemethoden erzielt. Außerdem kann unser Algorithmus noch komplexere Parameter wie Porengröße, Gewebedichte oder Oberflächeneigenschaften erfassen und quantifizieren.

Der mCT-Analyzer ist in der Lage, die Struktureigenschaften von Knochenersatzstoffen durch vollautomatisierte Berechnung einfacher wie komplexer Parameter in einer standardisierten und benutzerunabhängigen Weise auszuwerten. Da der Algorithmus darüber hinaus individuell angepasst werden kann, verbessert er die Anwendung des mCTs in verschiedensten Forschungssettings.