Entwicklung von Meniskusimplantaten mithilfe virtueller Simulationsmethoden: Eine interdisziplinäre Herangehensweise

Abstract

Der Meniskus ist ein integraler Bestandteil eines gesunden Kniegelenks. Er besteht hauptsächlich aus Kollagenfasern, die dreischichtig angeordnet sind. Insbesondere die tiefe, zirkumferente Kollagenfaserschicht ermöglicht die Umwandlung axialer Druckbelastung in zirkumferenten Stress, was zur Lastenverteilung auf dem Tibiaplateau und zum Schutz des Knorpels beiträgt. Meniskusverletzungen sind häufig und erhöhen das Risiko einer Osteoarthrose erheblich. Bei akuten traumatischen sowie degenerativ bedingten Meniskusverletzungen wird zunächst eine konservative Therapie empfohlen, sofern keine mechanischen Symptome wie Gelenkblockaden vorliegen. Diese umfasst unter anderem Physiotherapie, entzündungshemmende Medikamente und intraartikuläre Injektionen. Bei persistierenden Beschwerden oder mechanischen Einschränkungen kann jedoch eine arthroskopische Intervention erforderlich sein. Neben der Meniskusnaht und der partiellen Meniskektomie stellen allogene Meniskustransplantationen sowie der Einsatz von Meniskusimplantaten vielversprechende therapeutische Alternativen dar, insbesondere bei ausgedehnten Meniskusschäden. Kommerziell erhältliche Meniskusimplantate scheitern unteranderem jedoch oft daran, die natürliche Kollagenfaserorientierung nachzuahmen. Die Finite-Elemente-Methode (FEM) bietet eine virtuelle Simulationsplattform, um Implantate effizienter zu entwickeln und zu testen. Eine interdisziplinäre Zusammenarbeit ist dabei unerlässlich.

The meniscus is an integral part of a healthy knee joint. It consists mainly of collagen fibers, which are arranged in a three-layered manner. In particular, the deep, circumferential collagen fiber layer enables the conversion of axial compressive loads into circumferential hoop stress, contributing to load distribution on the tibial plateau and protecting the cartilage. Meniscus injuries are common and significantly increase the risk of osteoarthritis. In cases of acute traumatic or degenerative meniscus injuries, conservative therapy is initially recommended, provided there are no mechanical symptoms such as joint locking. This therapy includes physiotherapy, anti-inflammatory medications, and intra-articular injections. However, if symptoms persist or mechanical restrictions occur, arthroscopic intervention may be necessary. In addition to meniscus suturing and partial meniscectomy, allogeneic meniscus transplantation and the use of meniscus implants represent promising therapeutic alternatives, particularly for extensive meniscus damage. However, commercially available meniscus implants often fail to replicate the natural collagen fiber orientation. The finite element method (FEM) provides a virtual simulation platform to develop and test implants more efficiently. Interdisciplinary collaboration is essential in this process.