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Zusammenfassung des Forschungsprogramms des Sonderforschungsbereichs ELAINE

Die europäische Bevölkerung altert schnell. Bis zum Jahr 2060 wird jede dritte Person, die in Deutschland lebt, älter als 65 Jahre sein. Aus diesem Grund ist die soziale und sozioökonomische Relevanz regenerativer Therapien deutlich angestiegen. Dies gilt insbesondere für Implantate: Je älter die Bevölkerung wird, desto mehr medizinische Implantate für verschiedene Indikationsbereiche sind erforderlich und desto häufiger müssen sie im Verlauf der Therapie ausgetauscht werden. Das Forschungsvorhaben ELAINE konzentriert sich auf neuartige, elektrisch aktive Implantate. Speziell sollen Implantate erforscht werden, die für die Regeneration von Knochen und Knorpel eingesetzt werden. Die mit dem Vorhaben angestrebte elektrische Stimulation für Knorpel stellt ein absolutes Novum dar. Ebenfalls neu ist die Verwendung elektrischer Stimulation für sehr große Knochenschäden. Einen weiteren Forschungsschwerpunkt bilden Implantate für die Tiefe Hirnstimulation zur Therapie von Bewegungsstörungen.

Skizze zu einem völlig neuartigen elektro-stimulativen Implantat für die Knorpelregeneration im Knie
Skizze zu einem völlig neuartigen elektro-stimulativen Implantat für die Knorpelregeneration im Knie

Das erste Ziel ist die Schaffung innovativer energieautonomer Implantate, die eine rückgekoppelte elektrische Stimulation ermöglichen. So wird die Basis für neue medizinische Langzeitanwendungen und eine individuelle Therapie geschaffen, indem eine miniaturisierte elektronische Implantatplattform mit extrem niedrigem Stromverbrauch für alle elektrisch aktiven Implantate im Fokus von ELAINE konzipiert wird.

Ein zweites Ziel sind effiziente multiskalige Simulationsmodelle, um rasche Fortschritte bei gezielten Implantatverbesserungen und patientenspezifischen Therapien zu ermöglichen. So werden neue Methoden zur Simulation von Biomaterial-Komposita, elektromagnetischem Stimulus lebender Zellen und die Validierung von Ergebnissen das grundlegende Verständnis weit über den Stand der Forschung hinaus vorantreiben.

Das dritte langfristige Ziel ist es, die grundlegenden Mechanismen der elektrischen Stimulation in Knochen, Knorpel und Gehirn zu analysieren und dieses Wissen in die klinische Praxis zu transferieren. Die technische Vision konzentriert sich dabei auf einen energieminimierten elektrischen Stimulator, der 12 Wochen autonom, vollständig programmierbar und implantierbar mit kontinuierlichen und intermittierenden Modi für die Anwendung sowohl bei Menschen als auch bei Tieren funktioniert. Dazu werden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Bereichen Elektrotechnik, Informatik, Maschinenbau, Materialwissenschaften, Physik, Biologie und Medizin interdisziplinär zusammenarbeiten. Als einzigartiges Merkmal ermöglicht unser interdisziplinäres Konsortium eine wissenschaftlich fundierte Validierung neu abgeleiteter theoretischer Modelle, numerischer Methoden und technischer Lösungen durch Experimente sowohl in den Ingenieur- als auch in den Lebenswissenschaften. Dieses risikoreiche interdisziplinäre Forschungsprogramm soll neue Ansätze für künftige biomedizinische Implantate aufzeigen, um die Chancen für eine Überwindung der oben genannten gesundheitlichen Probleme alternder Bevölkerung zu erhöhen.

Übersicht über die Projektstrukur und die Teilvorhaben

Projektbereich A – Modellbildung und Charakterisierung - in silico und in vitro
A01 Domänen-spezifische Sprachen zur Entwicklung von räumlichen, multiskaligen, biochemischen Modellen und deren Anwendung Modellierung und Simulation Prof. Dr. rer. nat. habil. Adelinde Uhrmacher Institut für Informatik; Rostock
A02 Multiskalenmodelle für Simulationsstudien zu elektrisch aktiven Implantaten unter Berücksichtigung von Unsicherheiten in den Eingangsdaten Theoretische Elektrotechnik Prof. Dr. rer. nat. habil. Ursula van Rienen, Dr.-Ing. Christian Schmidt Institut für Allgemeine Elektrotechnik; Rostock
A03 Material-Oberflächenladungen und ihr Einfluss auf die Zell-Physiologie und –Morphologie Zellbiologie, Oberflächen- und Grenzflächenphysik Prof. Dr. agr. habil. J. Barbara Nebe, Prof. Dr. rer. nat. habil. Sylvia Speller Zentrum für Medizinische Forschung - Arbeitsbereich Zellbiologie, Institut für Physik; Rostock
A04 Elektrisch leitfähige Multischichten für Oberflächen von Implantaten Weiche Materie und Biophysik Prof. Dr. rer. nat. habil. Christiane A. Helm Institut für Physik; Greifswald
A05 Dielektrische Charakterisierung von Zellen, Geweben und Materialien Bioelectrics Prof. Dr. rer. nat. Jürgen F. Kolb Leibniz-Institut für Plasma-forschung und Technologie; Greifswald
Projektbereich B - Funktionswerkstoffe, Energieversorgung und Zuverlässigkeit
B01 Elektrisch leitfähige und piezoaktive Materialien für multifunktionale Implantate zur Knochen- und Knorpelregeneration Additive Fertigung und Biomaterialien Prof. Dr.-Ing. Hermann Seitz, Prof. Dr.-Ing. habil. Aldo R. Boccaccini Lehrstuhl für Fluidtechnik und Mikrofluidtechnik; Rostock, Institut für Biomaterialien; Erlangen
B02 Umwandlung von mechanischer Energie als interne Energieversorgung für elektrisch aktive Implantate Biomechanik und Implantattechnologie PD Dr.-Ing. habil. Daniel Klüß Orthopädische Klinik und Poliklinik; Rostock
B03 Energie-autarke Plattform für elektrisch stimulierende Implantate Rechner in Technischen Systemen, Mikro- und Nanotechnik elektronischer Systeme Prof. Dr.-Ing. Dirk Timmermann, Prof. Dr.-Ing. Dennis Hohlfeld Institut für Angewandte Mikroelektronik und Datentechnik, Institut für Gerätesysteme und Schaltungstechnik; Rostock
B05 Bewertung der mechanischen Zuverlässigkeit von porösen funktional gradierten Implaturen durch lokale Scntatstrukhädigungsansätze Strukturmechanik Prof. Dr.-Ing. habil. Manuela Sander Lehrstuhl für Strukturmechanik; Rostock
Projektbereich C - Regeneration von Gewebestrukturen - in vitro und in vivo
C01 Elektrische Stimulation der Osseoinduktion unter Verwendung alloplastischer Rekonstruktionsplatten nach Segmentresektion des Unterkiefers Mund-, Kiefer- und Plastische Gesichtschirurgie PD Dr. med. habil. Dr. dent. Peer W. Kämmerer Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Plastische Gesichts-chirurgie; Rostock
C02 Elektrische und mechanische Stimulation des hyalinen Knorpels: Charakterisierung der zellulären Prozesse und Stimulationsparameter Biomechanik und Implantattechnologie, Fluidtechnik und Mikrofluid-technik Prof. Dr. med. habil. Dipl.-Ing. Rainer Bader, Prof. Dr.-Ing. Hermann Seitz Orthopädische Klinik und Poliklinik, Lehrstuhl für Fluidtechnik und Mikrofluid-technik; Rostock
C03 Tiefe Hirnstimulation in Dystoniemodellen: Biologische Implementierung, Stimulationsparametereingrenzung und Mechanismenanalyse Physiologie, Pharmakologie Prof. Dr. med. habil. Rüdiger Köhling, Prof. Dr. med. vet. habil. Angelika Richter Oscar-Langendorff-Institut für Physiologie; Rostock, Institut für Pharmakologie, Pharmazie und Toxikologie; Leipzig
C04 Effekte der Tiefen Hirnstimulation auf die adulte Neurogenese im Parkinson-Rattenmodell: Wirkmechanismen, Stimulationsparameter und Korrelation mit Verhalten Neurologie Prof. Dr. med. habil. Alexander Storch Klinik und Poliklinik für Neurologie; Rostock
Zentrale Projekte
INF Informationsinfrastruktur Prof. Dr.-Ing. Sascha Spors, Prof. Dr. rer. nat. habil. Ursula van Rienen, Prof. Dr.-Ing. habil. Manuela Sander Institut für Nachrichtentechnik, Institut für Allgemeine Elektrotechnik, Institut für Struktur-mechanik; Rostock
IRTG Integriertes Graduiertenkolleg Prof. Dr. med. habil. Alexander Storch, Prof. Dr.-Ing. Sascha Spors Klinik und Poliklinik für Neurologie, Institut für Nachrichtentechnik; Rostock
Z Zentrale Aufgaben des Sonderforschungsbereichs Prof. Dr. rer. nat. habil. Ursula van Rienen Institut für Allgemeine Elektrotechnik; Rostock