TP0 - SyMBoD

Multiskalenmodellierung und Optimierung zur Gerüstunterstützenden Knochenregeneration

Die verminderte Heilungskapazität von T2DM-Patienten in Kombination mit großen (kritischen) Knochendefeken (non-union) macht die Behandlung klinisch schwierig. In solchen Fällen ist die gerüstgestützte Knochenregeneration eine vielversprechende Alternative zu den bisherigen Behandlungsstrategien. Einer der Vorteile der additiven Fertigungstechnologie liegt in der großen Flexibilität in Bezug auf die verschiedenen herstellbaren Strukturen, was jedoch die experimentelle Prüfung aller möglichen Variationen der Gerüsteigenschaften (Porosität, Porengröße, Materialverteilung, Auflösungsrate etc.) unrealistisch macht. In diesem Teilprojekt wollen wir eine Computerplattform zur Optimierung von personalisierten Gerüsten entwickeln, um die Regeneration großer Knochendefekte (non-union) bei Patienten mit T2DM zu fördern. Darüber hinaus dient der computergestützte Modellierungsansatz als Grundlage für die Entwicklung eines Prognoseinstruments für das Ergebnis der Knochenheilung unter verschiedenen Behandlungsoptionen. Dabei werden modernste Ansätze zur mathematischen Optimierung von Strukturen (Prof. Dondl, mit zusätzlicher Expertise in fortgeschrittenen numerischen Methoden von Prof. Bartels) und mehrskalige mechanobiologische Computermodelle der Geweberegeneration (Prof. Checa) kombiniert. Die in diesem Teilprojekt entwickelten Computermodelle und Simulationsdaten dienen dem übergeordneten Forschungsziel des SYMBoD-Konsortiums, eine digitale Plattformtechnologie für die Theranostik der Knochenregeneration zu entwickeln. Die Teilprojekte 1 und 2 widmen sich der Entwicklung von Multiskalen-Computermodellen der Knochenheilung auf der Grundlage eines kombinierten agentenbasierten/finiten Elementansatzes, der es uns ermöglicht, Omicsdaten direkt zu integrieren, um das Modellverhalten zu beeinflussen. Diese Modelle dienen als Grundlage für die in den TPs 3 und 4 entwickelten vereinfachten Modelle, mit denen eine Gerüstoptimierung durchgeführt werden kann. TP 5 stellt die Verbindung zur übergreifenden Computerplattform für die Knochenheilung her.