Authors:	Schulte, Yeni
Title:	Entwicklung eines standardisierten Verfahrens zur 3D gestützten Rekonstruktion von personalisierten Nasenepithesen basierend auf medizinischen Bilddaten und: die optimierte biomechanische Anpassung des Silikonmaterials an die humanen Gewebestrukturen
Online publication date:	6-Jul-2022
Year of first publication:	2022
Language:	german
Abstract:	Ziel dieser Arbeit war es, eine Nasenepithese zu entwickeln, die der menschlichen Nase in ihrer Biomechanik bestmöglich ähnelt. Hierzu wurden zwei Schwerpunkte gesetzt: Zum einen die Entwicklung eines Workflows einer Zwei-Komponenten Nasenepithese, zum anderen wurde das biomechanische Verhalten von Septum-, Knorpel- und Silikonproben über Nanoindentierungen und Kompressionsmessungen analysiert. Es ist gelungen, einen Workflow Schritt für Schritt darzustellen und reproduzierbar zu machen, sodass dieser universell anwendbar ist. Dieser Workflow kann in Zukunft als CAD/CAM Standard dienen, um Nasenepithesen herzustellen. Durch die Digitalisierung des Patientengesichtes kann die Anwesenheit des Patienten von durchschnittlich fünf Kontakten auf ein bis zwei Kontakte reduziert werden. Die manuelle Anpassung entfällt und kann rein virtuell erfolgen mit vergleichbar guten Ergebnissen wie die der konventionellen Epithesenherstellung. Des Weiteren wird die Arbeits- und Bearbeitungszeit auf ein Minimum reduziert. Innerhalb von zwei Tagen kann Nasenepithese gefertigt werden, konventionell zog sich die Produktion über einen Zeitraum von fünf bis sieben Wochen. Die Erstanfertigung einer Epithese beläuft sich auf Kosten von ca. 309€ und die Zweitanfertigung beinhaltet fast nur noch die Materialkosten von 32,26€. Dies entspricht einem Bruchteil der Kosten der konventionellen Epithesenkonstruktion. Zum ersten Mal wurde eine zwei Komponenten Epithese produziert. Sie besteht aus einem weichen Silikon- und einem harten Silikonanteil. Grund für diese Entwicklung ist, möglichst nah an die haptischen Eigenschaften der menschlichen Nase heranzukommen. Es wurde eine Gussform konstruiert, in welcher ein Knorpelmodell aus der harte Silikonkomponente gegossen werden konnte. Das Silikon-Knorpelmodell konnte anschließend in einer zweiten Gussform platziert werden, und das weiche Silikon, welches dem Weichgewebe der Nase entspricht, eingegossen werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden die biomechanischen Eigenschaften der verwendeten synthetischen Materialien für die Nasenepithese mit denen der echten Nase verglichen. Hierzu wurden die Nanoindentierungen und Kompressionsmessungen an allen Proben durchgeführt. Bei der Nanoindentierung wurde im Mittel ein Young’s Modulus von 4,51 kPa ± 2,1 kPa für den Nasenknorpel und ein YM von 116,61 kPa ± 101,91 kPa für die Nasensepten gemessen. Davon wichen die nanoindentierten Silikonproben stark ab. Sie zeigten einen YM von 53,09 kPa ± 9,16 kPa für die weichen Silikonproben und 1193,93 kPa ± 74,93 kPa für die harten Silikonproben. Hiermit konnte gezeigt werden, dass die Elastizität von Knorpelproben bzw. weichem Silikon höher ist als die der Septumproben bzw. des harten Silikons. Um das biomechanische Verhalten im Gesamten beurteilen zu können, wurden weitergehend Kompressionsmessungen an Septum-/Knorpelproben und ihrem umgebenden Weichgewebe durchgeführt, sowie Messungen an den für die Nasenepithese verwendeten Silikonproben. Insgesamt wurden fünf Messzyklen je Probe durchgeführt und der YM des ersten sowie fünften Messzyklus getrennt voneinander betrachtet. Die Gewebeproben zeigten ein ausgeprägtes viskoelastisches Verhalten im Gegensatz zu Silikon, welches eher elastische Eigenschaften aufwies. Die genaue Simulation des natürlichen Gewebes durch das Ersatzmaterial Silikon war also nicht möglich. Vergleicht man jedoch die YM direkt miteinander, so konnte eine Annäherung an das mechanische Verhalten der natürlichen Proben erreicht werden. Bei der Vermessung der Gewebeproben zeigte der erste Messzyklus überwiegend die viskoelastischen Eigenschaften des Weichgewebes, die vor allem durch Flüssigkeitsverschiebungen innerhalb des Gewebes erklärt wurden. Aus den Messungen des ersten Zyklus ergab sich ein YM von etwa 0,67 MPa ± 0,14 MPa (Septumprobe) sowie 0,59 MPa ± 0,19 MPa (Knorpelprobe). Diese Werte glichen annähernd denen des weichen Silikons mit 0,23 MPa ± 0,006 MPa. Daher wurde dieses Material ausgewählt, um das Weichgewebe der Nase zu simulieren. Der fünfte Messzyklus zeigt vor allem den Einfluss der zellulären und fibrösen Anteile auf das Elastizitätsmodul, insbesondere von Kollagen – der Hauptbestandteil von Knorpel nach Verlust der fluiden Anteile. Der Young’s Modulus von 3,87 MPa ± 1,39 MPa (Septumproben) und 4,55 MPa ± 1,34 MPa (Knorpelprobe) wurde daher als Richtwert für die harte Komponente des Silikons, der den knorpeligen Anteil der Nase simulieren soll verwendet. Der YM des harten Silikons betrug 2,55 MPa ± 0,2 MPa. Diese ermittelten Werte entsprachen Silikonen mit Shore Härten von 00-30 bzw. 60A. Jedoch waren die Werte der vermessenen Silikone im Vergleich zu den Gewebeproben etwas niedriger, sodass wahrscheinlich die Auswahl etwas höherer Shore Härtegrade angemessen gewesen wäre, um eine optimale Angleichung zu erlangen.
DDC:	610 Medizin 610 Medical sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 04 Medizin
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-6889
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-2bb3c474-2b1e-4670-9cff-34d49748ab939
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	95 Seiten, Illustrationen
Appears in collections:	JGU-Publikationen