Frakturen und defekte Knochen resultieren häufig aus Traumata, Tumoren, Entzündungen und angeborenen Fehlbildungen 1,2. Obwohl das Knochengewebe bei jungen, gesunden Menschen in der Regel über robuste regenerative Fähigkeiten verfügt3, können Defekte, die eine kritische Größe überschreiten, oder Heilungshindernisse aufgrund systemischer Erkrankungen (z. B. Diabetes, Osteoporose und Infektionen) immer noch zu Komplikationen wie Knochendiskontinuität oder Heilungsstörungenführen 4. Um dieser klinischen Herausforderung zu begegnen, werden häufig Knochentransplantationen oder Biomaterialien verwendet, um stark defekten Knochen zu ersetzen oder große Knochensegmente zu rekonstruieren. Diese Behandlungen haben jedoch Einschränkungen. Obwohl beispielsweise die autologe Knochentransplantation als Goldstandard gilt, leidet sie unter einer eingeschränkten Spenderversorgung und potenziellen Komplikationen an der Spenderstelle 5,6. Allotransplantate bergen auch gewisse Risiken, wie z. B. eine immunvermittelte Abstoßung, eine mögliche Übertragung von Krankheiten und negative Auswirkungen auf die biomechanischen und biologischen Eigenschaften des Transplantats7.
In den letzten Jahren hat die Forschung, die sich auf die Heilungsmechanismen von Knochendefekten konzentriert, stark zugenommen. Die Verwendung alternativer Biomaterialien und Fortschritte im Tissue Engineering haben sich als prominente Themen im Bereich der Knochenregeneration herauskristallisiert8. Bevor diese Biomaterialien in der Humantherapie eingesetzt werden können, müssen sie in vitro und in vivo getestet werden, um ihre Wirksamkeit und Sicherheit zu gewährleisten. Die reduzierte Komplexität von In-vitro-Umgebungen und das Fehlen von Immun- und Entzündungsreaktionen schränken jedoch die Bewertung verschiedener Biomaterialien in vitro ein. Folglich ist die Etablierung von Tiermodellen für verschiedene Arten von Knochengewebedefekten erforderlich9. Tiermodelle ermöglichen die Bewertung von Biomaterialien unter verschiedenen Belastungsbedingungen, erleichtern das Verständnis artspezifischer Knocheneigenschaften und geben Aufschluss über die Ähnlichkeit zwischen Tiermodellen und klinischen Situationen beim Menschen. Diese Vorteile sind essentiell für die Untersuchung von Knochen-Gerüst-Wechselwirkungen und die Translation von Forschungsergebnissen in die klinische Praxis 9,10.
Derzeit werden Tiermodelle für mechanische Knochendefekte häufig verwendet, um die Leistungsfähigkeit von Biomaterialien zu validieren, wobei kraniale Knochendefektmodelle und segmentale Knochendefektmodelle die am häufigsten verwendeten Methoden sind11. Segmentale Knochendefektmodelle, die häufig zur Nachahmung schwerer Schämmungen des langen Knochens oder des Schienbeins verwendet werden, die mit einer Pseudarthrose des Knochens enden, sind aufgrund ihrer einheitlichen Abmessungen und definierten anatomischen Positionen von Vorteil und vereinfachen die radiologische oder histologische Beurteilung der Knochenneubildung und Revaskularisation. Diese Modelle erfordern jedoch Metallimplantate zur Stabilisierung bilateraler Fraktursegmente und erfordern einen komplexen Heilungsprozess, der sowohl endochondrale als auch intramembranöse Ossifikation umfasst12. Auf der anderen Seite sind Modelle von Schädelknochendefekten aufgrund ihrer standardisierten Defektdurchmesser, des bequemen chirurgischen Zugangs und der unterstützenden Funktion von Dura mater und Weichgewebe zu einem primären Screening-Instrument für die Bewertung von Biomaterialien geworden13. Obwohl sie häufig zur Modellierung der intramembranösen Knochenbildung in klinisch relevanten Szenarien verwendet werden, sind sie für die Bewertung der Knochenheilung unter biomechanischen Belastungsbedingungen ungeeignet, da sie während des Heilungsprozesses nicht belastend sind14.
Um diese Einschränkungen zu beheben, etablierten wir ein Modell für kortikale Knochendefekte in der Box-Cavity im femoralen Diaphysengewebe von Ratten. Mit Hilfe von Mikrocomputertomographie (CT), dreidimensionaler (3D) Rekonstruktion und histopathologischer Färbung (Hämatoxylin und Eosin [HE] und Masson) analysierten wir den Heilungsprozess dieses Modells unter Blutstillungsbedingungen. Unser Ziel ist es, neue Erkenntnisse für die Bewertung der Leistungsfähigkeit von Biomaterialien unter biomechanischen Belastungsbedingungen und für die Untersuchung des Bioengineerings und des Mechanismus der Knochenregeneration im Vergleich zur intramembranösen Ossifikation zu liefern.