Metallische Biomaterialien Forschungsverbünde

Der Institutsteil Metallische Biomaterialien ist an diversen Forschungsverbünden beteiligt. Die Bandbreite reicht dabei von der federführenden Leitung großer EU MSCA Projekte, eines Virtuellen Institutes der Helmholtz Gemeinschaft und einer Kooperation im Rahmen des Röntgen-Ångström-Clusters bis zur Beteiligung als Partner an einem BMBF-Verbundforschungsprojekt und dem Graduiertenkolleg M4B - Materials for brain.

BMBF computational life science - MDLMA HGF Incubator - Uncertainty Quantification EU MSCA ETN - MgSafe DFG - OAMag Therapie Helmholtz - RSF Joint Research Group BMBF RÅC - SynchroLoad BMBF Verbundforschungsprojekt MgBone Graduiertenkolleg M4B - Materials for brain Helmholtz Virtuelles Institut MetBioMat (2012 - 2017) EU MCA ETN - MagnIM (2011 - 2015)


BMBF computational life science - MDLMA

Bmbf Mdlma Multi-task Network Model

MDLMA-Netzwerkmodell

MDLMA - Multi-task Deep Learning for Large-scale Multimodal Biomedical Image Analysis (Multitasking Deep Learning für die multimodale biomedizinische Bildanalyse in großem Maßstab)

Um die stetig wachsende Anzahl biomedizinischer Daten aus verschiedensten Quellen bzw. Bildgebungsmodalitäten, wie z.B. der Magnetresonanztomographie (MRT), Computertomographie (CT), Kleinwinkelröntgenstreuung (SAXS) oder Histologie, effizient verarbeiten und analysieren zu können, werden in dem Projekt generische “Deep Learning“ (DL) Methoden entwickelt.

Die in dem Projekt entwickelten Methoden und Softwarewerkzeuge werden eingesetzt für die Untersuchung und Entwicklung biologisch abbaubarer Implantatmaterialien auf Magnesiumbasis.

In dem Projekt werden unter der Leitung von Prof. R. Willumeit-Römer das HZG, zwei Institute der Universität zu Lübeck, das DESY und als assoziierter Parter die Syntellix AG zusammen arbeiten.

Bekanntmachung des BMBF zur Fördermaßnahme "Computational Life Sciences". Computational Life Sciences eine Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF)


HGF Incubator - Uncertainty Quantification

Hgf Incubator Uncertainty Quantification Grafic

Uncertainty Quantification - From Data to Reliable Knowledge (Quantifizierung der Unsicherheit - Von Daten zu verlässlichem Wissen)

Die Wissenschaft ist in eine Ära eingetreten, in der eine Lawine von Daten verfügbar wird, und Helmholtz-Forscher sind führend auf dem Gebiet der Experimental- und Simulationswissenschaften, die zu dieser Entwicklung beitragen. Eine der größten Herausforderungen besteht heutzutage darin, solche Daten zur Lösung der wichtigsten Fragen der Gesellschaft, der Wissenschaft und der Wirtschaft zu verwenden.

Sowohl Daten als auch Methoden unterliegen Unsicherheiten, die in realen Anwendungen häufig als unvermeidbare Belastung angesehen werden. Mit geeigneten Analysemethoden kann Unsicherheit jedoch zu einer wertvollen Informationsquelle werden.

In dem Projekt werden insgesamt sieben Helmholtz-Zentren zusammen daran arbeiten, einen gemeinsamen Rahmen für den Wissenstransfer im Bereich der Unsicherheitsquantifizierung (UQ) bereitzustellen. Wir werden angewandte Forscher mit denen aus Mathematik, Statistik und Informatik zusammenbringen. Darüber hinaus werden wir Kooperationen zwischen Forschungszentren und Anwendungsgebieten aufbauen, um das dezentrale Know-how der Helmholtz-Gemeinschaft voll auszuschöpfen.

Die Aufgabe unserer Gruppe am HZG wird es sein, die Computermodellierung der Magnesiumlegierungskorrosion mit den vielen verfügbaren Daten zu verknüpfen, um die Vorhersagekraft des Modells auf der Grundlage der Menge und Qualität der Daten zu quantifizieren, die als Eingabe und Validierung verwendet werden.

Der Helmholtz-Inkubator


EU MSCA ETN - MgSafe

Mgsafe Logo I

Promoting patient safety by a novel combination of imaging technologies for biodegradable magnesium implants - Förderung der Patientensicherheit durch eine neuartige Kombination von Bildgebungstechnologien für biologisch abbaubare Magnesiumimplantate

Im Rahmen des von Prof. Willumeit-Römer koordinierten European Training Network erforschen 15 Nachwuchswissenschaftler (ESRs) bioabbaubare Magnesium-Implantate für die Medizin.

Das Projekt vereint acht Universitäten und Forschungseinrichtungen sowie vier Technologie-Firmen aus acht europäischen Ländern. Es wird mit rund vier Millionen Euro durch die Europäische Union (EU) gefördert.

In ihren Forschungsarbeiten werden die jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedenen Bildgebungsverfahren nutzen, um das Verhalten von Magnesiumimplantaten zu untersuchen, während sich diese bioverträglich abbauen. Die Bilddaten werden mit molekularbiologischen / biochemischen Analysen kombiniert, wodurch die Informationen über physiologische Veränderungen vertieft und ergänzt werden. Alle so gewonnenen biologischen und chemischen Daten werden durch computergestützte 3D-Methoden, Simulationen und mashine learning Ansätze zusammengeführt.

Die Koordinatorin des Projektes, Prof. Dr. Regine Willumeit-Römer, Institutsleiterin im Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Bereich Metallische Biomaterialien, erklärt: „Die biomedizinische Bildgebung bildet eine tragende Säule für Diagnostik und Therapieüberwachung neuer Implantatmaterialien. Für die neue Klasse der biologisch abbaubaren Magnesium-basierten Implantate muss diese noch verbessert werden. Im Projekt MgSafe werden wir neue Techniken etablieren und 15 Doktoranden fachübergreifend sowohl in der Bildgebungs- als auch in der Implantat-Technologie ausbilden.“

EU MSCA ETN - MgSafe website (engl.) Europäische Kommission Marie Skłodowska-Curie Actions website (engl.) Europäische Kommission Marie Skłodowska-Curie Actions Artikel (engl.)
Logo Marie Skłodowska-curie Actions

Dieses Projekt wurde aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union im Rahmen der Marie Skłodowska-Curie Finanzhilfevereinbarung Nr. 811226 finanziert.

MgSafe - Video



DFG - OAMag Therapie

Dfg Logo Förderung

Knorpelregenaration durch Einbringen osteoproliferativer Mg-Beads in die subchondrale Knochenplatte zur Behandlung von degenerativen Knorpelläsionen

Das Projekt vereint die Arbeitsgruppe Biodegradable und bioaktive orthopädische Implantate der Medizinischen Hochschule Hannover und das Institut für Werkstoffforschung, Division Metallische Biomaterialien des Helmhotz-Zentrum Geesthacht. Es wird für 36 Monate mit rund 100.000 Euro durch die Deutsche Forschungsgemeinschft (DFG) gefördert.

Ziel der Studie ist, mittels subchondral eingebrachter osteoproliferativer Mg-Beads die arthrotisch veränderte subchondrale Knochenplatte zu stärken und so die fehlende mechanische Stabilität unter den Knorpeldefekten zu regenerieren, was den Degenerationsprozess stoppen und die Ausbildung eines Faserknorpelersatzes unterstützen soll. Damit könnten Knorpeldefekte zwar wahrscheinlich nicht komplett wiederhergestellt werden, möglicherweise aber eine Reparation des Knorpelgewebes induziert und so eine Schmerzfreiheit der Patienten erreicht werden. Damit verbunden könnte im besten Fall auf die notwendigen aufwendigen Verfahren der Knorpeltransplantation bis hin zum Gelenkersatz durch eine Endoprothese verzichtet oder zumindest der Gelenkersatz auf einen deutlich späteren Zeitpunkt verschoben werden.

MHH – Arbeitsgruppe 'Biodegradable und bioaktive orthopädische Implantate' website


Helmholtz-RSF Joint Research Group

Logos

Materials based on magnesium alloys for bioresorbable implants with anti-tumour activity

Eine russisch-deutsche Forschungskooperation auf dem Gebiet der resorbierbaren metallischen Implantate mit Anti-Tumor-Wirkung. Unsere russischen Partnerorganisationen sind die National University of Science and Technology MISIS, NUST MISIS und das N.N. Blokhin Russian Cancer Research Center.

Das auf bioresorbierbaren Implantaten basierende Projekt adressiert ein anspruchsvolles Problem der modernen Onkologie: die Anwendung lokaler Chemotherapie zielt auf eine effiziente Konzentration von Antitumorwirkstoffen in den intra- oder peritumouralen Regionen ab. Der gewählte Ansatz, bei dem zum ersten Mal biologisch abbaubare Implantate auf Mg-Basis verwendet werden, führt zu einer Zellreduktion bei inoperablen und chemoresistenten Tumoren sowie zur Prophylaxe lokaler Rezidive und reduziert gleichzeitig systemische Nebenwirkungen für den Patienten.

HGF-RSF Joint Research Group website Helmholtz Pressemitteilung 9.11.2017 I Sechs deutsch-russische Forschergruppen erhalten dreijährige Förderung HZG News 9.11.2017 I Sechs deutsch-russische Forschergruppen erhalten dreijährige Förderung


BMBF RÅC - SynchroLoad

Synchroload Kp

Push out Test einer Mg-Schraube in Knochengewebe

SynchroLoad - Versagen bei abbaubaren metallischen Implantaten

Kooperation im Rahmen des Röntgen-Ångström-Clusters, einem deutsch-schwedischen Forschungsverbund auf dem Gebiet von Materialwissenschaften und Strukturbiologie.

Ziel dieses Projekts ist es, zu verstehen wie Abbau und Versagensmechanismen bei abbaubaren Mg Implanten zusammenhängen. In lebenden Systemen beeinflussen sich Korrosionsprozesse des Implantats und (Bio)Chemie des lebenden Gewebes auf eine höchst komplexe Weise. Daher wird die Schnittstelle von Gewebe und Implantat sehr umfangreich charakterisiert werden: biomechanisch ebenso wie morphologisch, biologisch und chemisch. Schließlich wird die Knochenstruktur noch vergleichend untersucht, um herauszufinden, welchen Einfluss verschiedene Implantatmaterialien auf das Gewebe haben.

SynchroLoad website mehr zu Röntgen-Ångström-Cluster (engl.)


BMBF Verbundprojekt MgBone

MgBone graphical abstract

MgBone - Multimodale Bildgebung zur strukturellen Analyse der Knochenmodellierung induziert durch abbaubare Magnesiumimplantate

Kooperation im Rahmen der Fördermaßnahme: Erforschung kondensierter Materie an Großgeräten. Es kooperieren das Molecular Imaging North Competence Ceter (MOIN CC) in Kiel, das Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) sowie das Department of Prosthodontics der Universität Malmö (MAH)

Gemeinsam soll eine Mess- und Auswerteumgebung und ein Kompetenznetzwerk geschaffen werden, mit deren Hilfe die biomechanische, biomedizinische, biochemische und physikalische Tauglichkeit innovativer Implantate evaluiert werden kann.

MgBone website


Graduiertenkolleg M4B - Materials for brain

Logo M4b

Materials for Brain: Dünnschichtbasierte Funktionsmaterialien für die minimal-invasive Therapie von Erkrankungen des Gehirns.

Kooperation der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), des Universitätsklinikums Schleswig-Holstein (UKSH) und des Helmholtz-Zentrum-Geesthacht (HZG).

Im Rahmen des Graduiertenkollegs sollen minimal-invasive, auf neuartigen Dünnschicht-Materialverbunden beruhende Behandlungsstrategien für Erkrankungen des Gehirns erforscht werden und zwar in einer Komplexität und Funktionalität, die über bisherige Ansätze deutlich hinausgeht. Die Realisierung solcher Behandlungsstrategien in der klinischen Medizin wäre ein Meilenstein in der Therapie dieser Erkrankungen. Die erfolgreiche Erforschung und Entwicklung solch zukunftsweisender Neuroimplantate stellt besondere, komplexe Anforderung an die verwendeten Materialien und erfordert daher eine sehr enge Vernetzung von Materialwissenschaft und Medizin (insbesondere den Neurowissenschaften), sowie neue Lösungsansätze und kreative Aufgeschlossenheit für den Blickwinkel des jeweils anderen Faches.

M4B website (engl.) Pressemitteilung M4B Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) Pressemitteilung Graduiertenkollegs Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)


Helmholtz Virtuelles Institut MetBioMat (2012 - 2017)

Vi Logo

VI MetBioMat - In vivo studies of biodegradable magnesium based implant materials

In Zusammenarbeit mit den Universitätskliniken in Hamburg, Hannover und Graz sowie weiteren Partnern hat das Helmholtz-Zentrum Geesthacht ein Virtuelles Institut gegründet, dessen Schwerpunkt auf abbaubaren Magnesium-Implantaten lag. Ein Ziel des Forschungsverbundes, der von Geesthacht koordiniert wurde, war es, erste Prototypen von orthopädischen Implantaten zu entwickeln.

Das Virtuelle Institut MetBioMat war eines der Virtuellen Institute der Helmholtz-Gemeinschaft und wurde von Prof. Regine Willumeit-Römer vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht geleitet. Mit der Etablierung neuer Forschungskooperationen leisteten Virtuelle Institute der Helmholtz-Gemeinschaft Aufbau- bzw. Vorbereitungsarbeiten mit einem erkennbaren Mehrwert für größere strategische Forschungsvorhaben der Helmholtz-Gemeinschaft und tun dies immer noch. Über das Projekt hinaus tragen diese Forschungsverbünde zur Stärkung der Hochschulen im deutschen Wissenschaftssystem bei. Ein zusätzliches Anliegen der Fördermaßnahme war die Einbeziehung herausragender internationaler Partnerinstitutionen und die Kooperation mit der Wirtschaft.

Virtuelles Institut MetBioMat website Helmholtz Virtuelle Institute


EU-MCA ETN MagnIM (2011 - 2015)

Logomagnim

EU-MSCA ETN MagnIM [289163] - Maßgeschneiderte, biologisch abbaubare Magnesiumimplantatmaterialien

Kostensenkung und Verbesserung der Lebensqualität ist ein wichtiges Thema in der Gesundheitsversorgung. Dieser Herausforderung kann durch intelligente Biomaterialien und intelligente Implantate begegnet werden, die vom Körper beim Umbau des Gewebes resorbiert werden: Was für Polymermaterialien möglich ist, sollte auch für biologisch abbaubare metallische Materialien realisiert werden. Im Rahmen von MagnIM wurden 12 ESRs aus 9 Ländern ausgebildet, um neue aluminiumfreie Magnesiumimplantatmaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften für knochenbezogene Anwendungen, insbesondere bei Kindern und in der Sportmedizin zu entwickeln.

Das Projekt war so strukturiert, dass es die gesamte Wertschöpfungskette von der Materialentwicklung und -charakterisierung über in-vitro bis hin zu in-vivo-Studien und deren Anwendung abdeckte. Zentraler Punkt war dabei die Optimierung der Materialeigenschaften von aluminiumfreien biologisch abbaubaren Magnesiumlegierungen. Zu diesem Zweck wurde eine neue Klasse von Legierungen entwickelt. Die Verarbeitung der neuen Legierungen wurde optimiert und führte zu Materialien, die zuverlässig in gleichbleibend hoher Qualität hergestellt werden konnten, und somit in der Orthopädie und in der Sportmedizin eingesetzt werden können. Alle Materialien unter verschiedenen Bedingungen (as cast, wärmebehandelt etc.) charakterisiert, um Kenntnisse über das vollständige Eigenschaftsprofil (Mikrostruktur, mechanische Eigenschaften), Korrosion, in-vitro- und in-vivo-Verhalten zu erhalten. Vor allem letzteres wurde benötigt, um ein neues Implantat zur Anwendung zu bringen. Ebenso wichtig war der Aspekt, die Lücke zwischen dem Mg-Abbau in vitro und den in vivo Ergebnissen zu schließen, die sich deutlich voneinander unterschieden. Daher wurde ein umfassendes chemisches Verständnis von Korrosion mit dem Wissen über zelluläre Reaktionen auf die neuen Materialien kombiniert, um ein in-vitro-Testsystem zu schaffen, das eine zuverlässige Vorhersage der in vivo-Eigenschaften des abbaubaren Materials ermöglicht. Zu diesem Zweck wurden die Parameter aus den in-vivo-Experimenten in einem Feedback-Verfahren auf die in-vitro Experimente zurückgespiegelt.