Volume 50, Issue 4

In this paper, we describe the possibility of navigating in a virtual environment using the output signal of an EEG-based Brain-Computer Interface (BCI). The graphical capabilities of virtual reality (VR) should help to create new BCI-paradigms and improve feedback presentation. The objective of this combination is to enhance the subject's learning process of gaining control of the BCI. In this study, the participant had to imagine left or right hand movements while exploring a virtual conference room. By imaging a left hand movement the subject turned virtually to the left inside the room and with right hand imagery to the right. In fact, three trained subjects reached 80% to 100% BCI classification accuracy in the course of the experimental sessions. All subjects were able to achieve a rotation in the VR to the left or right by approximately 45° during one trial. Zusammenfassung In dieser Arbeit wird die Möglichkeit der Navigation innerhalb einer virtuellen Welt unter Verwendung eines EEG-basierten Brain-Computer Interface (BCI) präsentiert. Die graphischen Fähigkeiten von Virtuellen Realitäten (VR) sollen dabei helfen neue BCI-Paradigmen zu entwicklen und die Art der Feedbackpräsentation zu verbessern. Das Ziel dieser Kombination ist es, den Lernprozess der Versuchsperson zu fördern, um eine bessere BCI-Kontrolle zu erreichen. In dieser Arbeit hatten die Probanden sich entweder eine linke oder rechte Handbewegung vorzustellen, während ein virtueller Konferenzraum erkundet wurde. Durch die Vorstelleung einer linken Handbewegung wurde die Versuchsperson virtuell im Raum nach links und durch die Vorstellung einer rechten Handbewegung nach rechts gedreht. Drei trainierte Probanden erreichten eine BCI–Klassifikationsgenauigkeit zwischen 80% und 100% im Verlauf der Messungen. Alle Probanden waren in der Lage sich virtuell nach links und rechts zu drehen und erreichten eine durchschnittliche Drehung von 45° pro Versuch.

Der Einfluss eines abbaubaren, thermoplastischen Blockcopolymers auf die Zelladhäsion, Zellproliferation und die zelluläre Aktivität von Primärzellkulturen der Mundhöhle wurde in vitro unter Verwendung von zellbiologischen und biochemischen Methoden untersucht. Die Balance zwischen einer Gruppe von körpereigenen Enzymen, Matrix Metalloproteinasen (MMPs) und deren endogenen Inhibitoren (Tissue Inhibitors of MMPs, TIMPs) hat eine entscheidende Funktion in Prozessen wie der Wundheilung oder der Zell- und Gewebeintegration von Biomaterialien in das umgebende Gewebe. Kürzlich entwickelte, multifunktionale, abbaubare Formgedächtnispolymere/thermoplastische Blastomere mit Formgedächtniseigenschaften können bei der Entwicklung von neuartigen Therapieoptionen in der Kopf-Halschirurgie eine bedeutende Rolle spielen. Primärzellkulturen der Mundhöhle von Sprague-Dawley Ratten wurden auf der Oberfläche eines abbaubaren, thermoplastischen Blockcopolymers und auf Polystyroloberflächen als Kontrollen ausgesät. Die MMP- und TIMP-Expression wurde mit Hilfe der Zymographie und eines radioaktiven Enzymassays analysiert. Es fanden sich keine statistisch signifikanten Unterschiede der MMP-1-, MMP-2-, MMP-9- und TIMP-Level zwischen den Primärzellkulturen, die auf der Polymeroberfläche und der Kontrolloberfläche gewachsen waren. Weiterreichende Kenntnisse der Mechanismen, die der Gewebeintegration eines Biomaterials nach Implantation im Organismus zugrunde liegen, sind die Voraussetzung für die optimale Adaptation eines Biomaterials an die Bedingungen in vivo, um somit neuartige therapeutische Optionen in der Kopf- und Halschirurgie entwickeln und etablieren zu können.   Using standard cell biological and biochemical methods we were able to test the ability of a degradable, thermoplastic block copolymer to support the adhesion, proliferation, and the cellular activity of primary cell cultures of the oral cavity in vitro. The delicate balance between a group of endogenous enzymes, Matrix Metalloproteinases (MMPs), and their inhibitors (Tissue Inhibitor of MMPs, TIMPs) have a decisive function in the remodeling of the extracellular matrix during processes like wound healing or the integration of biomaterials in surrounding tissues after implantation. Recently developed, biodegradable thermoplastic elastomers with shape-memory properties may be the key to develop new therapeutical options in head and neck surgery. Primary cell cultures of the oral cavity of Sprague-Dawley rats were seeded on the surface of a thermoplastic block copolymer and on a polystyrene surface as control. Conditioned media of the primary cells were analyzed for MMPs and TIMPs after different periods of cell growth. The MMP and TIMP expression was analysed by zymography and a radiometric enzyme assay. No statistically significant differences in the appearance and the kinetic of MMP-1, MMP-2, MMP-9 and TIMPs were detected between cells grown on the polymer surface compared to the control. An appropriate understanding of the molecular processes that regulate cellular growth and integration of a biomaterial in surrounding tissue is the requirement for an optimal adaptation of biodegradable, polymeric biomaterials to the physiological, anatomical, and surgical conditions in vivo to develop new therapeutic options in otolaryngology and head and neck surgery.

Reibkorrosion tritt an Oberflächen von Implantaten auf, wenn diese durch Reibung gegen andere Implantatkomponenten oder gegen Hart- oder, in geringerem Umfang, gegen Weichgewebe artikulieren. Es ist daher sinnvoll, die Oberflächen anwendungsort- und funktionsbezogen mit Verschleißschutzschichten zu versehen, die die mechanischen Eigenschaften der Volumenwerkstoffe unverändert lassen, jedoch die Empfindlichkeit gegen Reibkorrosion und Verschleiß erniedrigen. In der vorliegenden Untersuchung konnte gezeigt werden, dass Tantal- bzw. Niob-Beschichtungen den Anforderungen gerecht werden. Die Verschleißfestigkeit von Titan gegen medizinisch relevante Reibpartner in der Endoprothetik, wie PMMA Knochenzement, ließ sich erhöhen. Bei Stahl als Volumenwerkstoff kommt zur höheren Verschleißfestigkeit eine Verringerung allgemeiner Korrosionseigenschaften hinzu. Allergene Stoffe, wie die Freisetzung von Nickel- und Chromionen lassen sich reduzieren.   Friction corrosion may appear between different implant components or between implant and hard tissue. The sliding micro movements induce fretting wear corrosion and have been recently reported as a cause of joint prostheses failure. A surface coating is desirable, that retains the mechanical properties of the substrate, offers good biocompatibility and improves the fretting corrosion resistance. In this study it could be demonstrated that tantalum and niobium coatings fulfill the requirements. On titanium substrates the coating decreases the abrasion against PMMA, an orthopedic relevant material. Furthermore, in the case of medical steel substrates the biocompatibility and the corrosion properties are improved. The better abrasion-resistance is minimizing the release of allergological critical particles like nickel and chromium.

Laboratory rats are small animal models which are often used for scientific investigations in medicine. So far there are only few scientific data about the meaning of these small animal models for in vivo bone healing studies available in literature. Although the rat's femur with its cyclic loadings during gait is an appropriate model for investigations in the field of experimental orthopaedics and traumatology there is a lack of morphometric information with respect to its anatomy. The aim of this study is to evaluate the anatomy of rat femurs in two species, which are often performed in animal experimental medicine. These morphometric data should contribute to develope an appropriated osseous fragment fixation system in the rat's femur. The femurs of Wistar (WR) and Sprague Dawley (SDR) cadavers were prepared and analysed by x-rays in two standard planes. The results were compared with the corresponding data for humans by literature. It could be demonstrated that SDR showed a higher caput-collum-diaphyseal and antetorsion angle, but a lower transcondylar femur valgus angle compared to WR. Cortical thickness, bone marrow cavity diameter and femur length were higher in WR. Wistar rat's femur anatomy shows more similarities to human anatomy than Sprague Dawley rats.   Als Kleintierversuchsmodell werden Laborratten häufig zur Bearbeitung wissenschaftlicher Fragestellung in der Medizin herangezogen. Bisher existieren vergleichsweise wenige wissenschaftliche Daten in der Literatur über die Bedeutung dieser Kleintiere zur in vivo Untersuchung von Knochenheilungsvorgängen. Obwohl sich der Rattenfemur als zyklisch belasteter Knochen zur Erarbeitung wissenschaftlicher Fragestellungen in der experimentellen Orthopädie und Unfallchirurgie eignet, fehlen bisher weitgehend morphometrische Daten zu dessen Anatomie. Ziel der vorliegenden Studie ist die Evaluierung der anatomischen Besonderheiten des Rattenfemur zweier häufig in der Tierversuchkunde eingesetzter Spezies. Die erhobenen morphometrischen Daten sollen als Ausgangsbasis für die nachfolgende Entwicklung eines geeigneten knöchernen Fixationssystems am Rattenfemur dienen. Die Femura von Wistar (WR) und Sprague Dawley (SDR)-Ratten werden zunächst präparatorisch dargestellt und anschließend röntgenologisch in zwei standardisierten Ebenen analysiert. Die Ergebnisse werden mit den entsprechenden humanen Werten aus der Literatur verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass SDR größere Caput-Collum-Diaphysenwinkel sowie eine vermehrte femorale Antetorsion aufzeigen, jedoch im Vergleich zur WR geringere transcondyläre Femur-Valgus-Winkelwerte. Demgegenüber zeigten die WR eine größere Kortikalisdicke, einen vermehrten Knochenmarkraumdurchmesser und eine größere Femurlänge. Die Anatomie des Femurs der Wistar-Ratte besitzt eine größere Ähnlichkeit mit der humanen Anatomie als die der Sprague Dawley Ratte.

Zur Beurteilung des radiologischen, biomechanischen und histologischen Einwachsverhaltens neuer Materialien, Implantate und Cages für die zervikale interkorporelle Fusion, bieten sich Tiermodelle und hier insbesondere das Schafs-Halswirbelsäulenmodell an. Nachdem in biomechanischen In-vitro-Versuchen an humanen Kadaver- Halswirbelsäulen erste Erfahrungen hinsichtlich der Primärstabilität eines Cage aus einer neuartigen, porösen TiO 2 /Glas-Keramik (Ecopore) im Vergleich zu Polymethylmethacrylat (PMMA) gewonnen wurden, fusionierten wir im ersten Teil unseres In-vivo-Versuchs 10 Schafs-Halswirbelsäulen in den Höhen C2/3 und C4/5 jeweils mit PMMA und einem Ecopore-Keramik-Cage und führten radiologische Verlaufsuntersuchungen während der folgenden 2-4 Monate durch. Die bisher festgestellten morphologischen Veränderungen im Sinne einer Einsinterung der Implantate, einer signifikanten Kyphosierung der Segmente und einer radiologisch beurteilbaren Fusion, sollen in diesem zweiten Teil biomechanisch evaluiert und in Bezug dazu interpretiert werden. 20, entweder mit einem Ecopore-Cage oder durch PMMA-Interposition fusionierte Schafshalswirbelsäulensegmente, sowie 10 native Segmente der Höhen C2/3 und C4/5 wurden nach Einbettung biomechanisch in Flexion/Extension, lateraler Biegung und axialer Rotation in einem speziellen Wirbelsäulenbelastungssimulator untersucht. Die resultierende dreidimensionale „Range of Motion“ (ROM) wurde durch ein Bewegungsanalysesystem auf Ultraschallbasis bestimmt. Bei den biomechanischen Messungen der nativen Schafshalswirbelsäulensegmente C2/3 und C4/5 zeigt sich, dass die ROM insgesamt in kranio-kaudale Richtung zunimmt, besonders ausgeprägt in Flexion/ Extension, weniger stark in lateraler Biegung und axialer Rotation (p<0,05). Das gesamte Bewegungsausmaß ist in beiden untersuchten Höhen in lateraler Biegung am größten, in Flexion/Extension um die Hälfte auf 52% reduziert und in axialer Rotation beträgt es noch 16% der ROM in lateraler Biegung. Nach 2 Monaten zeigen die Segmente der Höhen C2/3 und C4/5 mit Palacos-Interposition in lateraler Biegung und die Segmente der Höhe C2/3 mit Ecopore-Implantat in lateraler Biegung eine Abnahme der ROM im Vergleich zu den nativen Ausgangsmessungen im Sinne einer zunehmenden Versteifung. Demgegenüber sind alle nach 4 Monaten biomechanisch untersuchten Segmente, unabhängig von der Höhe oder dem implantierten Material „steifer“ als die entsprechenden nativen Vergleichssegmente. Die Abnahme der Beweglichkeit des Segments, d.h. die Zunahme der Steifigkeit korreliert deutlich mit dem radiologisch-morphologischen Fusionsgrad. Unsere Untersuchungen mit einer neuartigen, porösen TiO 2 /Glas-Keramik als Bandscheibenersatzimplantat haben bei der Anwendung in der Schafshalswirbelsäule neben einem zufriedenstellenden radiologischen Einwachsverhalten auch eine deutliche Sekundärstabilität mit Fusion und Versteifung der Segmente nach 4 Monaten im Vergleich zu PMMA gezeigt. Nach der histologischen Auswertung der Grenzflächen sind weitere Untersuchungen vor dem Einsatz dieses Biomaterials als Alternative zu gebräuchlichen Cages beim Menschen nötig.   Animals are becoming more and more common as in vivo models for the human spine. Especially the sheep cervical spine is stated to be of good comparability and usefulness in the evaluation of in vivo radiological, biomechanical and histological behaviour of new bone replacement materials, implants and cages for cervical spine interbody fusion. In preceding biomechanical in vitro examinations human cervical spine specimens were tested after fusion with either a cubical stand-alone interbody fusion cage manufactured from a new porous TiO 2 /glass composite (Ecopore) or polymethylmethacrylate (PMMA) after discectomy. Following our first experience with the use of the new material and its influence on the primary stability after in vitro application we carried out fusions of 20 sheep cervical spines levels with either PMMA or an Ecopore-cage, and performed radiological examinations during the following 2-4 months. In this second part of the study we intended the biomechanical evaluation of the spine segments with reference to the previously determined morphological findings, like subsidence of the implants, significant increase of the kyphosis angle and degree of the bony fusion along with the interpretation of the results. 20 sheep cervical spines segments with either PMMA- or Ecoporefusion in the levels C2/3 and C4/5 were tested, in comparison to 10 native corresponding sheep cervical spine segments. Non-destructive biomechanical testing was performed, including flexion/extension, lateral bending and axial rotation using a spine testing apparatus. Threedimensional range of motion (ROM) was evaluated using an ultrasound measurement system. In the native spine segments C2/3 and C4/5 the ROM increased in cranio-caudal direction particulary in flexion/extension, less pronounced in lateral flexion and axial rotation (p<0,05). The overall ROM of both tested segments was greatest in lateral flexion, reduced to 52% in flexion/extension and to 16% in axial rotation. After 2 months C2/3- and C4/5-segments with PMMA-fusion and C2/3-segments with Ecoporeinterposition showed decrease of ROM in lateral flexion in comparison to the native segments, indicating increasing stiffening. However, after 4 months all operated segments, independent from level or implanted material, were stiffer than the comparable native segments. The decrease of the ROM correlated with the radiological-morphological degree of fusion. Our evaluation of the new porous TiO 2 /glass composite as interbody fusion cage has shown satisfactory radiological results as well as distinct biomechanical stability and fusion of the segments after 4 months in comparison to PMMA. After histological analysis of the bone-biomaterial-interface, further examinations of this biomaterial previous to an application as alternative to other customary cages in humans are necessary.

Bionische Systeme sind darauf ausgerichtet Beobachtungen aus der Natur in mechanische Lösungen einzubeziehen. Im Bereich der Femurkappenendoprothetik ist dies bei der Oberflächengestaltung von Metall/Metall-Gleitpaarungen erfolgt. Die konvexe Fläche der Femurkappenendoprothesen wurde mit einer grübchenförmigen Struktur versehen. Im Laborversuch erzielte diese sogenannte „Surf-Metallkappe“ eine Reduktion des mechanischen Abriebs auf knapp ein Drittel der vergleichbaren Metallkappe mit glatter Oberfläche. Dieser Vorteil, bedingt durch die Reduktion des Reibungskoeffizienten infolge verbesserter hydrodynamischer Schmierung, konnte ebenfalls im Labor nachgewiesen werden. Die klinische Anwendung lässt eine deutliche Verlängerung der Standzeit dieser Prothesensysteme erwarten und bedarf der Einbindung in eine Langzeitstudie.   Bionic systems are aiming to integrate natural observing into mechanical solutions. This has been realized in the design of metal on metal bearing in total hip resurface arthroplasty. The articular side of the femoral cup is covered with a dimple like surface. Under laboratory condition this so called “surf-metal-cup” achieved a reduction of the mechanical wear to almost a third part in comparison to a metal-cup with plane surface. This advantage, caused by the reduced frictioncoefficient due to improved hydrodynamic lubrication could also be proved under laboratory conditions. The clinical introduction is expected to offer a significant extension of durability in this prosthetic system and needs to be proved in a long-term study.