Inhalte des Forschungsschwerpunkts "Biotechnologische Bildverarbeitung (Bio-CV)"

Die Endoprothetik hat mit der Einführung neuer Materialien und physikalischer Prinzipien seit dem 20. und 21. Jahrhundert eine rasante Entwicklung erlebt und liefert heute einen großen Beitrag zur Verbesserung der Lebensqualität sowie zur Steigerung der Lebenserwartung. Weltweit werden heutzutage jährlich mehr als 1.000.000 künstliche Hüftgelenke und 800.000 künstliche Kniegelenke eingesetzt, davon in Deutschland ca. 150.000 Hüft- und 60.000 Knieendoprothesen mit steigender Tendenz der Fallzahlen. Die zunehmende Nachfrage an Implantaten und neuen Biomaterialien ist darauf zurückzuführen, dass das Anwendungsspektrum sich ständig erweitert. Gelenkendoprothesen werden z.B. zunehmend jüngeren Patienten eingesetzt, da durch die Verwendung verbesserter Biomaterialien eine deutlich verbesserte Beweglichkeit der Patienten möglich ist. Mit steigender Lebenserwartung der Patienten steigt zudem die Standzeit der Implantate, daher muss auch die dauerhafte Belastbarkeit der Biomaterialien angepasst werden. Darüber hinaus werden auch zunehmend mehr Indikationen und Krankheitsbilder durch den Einsatz von Biomaterialien behandelbar. So werden z.B. Applikatoren für verschiedene Medikamente unter die Haut implantiert um eine langfristige und stetige Versorgung zu gewährleisten.

Durch erhöhte Anforderungen an Einsatzzeitraum und Belastbarkeit, und ein erweitertes Applikationsspektrum entsteht der Bedarf an einer ständigen Weiterentwicklung vorhandener Materialien und an Werkstoffen, die jeweilige Anwendung maßgeschneiderte Eigenschaften aufweisen. Selbstverständlich muss gewährleistet sein, dass die eingesetzten Implantatmaterialien möglichst gut vom umliegenden Körpergewebe angenommen werden. Aus diesem Grund müssen umfangreiche Biokompatibilitätsprüfungen der eingesetzten Biomaterialien vorgenommen werden.

Für die Biokompatibilitätsprüfung von Biomaterialien ist die Beurteilung der Zelleigenschaften im Kontakt mit dem Implantatwerkstoff ein entscheidender Faktor. Die Zell- und Gewebeverträglichkeit eines Implantatwerkstoffs wird durch in vitro Methoden vor dessen Einsatz bestimmt. Der in vitro Prüfung der Biokompatibilität wird die DIN ISO Norm 10993-5 zugrunde gelegt. Ein Analysekriterium ist die Interaktion des Werkstoffs im direkten Kontakt mit adhärent wachsenden Zellen, die ihr Erscheinungsbild durch den Kontakt mit dem Biomaterial in zelltypspezifischer Weise gegenüber einem Referenzmaterial verändern. Die Beurteilung der Zelleigenschaften muss durch eine speziell geschulte Laborfachkraft erfolgen. Diese Analyse der Zellmorphologie umfasst unter anderem die Ausbreitungsform adhärent wachsender Zellen, Verteilung und Länge von Zellausläufern, Besiedlungsdichte, Zellzahl, Zell-Zell-Kontakten und Kontaktfläche der Zelle zur Unterlage. Der Nachteil dieser Vorgehensweise ist der große Zeitaufwand der personellen Bildanalyse sowie die geringe Vergleichbarkeit der Ergebnisse beim Einsatz verschiedener Laborfachkräfte. Die Zellen werden zur Vorbereitung auf die Auswertung durch ein geeignetes histologisches oder cytologisches Färbeverfahren angefärbt. Die Zellen sind nach dem Färbeprozess tot aber in ihrer Morphologie dauerhaft präpariert. Die Möglichkeit, auf dieser Basis reproduzierbare Ergebnisse zu generieren haben nur zertifizierte Labors, die auf die Biokompatibilitätsprüfung spezialisiert sind. Deren Untersuchungen sind jedoch sehr teuer, so dass für Voruntersuchungen im Rahmen des Entwicklungsprozesses neuer Biomaterialien die Inanspruchnahme zertifizierter Labors sehr kostspielig ist. Daher soll im Rahmen dieses Projektes die Auswertung der Zellmorphologie im Kontakt mit Biomaterialien zur Beurteilung der Biokompatibilität mittels Computer Vision ermöglicht werden.

Durch ein geeignetes Bildverarbeitungsverfahren sollen biokompatibilitätsrelevante Zell- und Gewebeeigenschaften reproduzierbar und mit geringem Zeitaufwand bestimmt werden. Zum Entwickeln eines entsprechenden Bildanalyse-Systems ist die Zusammenarbeit von Biologen, Informatikern und Physikern erforderlich, die an dieser Fachhochschule in idealer Weise gegeben ist.

Der Forschungsschwerpunkt wurde im Jahre 2009 eingerichtet und wird vom Präsidium der FH Südwestfalen mit 100.000 € über 3 Jahre finanziert. Ein Forschungsprojekt wurde beim BMBF beantragt.