Biophysikalische Grundlagen der Anwendung elektromagnetischer Felder zur Beeinflussung der Osteogenese

Zusammenfassung

Elementare Voraussetzung für die Stimulation der Osteogenese durch Applikation von elektrischen und/oder magnetischen Feldern ist deren Ankopplung an den Metabolismus der knochenbildenden Zellen und die die Mineralisation des Osteoides bestimmenden extrazellulären Vorgänge. Als Stimulationsfaktor des Elektro-Magnetismus wird das magnetische Feld, das elektrische Feld, die Kombination der beiden genannten Felder, sowie deren zeitabhängiges Intensitätsverhalten diskutiert. Der als osteogentisch wirksam in Betracht zu ziehende physikalische Prozeß besteht in den durch die kathodischen Elektrodenreaktion erzeugten Metabolitumverteilungen, die auf den Zellmetabolismus und die Mineralisation Einfluß gewinnen können. Nach den Ergebnissen dieser Untersuchung sättigt der knochenbildende Effekt der kathodischen Elektrodenreaktion bei einer geometrischen Stromdichte von ca. 0,4 μA/mm². Neben den durch den Stromfluß erzeugten Metabolitumverteilungen sind durch sehr schwache elektrische Felder auszulösende Ionenkonzentrationspolarisationen vor Grenzflächen wie Zellmembranen in Betracht zu ziehen.

Abstract

The interactions between osteopoetic cells and the extracellular processes determing the mineralisation of the osteoid with electric and/or magnetic fields is the elementary prerequisition. The magnetic or electric field or the combination of both, as well as their time related intensity are discussed as the stimulating factors. When using electric current there is a physical process to be considered. This process consists of changes of metabolites caused by the cathodic electrode reaction which may gain influence on the metabolism of osteopoetic cells and the mineralisation. According to the results of this investigation the bone-producing effect of the cathodic electrode reaction satures at a geometric current density of about 0,4 μA/mm². Apart from the changes of metabolites produced by the electric current there are electric polarisations in front of interfaces and cell membranes due to local ion concentrations caused by even very weak electric fields.