Einfluss der ultraschallgestützten Implantatfixation auf das Knochenremodelling im experimentellen Osteotomiemodell am Femurcondylus des Kaninchens

Abstract

Die Fixation von Osteosynthesematerialien in strukturgeschwächtem Knochen, wie zum Beispiel der Osteoporose, ist eine ungelöste Herausforderung für die Unfallchirurgie und Orthopädie. Die ultraschallgestützte Implantatfixation könnte hier eine mögliche Lösung darstellen. Beim Ultraschallschweißen (USS) wird die Oberfläche eines thermoplastischen Implantates im Kontakt mit Knochen durch hochfrequente Vibrationen lokal aufgeschmolzen. Das Material dringt in die poröse Knochenstruktur ein, erstarrt innerhalb weniger Sekunden und führt zu einer Osteotomie- (Fraktur-) stabilisierung.Ziel der vorliegenden experimentellen Arbeit war es, den Einfluss eines neuen resorbierbaren Poly-(L-DL)-Laktid-Pin (Sonic Pin) nach Einsatz des USS auf die physiologischen knöchernen Umbauvorgänge in ihrem zeitlichen Ablauf radiologisch, histologisch, immunhistochemisch, elektronenmikroskopisch und histomorpho-metrisch darzustellen. Des Weiteren wurde nach erfolgter Heilung biomechanisch die Festigkeit des Konstruktes untersucht.Als Tierspezies wurde das Kaninchen gewählt, da die Knochen in Struktur und Stoffwechsel den menschlichen Verhältnissen sehr nahe kommen. Ein standardisiertes Osteotomiemodell am Femurcondylus diente für die Untersuchungen. Die Osteotomie wurde entweder mit einem Sonic Pin und einer Titanschraube oder mit einem K-Draht und einer Titanschraube (Kontrolle) stabilisiert. Zusätzlich wurde für die 42 Tage Standzeit eine Tiergruppe mit zwei Sonic Pins versorgt.Am Ende der Nachbeobachtungszeit von 7, 21, 42 und 84 Tagen wurden die Tiere getötet und die entsprechende Extremität den verschiedenen Auswertemethoden zugeführt. Quantitative und qualitative Untersuchungen, Mikro-Computertomographie, Schliffpräparate, Semidünnschnittverfahren, Lichtmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie sowie biomechanische Tests konnten für die experimentelle Arbeit herangezogen werden.Im histologischen Schliff konnte eine ungestörte Knochenneubildung über Granulationsgewebe, Geflechtknochen und Lamellenknochen für alle Gruppen nachgewiesen werden. Die immunhistochemische Untersuchung der Markierung von Makrophagen, von Osteoblasten und neu einsprießenden Gefäßen bestätigte die lichtmikroskopischen Befunde. Histomorphometrisch konnte nachgewiesen werden, dass die Gewebeverteilung im Osteotomiespalt unbeeinflusst von den verschiedenen Osteosynthesemitteln der einzelnen Gruppen war und dass der Sonic Pin keine nachweisbare Fremdkörperreaktion verursachte.An den Osteosynthesematerialien befanden sich keine Anzeichen von Resorptionssäumen oder Abkapselungen. Biomechanisch zeigten alle Femurkondylen eine hinreichende Festigkeit. Die Steifigkeiten, Dehnungen und maximal übertragbaren, statischen Lasten waren nicht signifikant verschieden.Am resorbierbaren Polylaktid des Sonic Pins waren viele ein- oder mehrkernige Makrophagen lokalisiert, die das Material abbauten. Hinweise über die Ausscheidung der Abbauprodukte über das Lymph- oder Gefäßsystem konnten bei der 84 Tage Standzeit nachgewiesen werden. Die ultraschallgestützte Implantatfixation hatte keinen negativen Einfluss auf das physiologische Knochenremodelling in dieser experimentellen Studie. Der Einsatz des Sonic Pins zur Fixation von Frakturen kann unter ausgewählten biomechanischen Bedingungen und entsprechenden postoperativen Belastungseinschränkungen empfohlen werden. Es wird aufgrund der hier erzielten Ergebnisse empfohlen in Form einer Langzeitstudie, ggf. auch in osteoporotischem Knochen das Resorptionsverhalten des Polylaktids zu untersuchen. The fixation of implants in structurally weakened bone, e.g. osteoporotic bone, remains a challenge in Traumatology and Orthopaedics. The ultrasound based welding of implants may represent a potential solution. Using ultrasound on a thermoplastic implant leads to high frequency vibration and hence to a melting of the surface of the implant material, which is in contact with the bone. The molten material penetrates into the porous structure of the bone, solidifies in a few seconds and results in a stabilized fracture or osteotomy.The objective of this experimental project was to investigate the influence on the bone remodelling process when a new resorbable pin (Sonic Pin) made from Poly-(L-DL)-Lactide was inserted with ultrasound. The investigation was conducted by means of radiology, histology, immunohistology, electronmicroscopy and histomorphometric methods. In addition after healing of the osteotomy a biomechanical strength test was performed.A Lapine animal model was chosen because the structure and metabolism of the bone was considered to be comparable to human bones.A standardized osteotomy model of the condyle of the femur was used. The osteotomy was either stabilized with a Sonic Pin and a Titanium Screw or with a K-wire and a Titanium Screw (control group). For the 42 day timeframe, an additional group treated with two Sonic Pins was implemented.At the end of the different observation times of 7, 21, 42 and 84 days the animals were sacrificed and the corresponding extremity investigated by the various methods. Quantitative and qualitative methods, Micro Computer Tomography, cutting-grinding-technique for hard tissue, semi-thin cuts, light microscopy and transmission electron microscopy as well as biomechanical testing were utilized for examination.New undisturbed development of bone via granular tissue, cancellous bone and laminar bone could be demonstrated for all groups on histological specimens. The immunohistochemical marking of macrophages, osteoblasts and new blood vessels supported the results seen with the light microscope.It could be histomorphologically proven that the tissue distribution in the osteotomy gap was not influenced by the different fixation treatments of the groups and the Sonic Pin caused no noticeable negative foreign body reaction.None of the implants used to stabilize the osteosynthesis showed a resorption layer or isolation gap.Biomechanically all femora in all groups achieved a sufficient strength and there was no significant difference between the groups in terms of stiffness, maximal static load and elongation.The interface of the resorbable polylactide showed many single nucleated or multiple nucleated macrophages resorbing the material. At 84 days preliminary evidence could be observed for the eliminative process of the polylactide via the lymphatic and vascular system.The ultrasound implant fixation did not impede physiological bone remodelling in this study. The use of the Sonic Pin for the fixation of fractures can be recommended under the restriction of biomechanical loads and a corresponding post operative protocol.Further to the results of this investigation a longer term study in osteoporotic bone is proposed to further research the resorption process of the polylactide.