Experimentelle Untersuchung zur Biokompatibilität offenporiger metallischer Implantatstrukturen mit bioaktiver Kalzium-Titanat-Reaktionsschicht unter besonderer Berücksichtigung des Knochenaufbaus : Ergebnisse einer tierexperimentellen Untersuchung

Abstract

Nicht immer lässt sich in der Chirurgie ein Knochendefekt durch die autologe Spende suffizient substituieren. Bis heute ist es Gegenstand der Forschung, das ideale Knochenersatzmaterial herzustellen.Ziel dieser tierexperimentellen Arbeit war es herauszufinden, ob die Funktionalisierung eines gegossenen offenporigen Titanimplantates durch Kalzium-Titanat zu einer besseren Osteointegration im Vergleich zu einem nicht funktionalisierten Pendant führt. Die histologischen, enzym- und immunhistochemischen, histomorphometrischen sowie molekularbiologischen Methoden dienten dabei der Charakterisierung der Knochenneubildung. Während aus ethischen Gründen nur eine einzige Standzeit von 6 Monaten post implantationem gewählt wurde, war mit Hilfe der polychromen Sequenzmarkierung mit verschiedenen Fluoreszenzfarbstoffen in vivo ein zeitlicher Ablauf der Knochenneubildung darstellbar. 24 adulten Merino-Landschafen wurden zylindrische, 10 x 12 mm große, offenporige (10ppi) Titankörper (Ti-6Al-7Nb) in einen durch das Diamond-Bone-Cutting-System reproduzierten Defekt, in die rechte mediale Femurkondyle implantiert. Die Hälfte der Implantate wurde vorab mit einer Kalzium-Titanat-Reaktionsschicht funktionalisiert, um so eine Osteointegration und Osteokonduktion anzuregen. Während der Standzeit kam es zu einer polychrome Sequenzmarkierung jeweils post-operationem mit folgenden Fluorochromen: Tag 28/ 35 Tetracyclin, Tag 105 Alizarin und Tag 168/175 Calcein.Es erfolgte eine Euthanasie nach einer Standzeit von sechs Monaten. Die Femurkondylen mitsamt Implantat wurden entnommen, in Technovit®9100Neu eingebettet und schließlich Knochenschliffe hergestellt. Somit konnten anschließend fluoreszenzmikroskopische, standardhistologische, enzym- und immunhistochemische sowie histomorphometrische Auswertungen der Knochenmenge und der Aktivität der alkalischen Phosphatase sowie die Darstellung der Blutgefäße im Defektbereich mittels a-SMA, erfolgen. Um die Expression von Osteopontin und Osteocalcin zu bestimmen wurde des Weiteren eine rt-PCR durchgeführt.Bei der Ermittlung des Mittelwertes der Enzymreaktion der alkalischen Phosphatase des neugebildeten Knochens innerhalb einer Area of interest (AOI), die den Defektbereich plus einem Randbereich von 100 μm umfasste, wiesen die funktionalisierten Implantate einen bedingt höheren Wert (2,77 %) im Gegensatz zu den unfunktionalisierten (1,57%) Präparaten auf, die allerdings nicht statistisch signifikant waren. Insgesamt lag der Mittelwert des biologischen Materials bzw. der Knochenmenge, bei allen Testobjekten, also sowohl funktionalisiert wie auch unfunktionalisiert, innerhalb des Defektbereiches bei 79,93 mm².Der Mittelwert beträgt nach histomorphometrischer Auswertung für das Fluorchrom Alizarin bei den unfunktionalisierten Testobjekten 1,9655 mm² und für die funktionalisierten 2,2107 mm². Somit wurde auch in Bezug auf den neugebildeten Knochen ab dem 105. Tag post operationem kein signifikanter Unterschied zwischen beiden Testgruppen nachgewiesen werden.Bei der Evaluation der Menge an neugebildeten Knochen zeigte sich zwar ein minimal höherer Wert innerhalb in der AOI (Area of interest) bei den funktionalisierten Implantaten mit 30,46%, im Gegensatz zu den reinen Titan-Implantaten mit 24,73 %, allerdings konnte keine statistische Signifikanz bewiesen werden.Bei der histomorphometrischen und statistischen Auswertung ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Testgruppen. Die Funktionalisierung der Titanlegierung mit Kalzium-Titanat-Reaktionsschicht zeigte somit insgesamt keinerlei Einfluss auf die Knocheneinheilung der Titan-Implantate. The following research project was financed by the German Research Foundation and particularly discusses the influence of the functionalization of an open-pored cast titanium base alloy with a calcium-titanate reaction layer, implanted into adult Merino land race sheep during a long time experiment. The experiment was carried out with special regard to the osseous integration of the above mentioned material as well as to the osteoplastic activity. Cylindrical-moulded titanium implants in size of 10 ppi were implanted into the left medial femurkondyle of twelve adult Merino land race sheep.In advance, half of the implants were functionalized with a calcium titanate reaction zone. During lifetime fluorochromes were injected into the animal at three different times in order to evaluate a polychrome sequence labeling.The sheep were euthanized six month after initial implantation. The femurkondyles were removed, newly embedded into Technovit ®9100 and bone micro sections were prepared.They conducted to fluorescence-microscopical, standard-histological as well as to enzyme-chemical and immunohisto-chemical and histomorphometrical evaluation of bone quantity, of the activity of the alkaline phosphatase and to the imaging of the vessels in the defect-area.Furthermore, the relative expression of osteopontin and osteocalcin was determined bymeans of a real-time polymerase chain reaction.During histomorphometrical evaluation of the fluorchrome-labelled bone a minimally higher formation though statistically insignificant appeared in the presence of the functional implants compared to the controls.Just as well a slightly higher activity of the alkaline phosphatase as well as a slightly increased relative expression of osteocalcin and osteopontin were observed (statistically insignificant, too).Bone formation (ossification) primarily concentrated on peripheral areas of the implant, while the inside of the implant mostly remained free of bone-augmentation.There did not appear to be any great difference in osteointegration between the analyses of the not-functionalized controls and the calcium-titanate reaction layer - functionalized open-pored cast titanium base alloy, when running the experiment with adult Merino land race sheep.