Untersuchung zur Resorbierbarkeit von Verbundmaterialien auf der Basis von biodegradierbaren Metallen und Calcium-Phosphat-Zement : eine experimentelle Studie am Schaf

Abstract

Nicht nur Frakturen allein stellen ein Problem in der Chirurgie dar, sondern auch zusätzlich auftretende Knochendefekte, welche operativ mitversorgt werden müssen. Neue Knochenersatzmaterialien werden benötigt, welche die Frakturen und Knochendefekte therapieren bzw. die Einheilung von starren Implantaten fördern (Rueger, 1995).Ziel der vorliegenden Arbeit war es, fünf neu entwickelte Stoffe nebeneinander auf ihr Bioremodelling, die Resorbierbarkeit, Stabilität und Verträglichkeit zu testen. Hierzu wurden histologische und molekularbiologische Verfahren verwendet. Als Versuchsaufbau wurde ein Großtiermodell, das Schaf, gewählt, um eine Vergleichbarkeit der Belastung auf den Knochen zu erzielen, welche der des Menschen möglichst nahe kommt (Wissing, et al., 1990). Die 20 Tiere wurden auf vier Zeiträume (1, 3, 6 und 18 Monate) aufgeteilt. Bei den verwendeten Stoffen handelte es sich um einen gebrauchsfertigen Calcium-Phosphat-Zement (1P-CPC), einen Calcium-Phosphat-Zement, welcher vor der Einbringung mit Blut vom Tier durchmischt wurde (2P-CPC-Aspirat). Des Weiteren wurde ein Magnesiumzement (Mg-CPC) verwendet. Und zum anderen wurde ein neuartiger Stoff verwendet, ein Eisenschaumfestkörper. Dieser wurde zum einen mit dem Calcium-Phosphat-Zement gefüllt und zum anderen ohne Füllung belassen.Makroskopische-, histologische und molekularbiologische Untersuchungen wurden durchgeführt.In unserer Studie fanden sich überraschend wenig mehrkernige Makrophagen am Interface der Implantate von 1P-CPC. Bei der Resorption konnten Gewebestraßen durch das 1P-CPC Implantat beobachtet werden. Der Anstieg der Resorption stagnierte nach einer Standzeit von 6 Monaten zunächst beim 1P-CPC und nur vereinzelt kam es zu einem erneuten Anstieg der Resorption bei der 18-Monate-Gruppe. Dies wurde auch in der molekularbiologischen Untersuchung bei der Gegenüberstellung der ?CT-Werten von den Drei-Monats- und 18-Monats-Proben bei Kathepsin K (Marker für den Knochenabbau) (p=0,016) sowie zwischen der Sechs-Monate- und der 18-Monate-Standzeit (p=0,032) gezeigt. Die Vermutung, dass die interkonnektierenden Poren des Eisenschaum-Implantats das Einwachsverhalten von Granulationsgewebe mit ein- und mehrkernigen Makrophagen, Blutgefäßen und Osteoblasten-Vorläuferzellen fördern, konnte in den vorliegenden Untersuchungen gezeigt werden. Eine überraschend hohe Anzahl von mehrkernigen Makrophagen wurde am Eisenschaum-Implantat beobachtet. Nicht nur die Poren, sondern auch die Hydroxylapatit-Beschichtung scheint das Einwachsverhalten beim Eisenschaum gefördert zu haben.Ein rostbraunes Oxidationsprodukt fand sich am Eisengerüst des Implantats. Auch nach 18 Monaten Standzeit war das Eisenschaumimplantat noch fast vollständig erhalten.Überraschend wenig mehrkernige Makrophagen fanden sich am Interface des Eisenschaum-CPC-Implantats. Hingegen wurde eine hohe Anzahl von mehrkernigen Makrophagen am 2P-CPC-Aspirat gefunden. Die Resorption beim 2P-CPC-Aspirat verlief, ausgehend vom Lagerknochen, in kreisförmige Bewegungen von der Materialaußenseite nach innen. In Bezug auf die Fragmentierung war diese beim 2P-CPC-Aspirat am weitesten fortgeschritten. Die größte Anzahl von resorbierenden Zellen war am Mg-CPC Implantat nachzuweisen sowie ein erhöhtes Knochenremodelling beim Mg-CPC im Vergleich zum 1P-CPC. Die knöcherne Erschließung des Mg-CPC Implantats erfolgte jedoch nicht im gleichen Maße wie die Resorption in der späten Standzeit. In den früheren Standzeiten war ein gleichmäßiger Auf- und Abbau zu sehen. Insgesamt ist die knöcherne Durchbauung beim Mg-CPC am höchsten. In unseren Untersuchungen waren jedoch am Mg-CPC die meisten immunkompetenten Zellen zu finden.Je stärker die knöcherne Integration ausgebildet ist, desto geringer findet eine Resorption am Implantat statt. Es kann auch eine geringere Fragmentierung beobachtet werden, wenn die knöcherne Integration höher ist. Not just major fractures represent a problem in surgery, but also the affiliated osseous bi-defects, which have to be treated or corrected, too. New substitute bone materials have not only been implemented in the therapy of fractures and associated bone defects, but also in the healing process of fixed implants (Rueger, 1995).The aim of this thesis is to demonstrate how five newly generated materials have been incorporated into the body, with special attention being given to their bioremodelling, their rate of resorption, stability and compatability into a biologic entity. For this, histologic and molecular biologic procedures have been tested in the sheep model. Sheep were chosen as an allogenic large animal model, due to their - in relation to humans - comparable stress- and load-bearing capacity on the bone s anatomy (Wissing, et al., 1990).The test animals were placed in four experimental groups, each being observed over a 1, 3, 6 and 18 months period, respectively. Among the material components tested were ready-to-use Calcium-Phosphate Cement (1P-CPC), Calcium-Phosphate-Cement mixed with animal blood before application (2P-CPC-Aspirate) and a Magnesium-based Cement (Mg-CPC). As a real novelty, an iron-based foam component, of which one test series was performed with the addition of Calcium-Phosphate-Cement, and another - latter - group being left bare (i.e. without Calcium-Phosphate-filling), were introduced.On these, macroscopic, histologic and molecular biologic studies were performed.In our study, remarkably few polynucleic Macrophages were found on the Interface/Surfaces of the implants being treated with 1P-CPC. During the resorption process of the 1P-CPC-Implants, epithelium bridges were found throughout the implants. After a six month period, the rate of resorption stagnated firstly in the 1P-CPC-group, only to be resumed in a few cases again after 18 months. This could be demonstrated too in molecular biologic specimen for Cathepsin K (a marker for bone resorption) when the ?CT-values in the 3-month- (p=0,016) and the 18month-trial-periods (where p=0,032) were evaluated, respectively.It was hypothesized that the interconnecting porous microstructure of the iron-based foam implant would alleviate the growth of blood vessel along with enhanced granulation tissue (containing uni- and polynucleic macrophages) and osteoblastic precursor cells. This proofed to be the case, where a surprising high number of polynucleic macrophages were found. Therefore it could be assumed that the pores and the hydroxylapatit coating of the iron-based foam promote the growth of tissue.On closer inspection a rusty brown oxidation product was found on the ferrous structure of the implant. Even after 18 months, the implant still remained fully intact.Surprisingly few polynucleic macrophages were found on the Interface of the ferrous Foam-CPC-Implant. However a high count of polynucleic macrophages was extracted from the 2P-CPC-Aspirate. Resorption from the 2P-CPC-Aspirate followed (radiating from the core bone) in orbital motion from the outside of the material inwards. With regard to the fragmentation observed, this has progressed furthest in the 2P-CPC-Aspirate.The highest count of cells resorbed was found to be in the Mg-CPC-implant, along with the highest degree of bone remodelling (when compared to the 1P-CPC). Whereas in the beginning of the series, the level of bone assembly and degradation was almost in sync, the level of osseus development did not keep pace with the simultaneous resorption observed at a later stage. Overall the level of bone tissue re-arrangement was found to be highest in the Mg-CPC. Our findings also revealed that the highest number of immunecompetent cells were found in the Mg-CPC.To sum up, the higher the degree of bone integration was found to be (in the sheep model), the less the implant was resorbed. There was found to be a lesser degree of fragmentation, too, if the osseus integration was higher.