Histomorphometrische Untersuchung der knöchernen Integration von Silbernanopartikel-dotierten Osteosynthesematerialien in einem experimentellen Tiermodell an der Ratte

Abstract

Die in der Orthopädie und Unfallchirurgie häufig vorkommenden periprothetischen Infektionen haben weitreichende medizinische und sozioökonomische Konsequenzen. In der vorliegenden Arbeit sollte die Biokompatibilität von antimikrobiell wirkenden Silbernanopartikeln (AgNP) über die Analyse der Osseointegration intramedullärer Implantate in der Tibia von Sprague-Dawley Ratten untersucht werden. Eingesetzt wurden Polymethylmethacrylat-(PMMA)-Zementimplantate (+ AgNP / + AgNP + Gentamicin), Titan (TiAI6V4-ELI ± AgNP) und Kollagen-Typ-1-Implantate (± AgNP). Die Tibiaquerschnitte wurden nach einer Standzeit von 4 Wochen und 6 Monaten histomorphometrisch analysiert. Als Parameter der Osseointegration dienten die Knochenflächenanteile (Trabekelfläche eines definierten Gesamtquerschnitts der Spongiosa), die Knochenneubildung, die Anteile Tartrat-resistente saure Phosphatase-(TRAP)-positiver Zellen (Osteoklastenaktivität) und die alkalische Phosphatase-(ALP)-positiven Interface-Anteile zwischen Implantat und Knochen (Osteoblastenaktivität).Alle Versuchstiere überstanden die postoperative Kontrollprozedur ohne Auf-fälligkeiten. Zu den beiden Messzeitpunkten (4 Wochen / 6 Monate) traten keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich des Anteils der Knochenflächen und der Knochenneubildung zwischen den Gruppen auf. Bemerkenswert war der konstante Anteil der Knochenfläche und der Knochenneubildung (Vergleich 4 Wochen / 6 Monate) in der PMMA-Zement-Gruppe mit Gentamicin und AgNP. Die Titanimplantate (± AgNP) zeigten zu beiden Zeitpunkten eine höhere Knochenneubildung am Interface als an der gesamten Knochenfläche. Die Kollagen-implantate (± AgNP) waren in den TRAP- und ALP-Analysen zu beiden Zeitpunkten durch eine signifikant höhere Bioaktivität als die anderen Gruppen charakterisiert. Diese erhöhte Bioaktivität spiegelte sich aber nicht in einer erhöhten Knochenfläche/-neubildung wider. In keinem Fall führte eine AgNP-Dotierung zu einer signifikanten Abnahme der erhobenen Biokompatibilitätsparameter im Vergleich zu den Kontrollen. Zusammenfassend belegen die in vivo Experimente, dass eine AgNP-Dotierung die Osseointegration nicht negativ beeinflusst. Commonly occurring periprosthetic infections in orthopedics and trauma surgery are accompanied by serious medical and socioeconomic problems. The present study explores the biocompatibility of antimicrobial silvernanoparticle (AgNP) by analyzing the osseointegration of intramedullary implants within tibiae of sprague-dawley rats. Implants consisting of poly-methylmethacrylate (PMMA) bone cement (+ AgNP / + AgNP + Gentamicin), titanium (TiAI6V4-ELI ± AgNP) and collagen type 1 (± AgNP) were inserted. The tibiae cross sections were analyzed histomorphometrically after 4 weeks and 6 months observational periods. As parameters of osseointegration, the amount of bone area (trabecular surface area of a defined cross section), the formation of new bone, the relative number of osteoclasts (tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP) positive cells) and the amount of alkaline phosphatase (ALP) positive osteoblasts at the interface of implant and bone were analyzed.All experimental animals have withstanded postoperative control procedure without abnormality. At both measurement times (4 weeks / 6 months) there were no significant differences concerning the amount of bone area and bone neoformation between the groups. Remarkebly, the amount of bone area and the bone neoformation keep constant (4 weeks / 6 months) in the PMMA bone cement group with gentamicin and AgNP. Titanium implants (± AgNP) showed for both investigation time points a higher amount of bone formation at the interface, than at the whole bone area. The collagen implants (± AgNP) were characterized by significantly higher bioactivity concerning TRAP and ALP analysis for both investigation time points than the other groups. The high bioactivity did not reflect a higher amount of bone area/-neoformation. AgNP-doting did not lead to reduced biocompatibility compared controls. Summarizing, the in vivo experiments verified that a AgNP-doting did not affect the osseointegration adversely.