Evaluation der Degradation, Osseointegration und Gasbildung magnesiumbasierter Knochenersatz- und Osteosynthesematerialien im Kaninchenmodell mittels Mikro-CT

Abstract

Bereits jetzt stellt die osteosynthetische Frakturversorgung einen Großteil der in Krankenhäusern durchgeführten Operationen dar. Vor dem Hintergrund der zunehmend alternden Gesellschaft und dem damit einhergehenden Anstieg altersassoziierter Erkrankungen wie Osteoporose ist mit einem weiteren Anstieg entsprechender Eingriffszahlen und einer steigenden Belastung des Gesundheitssystems zu rechnen. Damit wächst das Bedürfnis nach innovativen Osteosynthesematerialien, welche optimaler Weise vollständig degradierbar sind und damit Risiko und sozioökonomischen Schaden etwaiger Zweiteingriffe zur Materialentfernung obsolet machen würden. Vor diesem Hintergrund wird bereits seit Ende des 19. Jahrhunderts an Magnesium als Ausgangsmaterial für eben solche Implantate geforscht. Magnesium ist bereits physiologisch in hohen Konzentrationen im Körper vorhanden, seine Abbauprodukte sind nicht toxisch. Magnesium ist vollständig biodegradierbar und ähnelt hinsichtlich seines Elastizitätsmoduls Knochen deutlich mehr, als zum Beispiel Titan. Ein Problem der Magnesiumimplantate ist aber ihre in vivo ausgeprägte Wasserstoffbildung und ihre rasche Degradation, was zu Knochendefekten, mangelnder knöcherner Integration und zu raschem Stabilitätsverlust führt. Besonders in den letzten Jahren wurden verschiedene Legierungen auf Magnesiumbasis hinsichtlich dieser Problematik als erfolgversprechend postuliert, eine Legierung steht bereits zur klinischen Anwendung zur Verfügung. In vielen der diesbezüglich vorliegenden Arbeiten wurden die Faktoren Gasbildung, knöcherne Integration und Degradation aber nur deskriptiv, im Rahmen von Surrogatparametern oder durch histologische Untersuchungstechniken erfasst, welche nicht die Gesamtheit des Probenmaterials überblicken. In der vorliegenden Studie sollte eine vollständige, quantitative Erfassung der Parameter Gasbildung, Degradation und Osseointegration von drei verschiedenen, auf Magnesium basierenden Implantatmaterialien im Vergleich zu reinem Magnesium vorgenommen werden. Im Einzelnen wurden Zylinder aus reinem Magnesium, W4, einem Magnesiumhydroxylapatitkomposit (MgHA) und einem magnesiumhaltigen Kalziumphosphatzement (MgCPC) implantiert. Hierzu wurden die Implantate in einem Bohrlochdefekt an der distalen Femurmetaphyse von insgesamt 31 Neuseeland- Kaninchen eingebracht. Die Erfassung der Zielparameter erfolgte nach jeweils 6 und 12 Wochen mittels Mikro- Computertomographie. Im Rahmen der Untersuchung konnte gezeigt werden, dass es zwischen den untersuchten Materialien teilweise signifikante Unterschiede hinsichtlich der einzelnen Parameter gibt. So ist zum Beispiel die detektierte Gasmenge in der Umgebung der MgCPC Implantate signifikant geringer, als die um reines Magnesium oder das Legat W4. Weiterhin unterscheidet sich die Kinetik der Gasbildung je nach Implantatmaterial deutlich, so ist bei reinem Magnesium über den gesamten Beobachtungszeitraum eine Zunahme der Gesamtgasemnge zu verzeichnen, sowie eine gleichbleibende Gasmenge um die W4 Implantate, wohingegen die Gesamtgasmenge in den MgCPC und Komposit enthaltenden Proben eine abnehmende Tendenz zeigt. Weiterhin konnte in der Versuchsreihe eine starke, negative Korrelation zwischen Osseointegration und Gasmenge gezeigt werden. Hinsichtlich des Parameters Degradation stellte sich heraus, dass sich die Legierung von Reinmagnesium mit Yttrium (W4) nur marginal positiv auf das Degradationsverhalten auswirkt. Zusammenfassend lässt sich an Hand der vorliegenden Arbeit sagen, dass eine quantitative Untersuchung mittels Mikro- CT durchaus abweichende Ergebnisse gegenüber der histologischen Untersuchung liefert und einige der untersuchten Materialien noch weit von einer möglichen klinischen Anwendung entfernt sind. Gleichzeitig erscheint die Verwendung von Magnesium in Kalziumphosphatzementen vielversprechend und eine weiterführende Untersuchung dieses Materials als lohnenswert. The osteosynthetic fracture supply represents a major part of operations carried out in hospitals. Against the background of an increasingly aging society and the accompanying rise of age-related diseases, such as osteoporosis, a further increase in corresponding interventions and an increasing burden on the health system is expected. In this way, the need for innovative osteosynthesis materials is growing. Under optimal conditions, such materials can be completely degraded and the perioperative risk and socioeconomic damage of material removal would be obsolete. Magnesium, as a primary material, has been researched since the end of the 19th century for use in such implants. Magnesium is present in high concentrations in the body, the degradation products of which are not toxic. Magnesium is completely biodegradable, and in regard to its modulus of elasticity, much more similar to bone than titanium. A problem with magnesium implants is in vivo pronounced hydrogen formation and rapid degradation, leading to osteolysis, deficient bone integration, and rapid loss of stability. In recent years various magnesium-based alloys have been postulated to be promising solutions to these problems. A material combination is already available for clinical application; however, in many of these studies, factors such as gas formation, bony integration, and degradation, were mainly recorded descriptively and characterized as surrogate parameters or by histologic examination techniques, which do not overlook the entirety of the sample material. In the present study, a complete quantitative assessment of gas formation, degradation, and osseointegration of three different magnesium-based implant materials (W4, MgHA, and MgCPC) were compared to pure magnesium. For this purpose, a bioassay over a period of 12 weeks was performed. Rabbit femurs with implanted sample material were examined. The target parameters were recorded by microcomputer tomography after 6 and 12 weeks. The study showed that there are significant differences between the investigated materials with respect to the individual parameters. For example, the detected gas volume surrounding the MgCPC implants was significantly lower than the pure magnesium or legate W4 implants. Furthermore, the kinetics of gas formation differed significantly, depending on the implant material. In the case of pure magnesium, an increase in total gas quantity was observed over the entire observation period, as well as a constant amount of gas around the W4 implants, while the total gas quantity in the samples loaded with MgCPC and composite decreased. Furthermore, a strong, negative correlation between osseointegration and gas formation was demonstrated in the experimental series. Regarding parameter degradation, it was shown that blending of pure magnesium with yttrium (W4) only had a marginally positive effect on degradation behavior. In summary, a quantitative study using micro-CT revealed different results compared to the histologic examination. Some of the investigated materials are still far from clinical application. At the same time, the use of magnesium in calcium phosphate cement appears promising and a further investigation of this material is warranted.