Gentamicin-RGD-Hydroxylapatit-Beschichtungen für zementfreie Endoprothesen : eine experimentelle Studie am Kaninchen zur Untersuchung der knöchernen Integration und Biokompatibilität

Abstract

Antimikrobielle Beschichtungen für zementfreie Endoprothesen versprechen eine Verbesserung der Infektionsprophlyaxe. Jedoch muss eine Störung der wichtigen knöchernen Integration der Prothese durch das freigesetzte Antibiotikum bei solchen Beschichtungen unbedingt ausgeschlossen werden. Für eine Gentamicin-RGD-HA-Beschichtung konnte vor kurzem eine statistisch verbesserte Infektprophylaxe in einem Kaninchenmodell im Vergleich zu einem Gentamicin-freien Implantat nachgewiesen werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, die Knochenneubildung, Implantatintegration und die Biokompatibilität dieser Gentamicin-RGD-HA-Beschichtung im Vergleich zu einer reinen HA-Beschichtung in einem Kaninchenmodell zu untersuchen. Für die Studie wurden 39 Tiere operiert, von denen jeweils 6 Tiere für die Gentamicin-RGD-HA-Beschichtung und die HA-Beschichtung für den 4-Wochen-Untersuchungszeitpunkt verwendet wurden. Bei der Langzeitstudie mit einer Beobachtungsdauer von 12 Wochen befanden sich jeweils 9 Tiere in den drei Untersuchungsgruppen: Gentamicin-RGD-HA-, HA- bzw. unbeschichteter K-Draht-Gruppe. Es wurde bei allen Tieren ein 2,0 mm durchmessender Stahl-K-Draht mit der entsprechenden Beschichtung bzw. unbeschichtet laut Vorgabe der Randomisierungsliste in den Tibiamarkkanal implantiert. Nach 4 und 12 Wochen wurden die Tiere euthanasiert und drei verschiedene anatomischen Regionen der Tibia (proximale Metaphyse, Schaftbereich, distale Metaphyse) wurden bezüglich Knochenneubildung, direktem Knochen-Implantat-Kontakt und Anzahl von multinukleären Riesenzellen quantitativ und qualitativ analysiert. Es kam zu keinen statistisch signifikanten Differenzen zwischen der Gentamicin-RGD-HA- und der HA-Beschichtung bei der Knochenneubildung, beim direktem Knochen-Implantat-Kontakt oder bei der Anzahl von multinukleären Riesenzellen nach 4 oder 12 Wochen. Sowohl die Gentamicin-RGD-HA-Beschichtung als auch die HA-Beschichtung zeigten einen signifikant höheren Knochen-Implantat-Kontakt nach 12 Wochen im Vergleich zu der Gruppe des unbeschichteten K-Drahts. Im detailhistologischen Vergleich zeigten sich sowohl in der Gentamicin-RGD-HA- als auch in der HA-Gruppe Knochenformationsprozesse, die vom Endost ihren Ausgang nahmen, ohne markante Differenzen zwischen den beiden Gruppen. Somit kam es zu keinen signifikanten Unterschieden zwischen der Gentamicin-RGD-HA- und der HA-Gruppe, sodass von einer guten Biokompatibilität der Gentamicin-RGD-HA-Beschichtung ausgegangen werden kann. Antimicrobial coatings are interesting for the improvement of infection prophylaxis in cementless joint arthroplasty. However, those coatings must not interfere with the essential bony integration of the implants. Gentamicin-RGD-(Arginin-Glycin-Aspartat)-HA-coating could recently be shown to significantly reduce infection rates in a rabbit infection prophylaxis model compared to gentamcin-free implants. The purpose of the current study was to investigate in vivo effects of gentamicin-RGD-HA coatings on new bone formation, implant integration and biocompatibility in a rabbit model. There were 39 rabbits in total with 6 animals for the gentamicin-RGD-HA group and the pure HA-coating control group for the 4 week time period, respectively. For the 12 week observation period 9 animals were used for each of the three groups, respectively. A 2.0mm steel K-wire with the respective coating was placed into the intramedullary canal of the tibia. After 4 and 12 weeks the tibiae were harvested and three different areas of the tibia (proximal metaphysis, shaft area, distal metaphysis) were assessed for quantitative and qualitative histology for new bone formation, direct implant bone contact and formation of multinucleated giant cells. There was no statistically significant difference between the gentamicin-RGD-HA group and the pure HA-coating control group in new bone formation, direct implant contact or number of multinucleated giant cells after 4 or 12. Both the gentamicin-RGD-HA group and the pure HA-coating control showed statistically significant better direct bone-implant contact after 12 weeks compared to uncoated K-wires. Detail histology showed all phases of new bone formation processes which mainly starting from the surrounding endosteal bone without any remarkable differences between the gentamicin-RGD-HA group and the pure HA-coating control. In conclusion, there were no significant differences between the Gentamicin-RGD-HA and the HA group and good biocompatibility of the Gentamicin-RGD-HA can therefore be assumed.