Untersuchung des Einwachsverhaltens neuartiger Knochenersatzmaterialien in osteoporotischen Rattenknochen mittels Histochemie und bildgebender Massenspektrometrie

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden zwei neuartige Kompositmaterialien mit unterschiedlichem Strontiumgehalt im osteoporosemimetischen, metaphysären critical-size-defect-Modell als Knochenersatzmaterial am Rattenfemur mit einer Kontrollgruppe verglichen. Die beiden Knochenersatzmaterialien PPGC+S 5:5 III (37 % Sr2+) bzw. PPGC+S 3:7 III (90 % Sr2+) wurden dabei der Leerdefektgruppe gegenübergestellt. 24 weibliche Sprague Dawley Ratten wurden randomisiert den drei Gruppen (A) Leerdefekt (n=8), (B) PPGC+S 5:5 III (n=8) und (C) PPGC+S 3:7 III zugewiesen.Die Osteoporose wurde durch eine Kombination aus einer zwölfwöchigen Mangeldiät (calcium-, Vitamin D3-, und phosphorarm) mit bilateraler Ovarektomie induziert. Die Materialeinbringung erfolgte nach 90 Tagen in einen critical size defect in Form einer keilförmigen Osteotomie im metaphysären Abschnitt des linken Femurs mit vollständiger Kontinutitätsunterbrechung und Stabilisierung mit T-Miniplatten. Die Probengewinnung fand nach Euthanasie sechs Wochen post operationem statt.Für die Auswertung wurden zwei etablierte histochemische Färbungen, nach Movat bzw. von Kossa/ van Gieson und zwei enzymhistochemische Färbungen, ALP- bzw. TRAP-Nachweis, angewandt. Die Knochenschnitte wurden nach erfolgreicher Färbung fotodokumentiert und mittels Auswertesoftware bearbeitet, so dass eine statistische histomorphometrische Auswertung möglich gewesen ist. Zusätzlich wurde die Strontiumfreisetzung mittels der TOF-SIMS analysiert.Makroskopisch konnte bei keiner der drei Gruppen eine knöcherne Überbrückung festgestellt werden. Biomaterialresiduen waren nur bei PPGC+S 3:7 III nachweisbar.Histomorphometrisch zeigte sich eine vermehrte Knochenneubildung für das strontiumreichere KEM PPGC+S 3:7 III, (90 % Sr2+) im Vergleich zu PPGC+S 5:5 III (37 % Sr2+) und der Leerdefektgruppe. Der duale Wirkmechanismus von Strontium kann als bestätigt angesehen werden. Im neugebildeten Knochen und im Lagerknochen konnte mittels TOF-SIMS Strontium, im Sinne einer einige Millimeter weit reichenden Diffusion, nachgewiesen werden.

This work focused on two new bone substitute materials (BSM) in an osteoporosis-mimetic metaphyseal critical size defect in a rodent model. The two BSMs contained differing amounts of strontium PPGC+S 5:5 III (37 % Sr2+) and PPGC+S 3:7 III (90 % Sr2+) and were compared to an empty (i.e. material-free) control group. 24 female Sprague-Dawley rats were randomly distributed to one oft he three groups (A) empty control group (n=8), (B) PPGC+S 5:5 III (n=8) and (C) PPGC+S 3:7 III.Osteoporosis was induced through a combination of a twelve week long deficient diet (poor in Calcium, Vitamin-D and Phosphorus) and bilateral ovariectomy. The implantation of BSM was performed ninety days later into a critical size defect of the distal femur with a wedge osteotomy at the distal metaphysis of the femur, and internal stabilization with a T miniplate. Euthanasia and harvesting of the samples was done six weeks after femur surgery.Two well established histochemical (Movat, van Kossa/van Gieson) and two enzyme-histochemical staining methods (ALP and TRAP) were used to evaluate the new BSMs. Bone cross-sections were photo-documented after successful staining and images digitally processed for histomorphometric measurements to be carried out. Additionally, the release of strontium was analyzed using TOF-SIMS.Macroscopically in none of the three groups the critical size defect was locally bridged over. Residues of the biomaterial were only found in the BSM group (C) PPGC+S 3:7 III.Histomorphologically a higher amount of newly formed bone was found for the BSM PPGC+S 3:7 III, (90 % Sr2+) compared to PPGC+S 5:5 III (37 % Sr2+) and control. The dual mode of action of strontium can be considered confirmed. Both in the newly formed bone and in the pre-existing bone strontium diffusion was shown using TOF-SIMS with strontium being detected several millimetres away from the original ROI.