Geweberegeneration und Biokompatibilität nach Implantation von Hydroxylapatit-Polyethylen (HAPEX ) in Weichgewebe und Ulnadefekt beim Kaninchen
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Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit überprüft die lokale Verträglichkeit von Polyethylen (PE) und Polyethylen mit 40 vol % Hydroxylapatit (HAPE / HAPEX ) nach Implantation in die Oberarmmuskulatur und in einen Ulnadefekt beim Kaninchen. Die Untersuchungen sollen Aufschluss geben über die Adhäsion von Bindegewebe im Interface und die Beschaffenheit des Interface zwischen Knochengewebe und dem Kompositwerkstoff. Die Ergebnisse dienen der Entwicklung einer modularen Schulterprothese, um die schwierige, aber zur vollständigen Wiederherstellung der Funktion notwendige Weichteilabdeckung zu verbessern. Dazu wurde bei 24 adulten Kaninchen der Rasse Neuseeländer Riesen die linke Ulna im proximalen Drittel teilosteotomiert und ein 7 mm langes Ulnateilstück entfernt. Bei jeweils zwölf Tieren wurde ein 7 x 6 x 8 mm großer Zylinder aus PE bzw. aus HAPE ohne zusätzliche Fixation in diesen Defekt eingelegt. Alle Zylinder hatten eine zentrale Ausbohrung von 200 µm Durchmesser. Jeweils die Hälfte der Zylinder beider Materialgruppen war mit 60 µm großen Kanälchen perforiert, die alle in der zentralen Ausbohrung endeten. In der Schultermuskulatur der selben Gliedmaße wurde eine Implantatscheibe von 3 mm Höhe und 6 mm Durchmesser aus dem gleichen Material implantiert. Als Vorbereitung für die fluoreszenzmikroskopische Auswertung der knöchernen Gewebereaktion wurden den Kaninchen am zehnten und 15., 25. und 30. sowie am 130. und 135. postoperativen Tag subkutan die Fluorochrome Calcein, Alizarin complexone und Tetrazyklin injiziert. Direkt post operationem sowie nach 3, 5, 10 und 20 Wochen fanden Röntgenkontrollen statt. Nach 5 bzw. 20 Wochen Beobachtungszeit wurden jeweils 12 Tiere getötet. Die Tierkörper wurden mit Karnovsky-Lösung perfundiert. Radius und Ulna mit anhaftendem Weichgewebe sowie die Muskelblöcke mit den implantierten Probenscheiben wurden entnommen und der histologischen respektive fluoreszenzmikroskopischen Untersuchung zugeführt. Die zeitliche Zuordnung der Fluorochrome im neu gebildeten Knochengewebe und dessen Struktur veranschaulichten, dass die Geflechtknochenbildung im Defekt bereits um den 10. postoperativen Tag einsetzte. Das volle Ausmaß der Regeneration entwickelte sich zwischen 25. und 30. Tag. Das Remodeling von Geflecht- zu Lamellenknochen war 130 Tage nach der Osteotomie so weit vorangeschritten, dass die Konsolidierung der Defekte in fast allen Fällen annähernd erreicht war. Histologisch überwog in der Nähe des Lagerknochens nach fünf Wochen bereits Lamellenknochen, während in Implantatnähe noch Geflechtknochen mit Osteoblastensäumen und Osteoklasten vorherrschte. Bei den HAPE-Implantaten wurde deutlich früher Knochen in Implantatnähe gebildet als bei den Polyethylen-Implantaten. Im Interface zu den PE-Implantaten trat besonders häufig eine bindegewebige Schicht auf. 20 Wochen nach der Implantation beherrschte ein kompaktes Knochengewebe den Bereich der Osteotomie. Dabei handelte es sich überwiegend um Lamellenknochen in Haversschen Systemen. Der Anteil an Geflechtknochen war nur noch gering. Das Remodeling war fast abgeschlossen, und Fettmark hatte sich wieder ausgebildet. Der hohe Anteil an Knorpelzellen in nahezu allen Proben sprach für fehlende Primärstabilität. Die intramuskulären Implantate heilten nahezu reizlos ein. Sie waren von mehreren Schichten straffen Bindegewebes umgeben, das nach 20 Wochen eine Kapsel gebildet hatte. Anzeichen einer Mineralisation des benachbarten Gewebes waren nicht zu bemerken. Hingegen konnte nach 20 Wochen vereinzelt eine geringgradige Degradation der HAPE-Implantate beobachtet werden. An beiden Materialien war der enge Kontakt zu Fasern und Zellen zu erkennen. Allerdings erschien die Verbindung mit HAPEX stabiler. In den meisten Fällen hatte eine vollständige Konsolidierung der Ulnadefekte stattgefunden. Die Bildung neuen Knochengewebes war nach fünf Wochen bei den HAPE-Implantaten etwas weiter fortgeschritten als bei den PE-Implantaten. Nach 20 Wochen war das Bild einheitlicher. Zu beiden Nachbeobachtungszeitpunkten gab es zwischen HAPEX und Knochen deutlich mehr direkten Kontakt als zwischen Polyethylen und Knochen. Eine Zunahme dieser Areale war jedoch nicht zu bemerken. Eine vollständige knöcherne Integration konnte nur bei drei von zwölf HAPE-Proben nachgewiesen werden. Die Adhäsion von Bindegewebe erschien bei den HAPE-Präparaten dauerhafter. Die Perforationen brachten keine weitere Optimierung. Die Ergebnisse unserer Studie bestätigen die guten Materialeigenschaften von HAPEX , das sowohl mit Knochengewebe als auch Weichgewebe kompatibel ist. Ein osteoinduktives Verhalten des Materials ist nicht nachzuweisen. Die hervorragenden mechanischen und tribologischen Eigenschaften des Komposits, die durch veränderliche Anteile von Hydroxylapatit bedarfsweise variiert werden können, machen einen Einsatz im lastfreien oder wenig lasttragenden Knochenlager denkbar. Die variablen Gestaltungsmöglichkeiten sowohl der Einzelkomponenten Polyethylen und Hydroxylapatit als auch das veränderliche Gesamtdesign des Komposits bieten das besondere Potential für die Endoprothetik, auch bei lasttragenden Anwendungen. Diese werkstoffseitigen Modifikationen sowie Untersuchungen mit stabilem Defektmodell erscheinen dringend notwendig bevor HAPEX die Eignung zur Verwendung bei der eingangs erwähnten Schulterprothese zugesprochen werden kann.Verknüpfung zu Publikationen oder weiteren Datensätzen
Beschreibung
Anmerkungen
Erstpublikation in
Giessen : VVB Laufersweiler 2007