Geweberegeneration und Biokompatibilität nach Implantation von Hydroxylapatit-Polyethylen (HAPEX ) in Weichgewebe und Ulnadefekt beim Kaninchen

Abstract

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. Local tissue tolerance of the bone graft substitutes polyethylene (PE) and polyethylene reinforced with 40 vol % hydroxyapatite (HAPE / HAPEX ) was examined in the muscular system of the upper arm and in an ulna defect of 24 white New Zealand rabbits. The aim of this study was to investigate the possibility of soft tissue adherence to the composites as well as the interface between these composites and the bone tissue. The results support the development of a modular shoulder prosthesis in order to improve the overall soft tissue adherence. This is a difficult but necessary task to recover its function entirely. In the caudal aspect of the upper third of the ulna bone fragment of 7 mm length was removed and subsequently substituted for a cylindrical implant. 12 of the animals received PE-implants while the second half received HAPE, both in dense and perforated form. The cylinders were all 7 x 6 x 8 mm and had a central tube of 200 µm. The perforations were 60 µm in diameter and ended all in this central tube. There was no additional stabilisation of the cylinders in the bony defect. Discs with a diameter of 6 mm and a height of 3 mm were implanted into the muscles of the upper arm of the same extremity. On day 10, 15, 25, 30, 130 and 135 after implantation the animals were labelled with the fluorochromes Calcein, Alizarin complexone and Tetracycline. X-ray controls were taken immediately after implantation as well as 3, 5, 10 and 20 weeks after surgery. 6 animals of each group were euthanised on week 5 and 20 respectively. Following body perfusion with Karnowsky solution the treated part of the extremity and the soft tissue implants were investigated using light microscopy together with immunofluorescence techniques. The chronological classification of the fluorochromes in the structure of new grown bone tissue showed that the formation of woven bone already started around day 10. The maximum of new bone production was reached between days 25 to 30 after surgery. In most cases the maturation of woven bone to lamellar bone was finished by day 130. After 5 weeks the histological data already showed lamellar bone next to the ulna, while immature bone predominantly surrounded the implant. The bone production started remarkably earlier in specimens treated with HAPE compared to PE implants. At the interface to the plain polyethylene implants a district layer of connective tissue could be detected. 20 weeks after implantation mainly lamellar bone, a small amount of woven bone and bone marrow were found pointing to the end of the remodeling process. A great amount of chondrozytes in almost every case revealed the lack of stability in the defects. In the muscle tissue the implants were encapsulated by a thin layer of connective tissue showing no signs of inflammation in this fibrous capsule or in the muscle tissue. The soft tissue gave no evidence of mineralisation and just little signs of degradation of HAPE implants after 20 weeks. Soft tissue adherence to both materials could be found while the connection with HAPE was stronger. In most cases bone healing was complete. The production of bony tissue was performed faster in the HAPE samples after 5 weeks but at the end of the study the results of both materials were similar. There was a higher but not significant increase in direct bone contact zones at the interface between HAPE and bone compared to the interface between plain PE and bone. Later points in time did not show any difference in these areas. A complete osseointegration could just be detected in 3 of 12 HAPE samples. Soft tissue adherence seemed to be more durable with HAPEX . The perforations did not lead to further improvement regarding soft tissue adherence in both materials. These results confirm the good properties of HAPEX and its compatibility with both, bony and soft tissue. The capacitiy of osteoinduction just could not be proved. Because of the variable part of HA in the composit its excellent mechanical features can be adapted to different needs in surgery and traumatology. Compared to polyethylene the composite is definitely more suitable for long-term application. The variability of design of the components polyethylene and hydroxylapatite as well as the design of the ready for use composit HAPEX offer great potential in implantology even in weight-bearing applications. Before certifying the suitability of HAPEX for a new modular shoulder prosthesis there must be some more studies with modifications in material and especially with stability in the defect.