Histologische Biokompatibilitätsprüfungen eines bioresorbierbaren Dreikomponenten-Knochenklebstoffes auf beta-Tricalcium-Phosphat-Basis

Abstract

Der Einsatz von Knochenklebstoffen in der Versorgung von Frakturen könnte gegenüber den konventionellen Osteosynthesetechniken eine Menge Vorteile bieten. Dennoch konnten sich Klebstoffe in der Traumatologie und operativen Orthopädie bis zum heutigen Tage nicht durchsetzen. Die in der Vergangenheit getesteten Knochenklebstoffe scheiterten oftmals an einer inadäquaten Verbundfestigkeit oder einer unzureichenden Biokompatibilität und Degradation. Das Ziel dieser Arbeit war, die Biokompatibilität und Biodegradation eines neuen Dreikomponentenknochenklebstoffes auf Tricalcium-Phosphat-Basis in New Zealand Kaninchen zu untersuchen. Dafür wurden mit einer Diamanthohlfräse (DBCS = Diamond bone cutting system) Knochenzylinder aus der Kaninchenfemurkondyle von 53 Versuchstieren entnommen und mit Knochenklebstoff benetzt replantiert. Die Zylinder der Kontrolle wurden ohne Klebstoff wiedereingesetzt. Zusätzlich erfolgte eine Implantation des Klebstoffes in eine muskuläre Rückentasche der Kaninchen. Die Versuchstiere wurden in acht Gruppen unterteilt und nach 10 und 21 Tagen, 3 und 12 Monaten euthanasiert. Die Analyse der Knochenheilung und Klebstoffdegradation erfolgte anhand lichtmikroskopischer, histomorphometrischer, transmissionselektronenmikroskopischer und enzymhistochemischer Methoden. Nach 21 Tagen, 3 und 12 Monaten war lichtmikroskopisch deutlich die Phagozytose des Knochenklebstoffes durch Fremdkörperriesenzellen sichtbar. Durch die Transmissionselektro nenmikroskopie konnte zudem eine zelluläre Resorption des Klebstoffes durch Makrophagen und mehrkernige Fremdkörperriesenzellen nach 10 Tagen beobachtet werden. Nach 10 Tagen zeigten sich sowohl bei der Kontroll- als auch Klebstoffgruppe beginnende Geflechtknochenbildungen im Osteotomiespalt. Nach 21 Tagen fand sich bei beiden Gruppen eine gesteigerte Osteogenese im Osteotomiespalt, dabei lagen die osteogenetischen Vorgänge der Kontrolle deutlich vor denen der Klebstoffgruppe. Eine nahezu vollständige Durchbauung des Osteotomiespaltes mit Lamellenknochen zeigte sich bei beiden Gruppen nach 3 Monaten, ein Vorsprung der Kontrolle hinsichtlich der Knochenheilung konnte nun nicht mehr beobachtet werden. Nach 12 Monaten zeigten beide Gruppen eine vollständige Durchbauung des Osteotomiespaltes. Ferner konnten in den Langzeitgruppen strukturell inhomogene Areale innerhalb des normalen Knochengewebes beobachtet werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass hydrolytische Abbauprozesse des Klebstoffes für die Bildung dieser Bereiche verantwortlich waren. Bei zwei Kaninchen der 21-Tages-Klebstoffgruppe fand sich eine Entzündungsreaktion mit lokaler Osteolyse im Osteotomiespalt. Die Kontrollgruppen aller Beobachtungszeitpunkte wiesen keine Entzündungszeichen auf. Die histologischen Auswertungen der Muskeltasche zeigten eine rege zelluläre Phagozytose des Klebstoffes während aller Beobachtungszeiträume. Nach 12 Monaten konnte auch in der Muskeltasche die Bildung von inhomogenen Arealen als Hinweis auf die Hydrolyse der Klebstoffreste beobachtet werden. Insgesamt konnte eine gute Biokompatibilität und frühzeitige Resorption des untersuchten Klebstoffes ohne eine Barriere für die physiologische Knochenheilung beobachtet werden. Zum Ausschluss eines kausalen Zusammenhangs zwischen der Klebstoffapplikation und den beobachteten Entzündungsreaktionen sollten weiterführende Untersuchungen folgen. Bone adhesives may offer a number of advantages over the conventional osteosynthesis techniques in the treatment of fractures. Nevertheless to date no bone adhesive could be established successfully for all day clinical use in the trauma and orthopaedic surgery. Researches in the past to design an adequate bone bonding have mostly not proved useful because of inadequate bonding strength or poor biocompatibility and degradation. The aim of this experimental study was to investigate the biocompatibility and biodegradation of a new bone adhesive containing tricalciumphosphate in New Zealand rabbits. Using the DBCS (diamond bone cutting system) cylinders of the distal femur of 53 rabbits were extracted and reimplanted with bone adhesive. In the control group the reimplant of the cylinders was performed without bone adhesive. Additional, bone adhesive has been implanted into a paravertebral, muscular bag. The animals were divided into eigth groups and euthanized after 10 and 21 days, 3 and 12 months. The analysis of bone healing and degradation pattern of the adhesive were studied using histological, histomorphometrical, transmission electron microscopical and enzymehistochemical methods.After 21 days, 3 and 12 months a clear phagocytosis of bone glue by multinuclear foreign body cells was visible in the light microscopy. By electronmicroscopic investigations a cellular resorption of the bone adhesive by multinuclear foreign body cells and macrophages could be seen furthermore after 10 days. After 10 days incipient formations of original woven bone were observed in the osteotomy gap of the control and adhesive group. After 21 days an increased osteogenesis in the osteotomy gap of both groups was found, the osteogenetic activity in the control group lied clearly ahead of that in the adhesive group. An almost complete bone reconstruction of the osteotomy gap with lamellar bone was visible after 3 months in both groups, an advantage of the control group concerning the bone healing could not be found anymore. After 12 months both groups showed a complete bone reconstruction of the osteotomy gap. Furthermore structural inhomogeneous areas within the normal bone tissue could be seen in the long-term group. The outcomes suggest that hydrolytic degradation processes were responsible for the formation of these areas. Two rabbits of the 21 days-adhesive group showed an inflammatory reaction with osteolysis in the osteotomy zone. The control groups did not revealed any signs of inflammation at all observation time. The histological analyses of the muscular bag showed an active cellular phagocytosis of the adhesive during all observation periods. After 12 months a formation of inhomogenous areas as advice for a hydrolysis of the adhesive residues could be found in the histological results of the muscular bag also. Overall a good biocompatibility and early resorption of the investigated bone adhesive without a barrier of the physiological fracture healing could be seen. To exclude a causal relation between the application of the bone adhesive and the inflammatory reactions further studies should follow.