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

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das knöcherne Einwachsverhalten, die Implantatintegration und die Biokompatibilität von mit Hydroxylapatit bzw. mit Hydroxylapatit und Gentamicin beschichteten, zementfreien Prothesen zu untersuchen. K-Drähte mit diesen beiden Beschichtungen wurden in Kaninchentibiae eingebracht und diese nach einer Versuchsdauer von 4 bzw. 12 Wochen untersucht. Für die vorliegende Studie wurden 39 Tiere operiert, wobei jeweils 6 Tiere für die Gentamicin-HA-Beschichtung und die HA-Beschichtung für den 4-Wochen-Untersuchungszeitpunkt verwendet wurden. In der Langzeitstudie mit einer Versuchsdauer von 12 Wochen befanden sich jeweils 9 Tiere in den drei Untersuchungsgruppen: Gentamicin- HA-, HA- bzw. unbeschichteter K-Draht-Gruppe. Jedem der Tiere wurde ein 2,0 mm durchmessender Stahl-K-Draht mit der entsprechenden Beschichtung bzw. unbeschichtet entsprechend der Randomisierungsliste in den Tibiamarkkanal implantiert. Nach 4 und 12 Wochen wurden die Tiere euthanasiert, die Tibiae entnommen und drei verschiedene anatomischen Regionen der Tibia (proximale Metaphyse, Schaftbereich, distale Metaphyse) wurden bezüglich Knochenneubildung, direktem Knochen-Implantat-Kontakt und Anzahl von multinukleären Riesenzellen semiquantitativ und qualitativ analysiert. Nach vier Wochen Standzeit zeigten sich in den Untersuchungen zur Knochenneubildung und Biokompatibilität histomorphometrisch weder bei der Bestimmung der Knochenneubildungsrate noch beim Knochen-Implantat-Kontakt oder bei der Anzahl der Riesenzellen im Knochenmark statistisch signifikante Unterschiede zwischen der reinen HA- und der Gentamicin-HA-Gruppe. In der Detailhistologie kam es ebenfalls zu keinen fassbaren Unterschieden zwischen den einzelnen Gruppen, wobei jedoch in allen Gruppen Knochenmarknekroseherde und auch eine gewisse Anzahl von Fremdkörperriesenzellen zu verzeichnen waren.Nach zwölf Wochen Standzeit zeigte sich in sowohl in der HA als auch in der HA-Gentamicin-Gruppe eine deutlich höhere Knochenneubildung als in den korrespondierenden Gruppen nach vier Wochen. Die HA- und auch die HA-Gentamicin-Beschichtung zeigten in allen Ebenen eine höhere Rate an Knochenneubildung als die unbeschichteten K-Drähte. Zu signifikanten Unterschieden kam es dabei jedoch nur bei dem Vergleich des HA beschichteten K-Draht im Bereich der distalen Metaphyse mit dem unbeschichteten K-Draht. Hingegen wies die HA-Gentamicin-Gruppe in diesem Bereich eine deutlich niedrigere Rate an neu gebildetem Knochen auf im Vergleich zum HA-Implantat. Der Unterschied zu der HA-Beschichtung besaß mit einem p=0,05 nahezu statistische Signifikanz, aber statistisch signifikante Unterschiede zwischen der HA- und der HA-Gentamicin-Gruppe nach 12 Wochen bestanden somit nicht. Die Anzahl der Fremdkörperriesenzellen war in allen Gruppen deutlich rückläufig und ohne statistische Signifikanz zwischen den Gruppen.Resultierend aus diesen Beobachtungen kann gesagt werden, dass die Knochenneubildungstendenz und Fremdkörperreaktion der Implantate mit Gentamicinbeschichtung keine signifikanten Unterschied zu der der gentamicinfreien, ausschließlich mit HA beschichteten K-Drähte aufweist und somit von einer guten Biokompatibilität der Gentamicin-HA-Beschichtung ausgegangen werden kann. The purpose of this study was the assessment of new bone formation, implant integration and of the biocompatibility of gentamicin HA coated K-wires in a rabbit model. In total, the study was conducted with 39 rabbits for two time points. For the 4-week study 12 rabbits were randomly assigned to the gentamicin-HA or pure HA-coating group. For the 12-week study, 27 animals were tested with a gentamicin-HA, HA or uncoated K-wire, with 9 animals per group, respectively. A 2.0mm steel K-wire with the respective coating was placed into the intramedullary canal of the tibia in the rats. After the observation phase of 4 or 12 weeks, the tibiae were assessed. Three different areas of the tibia, namely the proximal metaphysis, the shaft area and the distal metaphysis were examined. The applied assessment criteria were quantitative and qualitative histology for new bone formation, direct implant bone contact and formation of multinucleated giant cells.There were no statistically significant differences between the bone formation rate, the direct bone-implant contact and the number of multinucleated giant cells between the HA- and gentamicin-HA groups after the initial four-weeks observation period. These results were confirmed by detailed histological investigations on new bone formation and biocompatibility of the gentamicin coatings. No major differences could be detected and bone marrow necrosis and multinucleated giant cells could be found for all implant type regions. After 12 weeks, there was a strong enhancement of new bone formation in the HA- and in the gentamicin-HA group compared to the 4-weeks results. Both HA and the gentamicin-HA group showed higher new bone formation compared to the uncoated K-wire- group. However, there was only a statistically significant difference in new bone formation between the HA- and the uncoated implant group at the distal metaphysis. There was a strong reduction in new bone formation in this area in the HA-gentamicin group compared to the HA group which reached almost statistical significance (p=0.05). However, there were no statistically significant differences in new bone formation or direct implant-bone contact between the two groups. The number of multinucleated giant cells decreased in all groups without any statistically significant differences of the groups.In conclusion, there was no statistically significant differences between the HA and the gentamicin-HA group in bone formation, implant integration or in the number of giant cells. Therefore, a good biocompatibility of the gentamicin-HA coating can be assumed.