Experimentelle Untersuchung zur Biokompatibilität offenporiger, metallischer Implantatstrukturen mit biologischer Reaktionsschicht unter besonderer Berücksichtigung des Knochenabbaus

Abstract

Die Aufgabe, gezielt eine verbesserte Knochenregeneration durch biokompatible und osteogene Materialien zu erreichen, rückt aufgrund der Nachfrage einer leistungsorien-tierten Gesellschaft, jedoch auch durch den demografischen Wandel und der somit erhöhten Anforderungen an Knochen und Knorpel, immer mehr in den Mittelpunkt der Erforschung modifizierbarer Knochenersatzmaterialien. Von der Wahl des Implantates über seine mechanische Beschaffenheit und Struktur bis hin zu speziellen, die Knochenregeneration unterstützenden Beschichtungen oder der Infiltration von Wachstumsfaktoren und ähnlichen Stoffen, bietet die Herstellung biokompatibler Knochenersatzmaterialien eine Reihe von Ansatzpunkten für die gezielte Osteokondukti-on und ggf. Induktion und Unterstützung des knöchernen Skeletts.Bisher gab es zu ähnlichen Fragestellungen bereits Studien an Kleintieren wie Ratten oder Kaninchen. Die Übertragung von Ergebnissen solcher wissenschaftlichen Untersuchungen aus einem Großtierversuch, welches ein für das menschliche Skelettsystem und seiner Beanspruchung ähnliches Regenerationsverhalten aufzeigt, gab es unter Verwendung offenporiger Titanium-Zylinderimplantate mit biologischer Reaktionsschicht bei Beginn dieser Studie jedoch noch nicht.Die Wahl fiel daher auf eine Auswahl von 24 Merino-Schafen, von denen nach einem halben Jahr Proben aus der Femurkondyle entnommen wurden, die nach gesetztem Knochendefekt und anschließender Implantation des Knochenersatzmaterials mit biologischer Calcium-Titanat-Reaktionsschicht unter natürlicher Beanspruchung unter Vollbelastung der Tiere in vivo reagieren konnten.Die Proben beschichteter und unbeschichteter Implantate wurden unter der Fragestellung verglichen, ob die Verwendung der biologischen Reaktionsschicht eine verbesserte Knochenheilung und -stabilität, einen verminderten Knochenabbau und darüber hinaus die Induktion osteogener Zellen bewirken konnte. Dazu wurden, neben der Miteinbeziehung herstellungsbedingter Faktoren mit möglicher Auswirkung auf das Gesamtergebnis, histologische, histomorphometrische, molekularbiologische und biomechanische Versuche durchgeführt.Das Ergebnis für alle angewandten Methodiken bestätigte dabei den bereits nach Explantation gewonnenen makroskopischen Eindruck: Zwischen beschichteten und unbeschichteten Implantaten gibt es keinen signifikanten Unterschied im Einwachsverhalten des neu gebildeten Knochens hinsichtlich der Stabilität im Interface-Bereich sowie der Reduktion knochenresorptiver Zellen im Zielbereich. Insbesondere der histomorphometrische Vergleich der zeitgleich mit Calcein-Grün-Fluorochrom gefärbten Knochenbereiche an Tag 177 und 184 konnte keine signifikanten Abweichungen bei der Knochenregeneration aufzeigen. Die daraufhin gestellte Arbeitshypothese, dass die verwendete Beschichtung keinen Vorteil gegenüber der reinen Titaniumimplantate aufweist, wurde durch den Vergleich der TRAP-positiv gefärbten Zellen, REM-Bilder, relativen Expression von Cathepsin-K und Ausdrückversuche im Rahmen der biomechanischen Versuche bestätigt. The task to achieve improved bone regeneration by biocompatible and osteogenic materials has increasingly become the focus of research on modifiable bone substitute materials due to the demands of a competitive society and the demographic change leading to increased strain on bone and cartilage. The choice of the implant, its mechanical properties and structure as well as a coating to support bone regeneration or the infiltration of growth factors etc, offers a range of opportunities to support cells inducing bone regeneration and the bone skeleton.So far there have been similar academic studies on small animals such as rats or rabbits. At the beginning of this study these scientific results had not been transferred to an experiment with large animals with a skeletal system similar to that of humans and its recovery behaviour, using open-pore Titanium cylinder implants with biological reaction layer.Therefore a group of 24 Merino sheep was selected and after half a year samples were taken from the femoral condyle, which had been allowed to react naturally in vivo after causing an artificial bone defect with subsequent implantation of bone substitute material with biological Calcium Titanate reaction layer.After explantation, samples of coated and uncoated implants were compared concerning the question whether use of biological reaction layers could improve bone healing, stability, decrease bone resorption or even cause osteogenic induction. Therefore, in addition to consideration of processing variations with possible influence on the overall result, histological, histomorphometric, molecular biological and biomechanical tests were performed.The result of all methodologies confirmed the macroscopic impression gained immediately after explantation: namely that there is no significant difference between coated and uncoated implants related to ingrowth of newly formed bone, stability in the interface area as well as the reduction of osteoclasts in the target area. Particularly the histomorphometric comparison of the osseous areas, all simultaneously marked with Calcein-Green-Fluorochrome, did not indicate any significant divergences of osseous regeneration. Finally, the hypothesis of there being no significant difference between coated and uncoated implants was confirmed by the additional analysis of TRAP-positive-coloured cells, REM pictures, relative expression of Cathepsin K and biomechanical push-out-tests.