Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Katja Bracht

Untersuchung zum Lagerungseinfluss auf das Degradationsverhalten von magnesiumbasierten Implantaten im Kaninchenmodell

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-104564

title (engl.)

Influence of different storage durations on the in vivo degradation behaviour of degradable magnesium based implants 

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2014

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/brachtk_ss14.pdf

abstract (deutsch)

Magnesiumlegierungen haben sich durch positive Resultate in zahlreichen Studien als potentielles Osteosynthesematerial erwiesen. Insbesondere die Legierung LAE442, die aus etwa 90 wt% Magnesium, 4 wt% Lithium, 4 wt% Aluminium und 2 wt% Seltene Erden Elementen besteht, zeigte in früheren Publikationen vorteilhafte Degradationseigenschaften und eine grundlegend gute Biokompatibilität. Für den zukünftigen Einsatz als potentielles kommerzielles Medizinprodukt ist die Lagerfähigkeit über einen definierten Zeitraum von wesentlicher Bedeutung. Daher lag in der vorliegenden Studie der Fokus auf der Evaluierung des Einflusses der Lagerung von bis zu einem Jahr auf die strukturellen und korrosiven Eigenschaften von LAE442-Implantaten.

Zu diesem Zweck wurden zylinderförmige LAE442 Implantate (2,5 x 25 mm) nach verschiedenen Lagerungszeiten (0, 12, 24, 48 Wochen) untersucht. Dabei wurden neben dem reinen Lagerungseinfluss auf das Material (I), in vitro Korrosionseigenschaften (56 Tage in SBF (II)) sowie in vivo Korrosionseigenschaften und die Biokompatibilität im Kaninchenmodell (48 Wochen Implantationszeit (III)) analysiert. Neben der Untersuchung des reinen Lagerungseinfluss wurde der Einfluss einer zusätzlichen Wärmebehandlung geprüft. Dazu wurde ein Teil der 0 Wochen gelagerten Pins wärmebehandelt (T5: 206°C; 15 Stunden; unter Argonschutzatmosphäre) und entsprechend untersucht. Als Beurteilungsparameter für die biomechanische Stabilität wurde der Drei – Punkt – Biegeversuch gewählt. Strukturelle und elementare Untersuchungen des Implantatmaterials wurden durch rasterelektronen- (I) und auflichtmikroskopische (I; III) Untersuchungen, sowie ICP – OES (inductively coupled plasma optical emission spectrometry) Analysen (Grundlegierung; III) ermittelt und Korngrößen sowie Ausscheidungen im Material berechnet. Zur Beurteilung der in vitro Korrosion wurden die Pins der unterschiedlichen Lagerungsgruppen nach Chromsäurebehandlung in einem hochauflösenden µCT gescannt und das Volumen und die Dichte der Implantate berechnet. Für die Beurteilung der in vivo Korrosion und der Biokompatibilität wurde je vier adulten New Zealand White Rabbits pro Lagerungsgruppe ein Magnesiumimplantat  intramedullär in beide Tibiae eingesetzt. Die Tiere wurden täglich klinisch untersucht und alle drei Monate wurde eine radiologische und  µ-computertomographische Untersuchung durchgeführt. Nach einem Implantationszeitraum von 48 Wochen wurden die Tiere euthanasiert und die explantierten Implantate im Hinblick auf ihre strukturellen und biomechanischen Eigenschaften weitergehend untersucht. Bei der Auswertung der µ-computertomographischen Analysen wurde sowohl die Dichte, das Volumen und die Porosität des Knochens ausgewertet, als auch das Volumen, die Dichte, die Stegdicke und die Varianz der Stegdicke des verbliebenen Implantatmaterials.

Die umfassenden Analysen in dieser Studie zeigten keinen deutlichen Einfluss der bis zu einem Jahr dauernder Lagerung auf strukturelle und elementare Eigenschaften der degradablen Magnesiumlegierung LAE442. Ein Anstieg von sauerstoffreichen Regionen an der Implantatoberfläche konnte nachgewiesen werden, sie werden mit der natürlichen Alterung des Materials in Verbindung gebracht. Trotz des Anstiegs sauerstoffreicher Areale zeigten sich keine Auswirkungen auf das in vitro und in vivo Degradationsverhalten. Bei allen Implantaten konnte anhand der µ-computertomographischen Scans eine homogene Korrosion nachgewiesen werden, was durch die Evaluierung der Stegdicke und deren Varianz deutlich wurde. Im Hinblick auf die Biokompatibilität wurden alle Implantate klinisch gut vertragen und die Reaktion des Knochens auf die LAE442 Implantate war bei jeder Lagerungsgruppe akzeptabel und durch entsprechende Remodellingprozesse zu erklären.

Im Gegensatz zur Lagerung zeigte die Wärmebehandlung einen deutlichen Einfluss auf die Materialeigenschaften. Sie führte zu einer signifikanten Reduktion der initialen Stabilität. Diese Differenz war allerdings bei der Analyse der F(max) nach der in vitro und in vivo Korrosion nicht mehr zu beobachten. Durch die Behandlung mit Hitze ergab sich eine erhöhte Korrosionsresistenz, was insbesondere durch geringere Volumenabnahmen und geringere Gasbildung belegt werden konnte.

Anhand der Untersuchungen lässt sich folgern, dass eine standardisierte Lagerung (trocken, bei Raumtemperatur) von degradablen Implantaten aus der Magnesiumlegierung LAE442 bis zu einem Jahr als unbedenklich anzusehen ist. Die positiven Effekte einer Wärmebehandlung sollten je nach Indikation und Implantationsort durch weitere Untersuchungen geprüft werden.

abstract (englisch)

Magnesium alloys were recommended as potential material for osteosynthesis, because they gained a lot of positive results in plenty of research studies. Especially the alloy LAE442 which contains approximately 90 wt% magnesium, 4 wt% lithium, 4 wt% aluminum and 2 wt% rare earth elements showed a desirable degradation behavior and a good biocompatibility in previous studies. For the quality assurance of a potential commercial medical device it is necessary to ensure constant material properties over a defined period of time. The aim of the presented study was to evaluate whether different storage durations up to one year influence the properties of the degradable implant material.

For this purpose cylindrical implants (2.5 x 25 mm) were analyzed after different storage periods (0 weeks; 12 weeks; 24 weeks; 48 weeks). Beside the influence of different storage durations on the material itself (I), in vitro corrosion properties (56 days in SBF (II)) as well as in vivo corrosion properties and biocompatibility in an established rabbit model (48 weeks investigation period) were examined. Besides to the influence of storage, the influence of a heat treatment was tested additionally. Therefore, a part of the pins without storage was heat treated (T5: 206°C; 15 h; argon atmosphere). The stability of the unequal stored implants was measured in each sub study with a three – point – bending test. Structural and elementary features were defined by the utilization of scanning electron microscopy (SEM and EDX) (I) and inductively coupled plasma optical emission spectrometry (I; III). The grain sizes were evaluated respectively. Additionally a contrast analyses method was used to identify the development of precipitates (rare earth elements; lithium and aluminum) in sub study (I).

For the assessment of in vitro corrosion, the implants of the storage groups and the heat treated group were scanned after chromic acid treatment in a high – resolution µCT.  Volume and density of the pins were evaluated. For the appraisal of the in vivo corrosion and the biocompatibility, eight magnesium pins were implanted intramedullary in both tibiae of four adult New Zealand White rabbits. The animals were clinical examined daily. Every twelve weeks, radiographic and µ-computer tomographic examinations (XtremeCT) were performed. Density, volume and porosity of the bone and density, volume and “true-3D-thickness” (plus variance) of the residual implant material was calculated. After an investigation period of 48 weeks the rabbits were euthanized and the structural and biomechanical characteristics of the removed implants were tested.

The extensive evaluations in the present study did not show a significant influence of the storage up to one year on the structural and elementary characteristics of the degradable magnesium alloy LAE442. A rise of the oxygen enriched regions on the implant surface was detected in relation with an increased natural ageing process, but these circumstances did not affect the in vitro and in vivo degradation behavior. The evaluation of the µCT-scans of all implants, especially the computation of the “true 3-D-thickness” and the low variance of this parameter, showed a uniform corrosion. With regard to the biocompatibility all implants were clinically tolerated well, and the bony host response which was caused by remodeling processes was acceptable.

In contrast to the storage duration, the heat treatment showed an obvious influence on the material properties. After this treatment a significant reduction of the initial stability was observed. However this difference was no longer noticed after the in vitro and in vivo corrosion. Additionally conditioning of the material with heat seemed to enhance the corrosion resistance which was shown by a reduced volume loss in µCT examination and a lower gas development in the animal model.

In conclusion, a standardized storage (dry, room temperature) of degradable implants of the alloy LAE442 up to one year is uncritical. A heat treatment has to be used carefully dependent on the indication and the implant location of the implant material.

keywords

Magnesium, Implantat, Lagerung, magnesium, implant, storage

kb

13.877