Dissertation

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

 

 

 

 Inken Determann

 

 

 

 

 Beeinflussung der Knochenheilung durch Implantate mit variabler Steifigkeit auf Basis von Formgedächtnislegierungen: Untersuchung der Steifigkeitsände-rung und deren Auswirkung auf die Frakturheilung durch kontaktfreie elektromagnetische Induktion im Schafsmodell

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-107919

title (engl.)

The influence of shape memory alloy plates with variable stiffness on bone healing: A study to evaluate the change in stiffness through contactless electromagnetic induction and its influence on fracture healing in a sheep tibia osteotomy model.

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/determanni_ss16.pdf

abstract (deutsch)

Die Knochenheilung ist ein komplexer Prozess bei der unter anderem eine adäquate mechanische Stimulation von großer Bedeutung ist. Sie beeinflusst die Qualität und Quantität des Kallusgewebes. Kleine interfragmentäre Bewegungen stimulieren die Kallusbildung, während zu große Beweglichkeit zu verzögerter Heilung oder Bildung einer Pseudarthrose führen kann. Eine inverse Dynamisierung der Osteosynthese-platte könnte die Knochenheilung verbessern. Durch eine niedrige Steifigkeit und daraus resultierende mechanische Stimulation in den frühen Phasen der Fraktur-heilung könnte die Kallusbildung gefördert und durch eine rigidere Fixierung im Anschluss die Mineralisierung des Kallus erleichtet werden. Implantate aus der Formgedächtnislegierung Nitinol könnten eine solche inverse Dynamisierung im Verlauf der Frakturheilung nichtinvasiv durch kontaktfreie elektromagnetische  Induktion ermöglichen.

Zu diesem Zweck wurde ein Implantat mit einem mittig liegenden Funktionsbereich entwickelt (angelehnt an eine 9-Loch LCP), der durch die Induktion nicht nur die Form, sondern auch die Steifigkeit ändern kann.

 

In der vorliegenden Arbeit sollten anhand einer klinischen Studie die Funktionalität und klinische Verträglichkeit der Implantate und der elektromagnetischen Induktion im Großtiermodell untersucht werden sowie die Auswirkungen der resultierenden Steifigkeitsänderung auf die Knochenheilung. Zu diesem Zweck wurde bei 14 Schafen der Rasse Schwarzköpfiges Fleischschaf eine Tibiaosteotomie in Narkose durchgeführt und die Knochen mit einem Nitinol-Implantat fixiert. Zum Schutz erhielten die Tiere zusätzlich einen Cast über die ersten drei Wochen und ein Tier-rettungsnetz verhinderte in den ersten vier Wochen zusätzlich die Belastung der Fraktur durch Scherkräfte beim Aufstehen und Hinlegen der Tiere. Nach drei Wochen wurde bei einem Teil der Tiere die kontaktfreie elektromagnetische Induktion in erneuter Narkose vorgenommen. Nach acht Wochen wurden die Tiere euthanasiert und die Tibiae zur weiteren Untersuchung entnommen.

Bei einem ersten Implantatdesign kam es zu einer frühzeitigen Euthanasie auf Grund einer tiefen Ulzeration im Bereich der Platte und fünf weiteren auf Grund von Implantatversagen. Nach einer Überarbeitung des Designs verlief der weitere Versuch problemlos. Die Auswertung des Versuches erfolgte über die tägliche Erhebung eines Schmerzscores durch klinische Allgemein- und Lahmheits-untersuchungen der Tiere sowie die µ-tomographische Auswertung des Kallus hinsichtlich Volumen, Dichte und Mineralisierung und die biomechanische Testung mittels Vier-Punkt-Biegung der operierten und der intakten Tibia im Vergleich.

Bei allen Tieren kam es zu einer Knochenheilung. Es fanden sich keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich des Schmerzscores im Verlauf des Versuches. Allerdings konnte bei der Induktionsgruppe eine schnellere Abnahme des Lahmheitsgrades im Anschluss an die Induktion beobachtet werden.

Bei den µ-computertomographischen Untersuchungen waren ebenfalls keine signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen zu finden. Auch bei der bio-mechanischen Testung gab es keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Gruppen, wobei die prozentuale Abnahme der Maximalkraft bis zur Frakturierung zwischen intakter und operierter Tibia bei der Induktionsgruppe mit 70 % unter der der anderen Gruppen mit 76 % und 78 % lag. Die Steifigkeit der operierten Tibia war unabhängig von den zu testenden Einflüssen um 38 %, 37 % und 30 % geringer, als die der intakten Tibia.

 

Auf Grund der kleinen Gruppengrößen konnte der Einfluss der inversen Dynamisierung auf die Knochenheilung nicht beurteilt werden. Es konnte jedoch die Funktionalität und klinische Verträglichkeit der kontaktfreien elektromagnetischen Induktion und der damit einhergehenden Steifigkeitserhöhung einer steifigkeitsvariablen Plattenosteosynthese gezeigt  und so  eine wesentliche Grundlage für weitere

Versuche geschaffen werden.

 

abstract (englisch)

Bone healing is a complex process. Amongst other things an adequate bio-mechanical stimulation can be crucial, because it influences quality and quantity of the callus tissue. Small interfragmentary movements stimulate callus formation, whereas too much flexibility can cause delayed union or even nonunion. An inverse dynamization of the fracture fixation plate could enhance callus formation through low stiffness and therefore mechanical stimulation through micro movements in the early phases of fracture healing and facilitate callus mineralisation through a more rigid fixation later on. A Nickel-Titanium Shape Memory Alloy Plate (NiTi) could provide a non-invasive opportunity for inverse dynamization through contactless electro-magnetic induction. A plate with a central functional area was developed for this   purpose which can not only alter its shape but also its stiffness.

In this clinical trial we intended to evaluate the functionality and compatibility of the implants, the electromagnetic induction and the impact of the emerging change of stiffness on the bone healing in a sheep model. On this account we osteotomized the right tibia of 14 sheep of the race Schwarzköpfiges Fleischschaf under general anaesthesia and provided the fractures with the NiTi-Plate. For safety reasons the sheep were also provided with a cast during the first three weeks and a sling suspension system helped avoiding shear forces through lying down or getting up of the animals during the first four weeks. Three weeks after surgery some the animals underwent electromagnetic induction of the implant again under general anaesthesia. After eight weeks all animals were euthanized and both tibiae of each animal were harvested for further analysis. Early euthanasia was necessary in one sheep because of deep ulceration and in five sheep because of implant failure of the first implant design. After a revision of the implant design no more problems occurred.

The study was assessed by scoring the pain of the sheep through examination of general condition and lameness, as well as µ-CT evaluation of callus volume, density and mineralisation and biomechanical testing via four-point-bending of the osteo-tomized and the intact tibia in comparison.

Bone healing progressed in all animals. No significant differences were found between the groups concerning the pain score in the course of the trial. Slightly faster decrease in the degree of lameness was seen in the induction group during the first two weeks following induction. No significant differences either were found in between the groups in the µ-tomographic examinations. Biomechanical testing also showed no significant differences in between the groups, whereat the percentage decrease of the maximum force used until the failure of the bone was lower in the induction group (70 % to 76 % and 78 %). All groups still showed a clear percentage decrease in bone stiffness between the intact and the operated tibia (38 %, 37 % and 30 %)

The influence of the inverse dynamization on bone healing could not be evaluated due to the small group sizes. However the feasibility and the clinical compatibility of the implants, the contactless electromagnetic induction and the accompanying increase in stiffness of the implant could be shown in this trial and an important base

for further trials could be established.

 

keywords

Frakturheilung, Nitinol, Pseudarthrosen, Fracture healing, Nitinol, Nonunions

 

kb

2.460