Dissertation

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

 

 Tarek El-Kashef

 

 Evaluation von Aspekten der thermischen Induktion einer implantierten Form-Gedächtnis-Legierung im Kleintiermodell

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-106359

title (engl.)

Electromagnetic induction heating of an orthopaedic Nickel-Titanium shape memory alloy in a rat model

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2015

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/elkasheft_ss15.pdf

abstract (deutsch)

Neben biologischen und pharmakologischen Faktoren wie lokaler Blutversorgung, Wachstumsfaktoren und Hormonen wird die Knochenheilung insbesondere durch mechanische Stimuli beeinflusst. Die Steifigkeit aktuell verwendeter interner Osteosynthesen ist jedoch nicht variabel, deren Dynamisierung kann nur durch einen weiteren operativen Eingriff realisiert werden.

Übergeordnetes Ziel des Projekts D10 im Rahmen des SFB 599 ist die Entwicklung steifigkeitsvariabler Nitinol-Implantate auf Basis von Formgedächtnislegierungen (FGL). Durch kurzzeitige, perkutane, induktive Erwärmung soll eine Form- und damit Eigenschaftsänderung des Implantats ausgelöst und damit die Knochenheilung günstig beeinflusst werden.

In diesem ersten in vivo Teilprojekt wurde die prinzipielle Durchführbarkeit der perkutanen Erwärmung eines Nitinolstabes in der Ratte evaluiert. Dafür wurden 101 Ratten in der linken Beckengliedmaße mit einer Temperaturmeßsonde gekoppelte Nitinoldrähte intramedullär in das Femur und extramedullär zwischen Femur und umliegenden Muskelgewebe implantiert. Diese wurden anschließend in einer Induktionsspule berührungslos auf Temperaturen zwischen 40°C und 60°C in 5°C-Intervallen erwärmt. Nachfolgend wurde den Ratten ein gleichartiger Nitinolstift in den vorhandenen Bohrkanal implantiert und für 3 Wochen belassen. Direkt vor und vier Stunden nach der Operation wurde den Ratten für eine Zytokinuntersuchung retrobulbär Blut entnommen und zur Gewinnung des Serums zentrifugiert.

Nach einer Implantationszeit von drei Wochen wurden die Ratten euthanasiert. Die linken Beckengliedmaßen wurden in Kunststoff, sowie die linken Leberlappen in Paraffin gebettet. Diese wurden anschließend mit Hämatoxylin-Eosin gefärbt und mikroskopisch auf eventuelle entzündliche und nekrotische Veränderungen hin untersucht. Parallel wurde das gewonnene Serum auf Veränderungen der Zytokinkonzentration von TNF-α, IFN-γ, IL-4, IL-6 und Il-10 zum Zeitpunkt vor und nach der Operation untersucht. Weiterhin wurden die Zeiten vom Beginn der Induktion bis zum Erreichen der Zieltemperaturen der unterschiedlichen Temperaturgruppen beider Operationsmethoden verglichen.

Zwei Ratten wurden aufgrund Erkrankungen, die offensichtlich nicht mit der Operation in Verbindung stehen, nach einer Woche schmerzlos getötet. Eine Ratte wurde aufgrund Automutilation der Operationswunde schmerzlos euthanasiert.

In 77% der operierten Ratten konnten unabhängig der Methode die geforderten Zieltemperaturen induziert werden. Die Ausfälle waren in aller Regel technisch bedingt und wurden im Untersuchungsverlauf durch Anpassung der energieliefernden Generatorleistung beseitigt. Die Serum- und histologischen Untersuchungen wiesen gleichsam, ebenfalls unabhängig der Methode oder induzierten Temperatur, auf keine bis minimale Hinweise durch entzündliche Veränderungen hin. Nekrosen wurden nicht festgestellt.

In Folgeuntersuchungen sollte einerseits eine NiTi-Osteosyntheseplatte mit Formgedächtnis-Eigenschaften hinsichtlich ihrer Produktion und Einsatzmöglichkeiten optimiert werden. In weiteren in vivo Untersuchungen im Kaninchen und Schaf werden der FGE und die Einflüsse auf die Knochenheilung durch die Dynamisierung der implantierten Osteosynthese evaluiert.

abstract (englisch)

Besides biological and pharmacological factors like perfusion, growth factors and hormones, bone healing is biased by mechanical stimuli. The stiffness of presently applied internal osteosynthetic materials does not vary; a further dynamisation can only be achieved by another surgical procedure.

The superior theme of the project D10 inside the SFB 599 is the development of stiffness-varying nitinol-implants on bases of shape memory alloys (sma). By minute, percutaneous, inductive heating an altering of the implant shape and thus a change in its properties is supposed to influence bone healing.

In this first in vivo part of the project the feasibility of contactless heating of an implanted NiTi-wire in a rat limb should be evaluated.

Therefore 101 rats will be implanted with a NiTi-wire coupled to a temperature-probe either intramedullary in the femur or extramedullary between the femur and the surrounding muscle tissue. Subsequently these will be heated contactless in an induction coil to temperatures between 40°C and 60°C in 5°C-intervals. Afterwards the rats will receive an identical nitinol wire inside the drilling canal, which will be left for three weeks. Just before and four hours after the surgery a retrobulbar blood sample is drawn for a cytokine-array and the serum is centrifuged.

After three weeks of implantation the rats will be euthanized. The left hind limbs will be embedded in Technovit, while the left hepatic lobes will be suspended in paraffin cassettes. These will be stained with heamatoxylin-eosin and microscopically evaluated concerning eventual inflammatory and necrotic alterations. In parallel the gathered serum will be assayed for changes in the concentration of the cytokines TNF-α, IFN-γ, IL-4, IL-6 und Il-10 between the time points before and four hours after surgery. Also the times from the start of the induction until the reaching of the desired target temperatures are compared.

Two rats are sacrificed a week after the surgeries due to health reasons independent of the intervention. One rat is euthanized due to automutilation at the site of the surgery.

In seventy-seven percent of the rats the target temperatures independent of the method of surgery can be induced. The exceptions are due to technical circumstances and can be solved by an adaption of the energy delivering generator output. In unison the serum- and histological arrays prove, also independent of the method chosen or induced temperature, no to minimal inflammatory alterations. No necrosis is being detected.

Further studies will focus on the optimization of a NiTi-plate with shape-memory-properties in relation to production and implantation possibilities on one hand. Additional more in vivo lagomorph- and ovine-studies concerning the shape memory effect and its influence on bone healing due to a dynamization of the implanted osteosynthetic material are planned.

keywords

Nitinol, perkutane Erwärmung, Gewebeschädigung / Nitinol, percutaneous heating, tissue damage

kb

4.048