Dissertation

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

Diane Haake

Evaluation der Magnetresonaztomographie zur

longitudinalen Untersuchung degradierbarer

Magnesiumimplantate in vivo

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-109067

title (engl.)

Magnetic resonance imaging for longitudinal investigation of degradable magnesium implants in vivo

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/haaked_ws16.pdf

abstract (deutsch)

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Etablierung eines Modells, das es ermöglicht, mithilfe der Magnetresonanztomografie den Einheilungsprozess sowie Materialeigenschaften von degradierbaren Knochenimplantaten in einer longitudinalen in vivo Studie zu charakterisieren.

Hierfür wurden 2 mm * 5 mm große Pins der möglichen Biomaterialien hochreines Magnesium sowie der neu entwickelten Legierung Mg5%Gd gefertigt und intramedullär in den Femur von weiblichen Lewis-Ratten implantiert. Als Kontrollen wurden das inerte Polymer PEEK und eine Leerbohrung untersucht. Über einen postoperativen Beobachtungszeitraum von acht Wochen wurden die Tiere zu fünf festgelegten Zeitpunkten im MRT untersucht. Hierbei kam neben der anatomischen auch die funktionelle Bildgebung zur Anwendung. Um die erhobenen Befunde vergleichend beurteilen zu können, wurden zu jedem Zeitpunkt der Verlaufsuntersuchung Femura für eine histologische Untersuchung asserviert.

Im Rahmen einer Vergleichsstudie wurde nach identischem Schema exemplarisch eine postoperative Verlaufsuntersuchung mit dem µ-CT durchgeführt, da sich dieses als bisher standardmäßig genutztes Bildgebungsverfahren zur Untersuchung knöcherner Strukturen in vivo etabliert hat.

Zusätzlich wurde in beiden Studien während der ersten 14 Tage post operationem täglich eine klinische und orthopädische Untersuchung der Tiere durchgeführt, um die klinische Eignung der Implantatmaterialien zusätzlich bewerten zu können.

Alle in dieser Studie verwendeten Implantatmaterialien waren klinisch gut verträglich. Bei einigen Tieren der Gruppe Mg5%Gd zeigten sich initial subcutane Gasblasen, die jedoch gut toleriert und innerhalb einer Woche resorbiert wurden.

Um die Möglichkeit der funktionellen Bildgebung nutzen zu können, wurden für die MRT-Untersuchungen Volumenspulen als Resonator verwendet. Durch die Vermessung des Implantatvolumens im anatomischen Bild sollten Aussagen über das Degradationsverhalten der Magnesiumimplantate getroffen werden. Aufgrund der geringen Protonendichte in knöchernen Geweben war die anatomische Darstellung dieser Strukturen für eine Beurteilung des Implantat-Knochenverbundes bzw. der Leerbohrung unzureichend. Die Beurteilung wurde weiterhin durch die Induktion eines Suszeptibilitätsartefaktes der Magnesium basierten Materialien erschwert. Das nach der Implantation der Legierung Mg5%Gd auftretende Artefakt zeigte sich dabei stets größer als das von reinem Magnesium.

Um eine Reduktion des Artefaktes für diese Materialgruppen sowie eine insgesamt bessere Auflösung der knöchernen Strukturen zu erreichen, wurden diese Sequenzen daraufhin exemplarisch mit einer Oberflächenspule durchgeführt. Durch den geringeren Abstand zwischen Objekt und Empfänger konnte die Feldverzerrung soweit minimiert werden, dass die anatomische Darstellung des Femurs für alle Untersuchungsgruppen verbessert werden konnte und eine artefaktfreie Darstellung des Implantates aus reinem Magnesium möglich war. Für die Legierung Mg5%Gd konnte das Artefakt reduziert werden, es war jedoch noch deutlich sichtbar. Dies ist durch die größere Suszeptibilität innerhalb des Materials zu erklären.

Insgesamt können aufgrund der Artefaktgröße anhand der gemessenen Volumina keine Aussagen über das Degradationsverhalten Magnesium basierter Implantatmaterialien oder Gasbildung getroffen werden. Die Darstellung einzelner subcutaner Gasblasen außerhalb des Artefaktbereiches ist jedoch möglich.

In einem zweiten Schritt wurden die Signalintensitäten im angrenzen Gewebe des Implantates bestimmt. Jede Verletzung von vaskularisiertem Gewebe hat eine entzündliche Reaktion des Organismus zur Folge. Im Rahmen dieser Reaktion erfolgt eine Vasodilatation, um den Einstrom von Entzündungszellen und -mediatoren zu erleichtern. Durch diese Reaktion wird der Protonengehalt des Gewebes erhöht, die Signalintensität steigt an. In der vorliegenden Studie gelang eine Differenzierung zwischen der medialen Gewebefläche des Femurs, über die der operative Zugang erfolgte, und der lateralen Fläche. Die Differenz der Signalintensitäten zwischen der operierten und nicht operierten Gliedmaße ist signifikant unterschiedlich, so dass diese ebenfalls anhand der Intensitäten unterschieden werden können. Weiterhin konnte für alle Untersuchungsgruppen ein zeitlicher Verlauf dargestellt werden, der mit dem Wundheilungsprozess korreliert. Insgesamt könnte die Auswertung der Signalintensitäten als diagnostisches Instrument zur frühzeitigen Erkennung von Wundheilungsstörungen oder entzündlichen Prozessen verwendet werden. Hierzu sollten im Rahmen weiterer Studien Referenzwerte etabliert werden, die eine genauere Wertung der Signalintensitäten ermöglichen. Kritisch anzumerken ist jedoch, dass diese Informationen nur für das dem Knochen angrenzende Weichgewebe erhoben werden können; eine Beurteilung der Interaktion von Knochen und Implantat ist aufgrund der Suszeptibilitätssprünge nicht möglich.

Der Diffusionstensor wurde als Möglichkeit der funktionellen Bildgebung anhand von ADC-Werten untersucht. Diese Methodik ist die einzige, nichtinvasive Methode, die es erlaubt, die Diffusion von Wassermolekülen im Gewebe ohne die Verwendung von Kontrastmittel in vivo zu messen. Die Auswertung der Daten zeigt eine sehr geringe Schwankung der Werte in einem sehr engen Messbereich. Eine Anwendung dieser funktionellen Messung in der Umgebung Magnesium basierter Implantate ist insgesamt trotz Suszeptibilitätsartefakt möglich, auch wenn die Streuung der für die Materialgruppe Mg5%Gd erhobenen ADC-Werte im Vergleich mit den anderen Untersuchungsgruppen deutlich größer ist. Es konnte kein zeitlicher Verlauf und auch kein signifikanter Unterschied zwischen dem operierten und nicht operierten Bein dargestellt werden. Dennoch ist auffällig, dass die direkt post operationem erhobenen Messwerte überwiegend im negativen Bereich liegen. Dies deutet darauf hin, dass direkt post operationem die Diffusion der operierten Gliedmaße größer ist, als die in der gesunden gemessenen. Fraglich ist jedoch, ob diese Beobachtung tatsächlich durch eine funktionell erhöhte Diffusion zu begründen ist, oder ob die Messwerte mit einem erhöhten Flüssigkeitsgehalt des Gewebes durch Nachblutungen oder anhaltenden Austritt von Gewebeflüssigkeit zusammenhängen. Die verwendete Sequenz sollte überarbeitet werden, um dadurch die Sensitivität der Messung verbessern zu können. Dennoch sind die Ergebnisse dieser Studie vielversprechend, so dass die Anwendung des Diffusionstensors eine geeignete Methodik für die zukünftige Diagnostik darstellen könnte.

Im Rahmen der Vergleichsstudie konnten die Implantatmaterialien anhand der µ-CT Bilder artefaktfrei und anatomisch gut aufgelöst dargestellt werden. Die Vermessung des Implantatvolumens war für alle Gruppen mit geringen Schwankungen möglich. Auffällig ist jedoch die bereits initiale Abweichung der Volumina um circa 20 % vom Referenzwert. Mögliche Ursache hierfür könnte zum einen die zu ungenaue Bestimmung des Referenzwertes, zum anderen die im Vergleich zu den in früheren Studien durchgeführten ex vivo Scans geringere Auflösung. Bemerkenswert ist weiterhin die nahezu komplette Auflösung des Implantates der Legierung Mg5%Gd für drei der vier Tiere zum Ende des Beobachtungszeitraumes. Da histologisch eine Entzündung als Ursache für den starken Korrosionsprozess ausgeschlossen werden konnte, ist eine Alterung des Materials wahrscheinlich. Bereits in einer früheren Studie wurde gezeigt, dass die Magnesium basierten Materialien nach einer gewissen Lagerungsdauer einen Alterungsprozess mit veränderter Korrosionsrate zeigen. Da die Implantation dieser Pins ein einhalb Jahre nach deren Fertigung durchgeführt wurde, ist dies als Ursache für die Beobachtung anzunehmen. Zusammenfassend ist die anatomische Darstellung der Implantate im µ-CT der Darstellung im MRT überlegen. Die Möglichkeit der Durchführung funktioneller Messungen in vivo besteht jedoch bei der Verwendung dieser bildgebenden Methode nicht, was ein entscheidender Vorteil der MRT ist.

Die Auswertung der histologischen Untersuchung zeigt neben der guten klinischen Verträglichkeit auch eine gute Gewebeverträglichkeit der verwendeten Materialien. Die im Zuge des Degradationsprozesses auftretende Gasbildung an der Materialoberfläche der resorbierbaren Implantate wirkt sich jedoch negativ auf den Einheilungsprozess aus. Nach Ende des Beobachtungszeitraumes von acht Wochen wurde für alle Tiere mit einem PEEK Implantat eine knöcherne Ringbildung um das Implantat beobachtet. Für die Tiere der Materialgruppen reines Magnesium und Mg5%Gd war dieser Prozess deutlich schwächer. Die fortschreitende Gasbildung hatte eine stetige Veränderung der Oberfläche zur Folge, was die Zellanhaftung erschwerte. Weiterhin wurden durch das Gas anfänglich gebildete Verbindungen zwischen Knochen und Implantat wieder gelöst, wodurch eine gleichmäßige Einheilung verzögert war. In dieser Studie konnte der von verschiedenen Autoren beschriebene positive Effekt von Magnesium auf die Knochenregeneration nicht bestätigt werden; der Einheilungsprozess verlief im Vergleich zu dem inerten Implantatmaterial verzögert und unruhiger.

Abschließend ist die neu entwickelte Legierung Mg5%Gd als klinisch nicht geeignetes Implantatmaterial zu bewerten. Die initiale Bildung der subcutanen Gasblasen wurde von den Tieren zwar gut toleriert, wird in der Literatur aber als Ausschlusskriterium für eine klinische Anwendung gewertet. Die Menge des während der Degradation gebildeten Gases darf die Resorptionskapazität des Organismus nicht überschreiten. Zudem ist die im Vergleich zu reinem Magnesium breitere Schwankung der Messwerte sowohl des Implantatvolumens im µ-CT als auch der histologisch quantifizierten Gasmenge ein Hinweis auf eine inhomogene Korrosion, die auf eine inhomogene Verteilung der Gadoliniumpartikel im Material hindeutet. Eine vergleichbare Materialzusammensetzung und somit auch eine homogene Korrosion sind für die klinische Anwendung eines resorbierbaren Materials jedoch unerlässlich. Die vollständige Degradation nach acht Wochen während der µ-CT Studie zeigt weiterhin eine zu rasche Korrosion. In weiteren Studien ist die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Lagerungsdauer und Degradationsverhalten mit dem Ziel der Etablierung eines Verfallsdatums für Magnesiumimplantate empfehlenswert.

Zusammenfassend sind die Ergebnisse der anatomischen Darstellung des Implantat-Knochen Verbundes bei Verwendung einer Volumenspule als unbefriedigend zu bewerten. Die positiven Ergebnisse unter Verwendung der Oberflächenspule machen eine Anwendung kombinierter Spulensysteme für zukünftige Untersuchungen wünschenswert. Es konnte gezeigt werden, dass die Anwendung funktioneller Messungen mit der MRT auch in der Umgebung Magnesiumbasierter Implantate möglich ist, was eine Erweiterung des diagnostischen Potentials bei klinischer Anwendung bedeuten könnte. Zur weiteren Etablierung sind Verfeinerungen der Messtechniken bzw. Sequenzen nötig. Auch die Wahl eines Rattenmodells zur Simulation der intramedullären Marknagelung des Femurs ist als geeignet zu bewerten. Die gut tolerierte longitudinale Verlaufsuntersuchung mithilfe der bildgebenden Diagnostik ermöglicht zusammen mit dem vorhandenen Wissen um die Histologie zu den jeweiligen Zeitpunkten die Reduktion der für weitere Untersuchungen notwendigen Tierzahlen.

abstract (englisch)

The purpose of the present study was the establishment of a model investigating by means of magnetic resonance imaging (MRI) the osseointegration and material properties of degradable magnesium implants in vivo. Therefore, 2 mm * 5 mm pins of either pure magnesium or newly developed alloy Mg 5%Gd were inserted into the femur of female Lewis rats. Inert polymer PEEK and a blank drill hole served as controls. During eight postoperative weeks, five defined follow-ups were conducted with MRI and samples of the femur were taken for histological investigation.

Within an accompanying study, a postoperative follow-up was performed unsing a µ-CT, the standardized imaging technique to examine osseous structures in vivo.

Apart from this, during the first 14 postoperative days in both studies daily clinical und orthopedic investigations of the animals were performed to assess clinical suitability of the implant materials.

All implant materials used in this study were well tolerated. Some animals of the group with Mg 5%Gd initially showed subcutaneous gas cavities, which were reabsorbed within the following week.

Applications on the rat body like anatomical studies or angiography require in general homogeneous signal excitation and detection. For that reason, the best suited RF coils are volume coils. Measurement of the implant volume in the anatomical image data gained information about degradation characteristics of the magnesium implants. Reduced proton density in osseous tissue was the cause of deficient presentation of the anatomical structures for evaluation of implant osseointegration and blank drill hole. Furthermore, evaluation was impeded by induction of susceptibility artifacts around the magnesium implants. The artifact in the Mg 5%Gd implant always exceeded that of the pure magnesium implant. To reduce these artifacts and for reasons of a better image resolution, some sequences were conducted with a surface coil. For the investigation of smaller parts of the body, receive-only surface coils are a well suitable alternative that provide in some cases better signal noise ratio. A small distance between object and receiver reduced field distortion with improvement of the presentation of femoral anatomical and pure magnesium implant structures. The artifacts around the alloy Mg 5%Gd were reduced as well, but still visible due to the greater susceptibility of this material. In conclusion, caused by the size of the artifacts, measured volumes couldn't give evidence about degradation characteristics of magnesium based implants or aerosis, although demonstration of single subcutaneous cavities beyond artifact areas was possible.

Secondly, signal intensities of the implant surrounding tissue was determined. In general, any injury of vascularized tissue responds with inflammatory reaction, which increases the content of protons in the tissue, leading to higher signal intensity. In the present study operated and non-operated limb could be differentiated according to their signal intensities, because there was a significant difference in signal intensity between medial side of the femur with operative access and lateral side without surgery. Furthermore, time dependence of the signal intensities correlated with wound healing; therefore evaluation of signal intensity could be a diagnostic tool identifying wound healing disorder or inflammatory processes early. Further studies should establish reference values for more accurate evaluation of signal intensities. Even though information of soft tissue surrounding the bone could be elevated, assessing the interaction between implant and bone was impossible cause of susceptibility artifacts.

By means of diffusion tensor imaging (DTI) ADC-values within functional imaging were determined, measuring in vivo diffusion of water molecules in tissue without contrast agents. Data of the present study showed very little deviation in a very tide range, only in the group with Mg 5%Gd implants variation of ADC-values was higher. In summary, despite susceptibility artifacts this method can be performed in the surrounding of magnesium based implants.  A time dependence or significant difference between operated and non-operated limb couldn't be elicited. Despite, postoperatively examined values were mostly in a negative range, indicating a higher diffusion in the operated limb compared to the healthy limb, although it's questionable, wether these values are caused by functional increased diffusion or increased content of intestinal fluid by secondary hemorrhage or continuous discharge. To improve sensitivity of this method, the used sequence should be adapted presenting the diffusion tensor as a meaningful tool in future diagnostics.

Within the accompanying study implant materials were exhibited by µ-CT imaging with high resolution and low artefact level. Measurement of implant volume was possible for all groups with little deviation. Remarkably, initial values of volumes differed 20 % of reference values, probably caused by inaccurate determination of reference values or lower resolution of scans ex vivo performed in former studies. Furthermore, there was an almost complete dissolution of the alloy Mg 5%Gd implant in 3 of 4 animals at the end of observation period. Inflammation as reason of the corrosion process was excluded by histological examination, whereas most likely deterioration of the material seems causative since implantation of the pins was performed 1.5 years after manufacturing. Former studies demonstrated a progressive deterioration and corrosion rate of magnesium based materials after a prolonged storage. In conclusion, geometric presentation of implants is superior in µ-CT imaging than MRI, whilst functional measures in vivo, infeasible in µ-CT imaging, is an essential advantage of MRI.

Histological examination demonstrated high clinical and tissue tolerability of the tested materials, but corrosion processes at implant surface in terms of degradation affects osseointegration. All animals with PEEK implant evolved an osseous ring formation around the implant after 8 weeks investigation, a process diminished in animals with implants of pure magnesium or Mg 5%Gd. Continuous corrosion changed the surface of implants hindering cell adhesion, breaking initial conjunction with bone and implant, retarding equal osseointegration. In the present study, a positive effect of magnesium on osseointegration, described by various authors, could not be confirmed; the healing process was delayed and turbulent compared to inert implant material.

Finally, the newly developed alloy Mg 5%Gd proved to be an unsuitable implant alloy. Initial subcutaneous aerosis was well tolerated by the animals, but represents an excluding criteria in clinical studies, hence the amount of gassing must not exceed absorption capacity of the organism. Moreover, in contrast to pure magnesium implants in Mg 5%Gd implants higher deviations of values of implant volume and quantified gassing suggests inhomogeneous corrosion indicating inhomogeneous dispersal of gadolinium particles in the implant, and complete degradation after 8 weeks as sign of fast corrosion, represented by µ-CT, makes the alloy Mg 5%Gd inappropriate as absorbable implant material. Future studies should elucidate the correlation of storage period and degradation to establish an expiry date of magnesium implants.

In summary, anatomical presentation of implant bone bond by volume coil was unsatisfactory, but in combination with a surface coil future investigations can be more successful. Functional measures in the surrounding of magnesium based implants could be elevated with MRI showing strong diagnostic potential in clinical practice, but improvement of measuring technique and sequencing is needed for higher sensitivity of the method. As well, the chosen rat model simulating intramedular femur nailing was eligible. Well tolerated longitudinal follow-up by imaging diagnostic together with histological findings at different observation times may enable reducing animal cohort in further studies.

keywords

MRT, Magnesiumimplantate, Rattenmodell, MRI, magnesium based implants, rat model

kb

20.547