Dissertation

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

Anna-Katharina Marten

Untersuchung der Degradationsrate und Biokompatibilität einer belastungsoptimierten Magnesiumlegierung in Abhängigkeit von der Implantatlokalisation im Rattenmodell

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-107425

title (engl.)

Examination on the degradation rate and biocompatibility of a load optimized magnesium alloy in dependence of the implant location using a rat model

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2015

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/martena_ws15.pdf

abstract (deutsch)

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, die Degradationsrate und die Biokompatibilität der innovativen MgNdLaZr-Legierung im Zusammenhang mit der Lokalisation des Implantats im Rattenmodell zu prüfen.

 

Zu diesem Zweck wurden aus der MgNdLaZr-Legierung 18 zylinderförmige Implantate (Ø 1,5 mm, Höhe 7 mm) gefertigt und in drei unterschiedliche Lokalisationen (subkutan, intramuskulär, intramedullär, jeweils n = 6) in Lewis Ratten eingesetzt und dort zur Degradation belassen. Während der Versuchsdauer von acht Wochen wurden täglich klinische Untersuchungen und wöchentlich sowohl Röntgenaufnahmen als auch in vivo µ-Computertomographie-Scans durchgeführt. Nach der Euthanasie wurden die Implantate und das Umgebungsgewebe voneinander getrennt analysiert. Zur Ermittlung des Implantatvolumens und der ‑dichte wurden die Pins zunächst direkt ex vivo in zwei µ-Computertomographen (XtremeCT, 40 µm Auflösung und µCT80, 10 µm Auflösung) gescannt. Darauffolgend wurden sie einer Behandlung mit Chromsäure zur Entfernung von Korrosionsprodukten und anhaftendem organischen Material unterzogen und abschließend ein weiteres Mal in beiden µ-CTs untersucht. Parallel zu den Scan-Vorgängen fand eine Gewichtsanalyse der jeweiligen Stadien der Implantate statt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungsmethoden wurden zur Berechnung der Degradationsraten genutzt.

Die Umgebungsgewebe der unterschiedlichen Lokalisationen wurden histologisch präpariert. Weichteilgewebe wurden paraffiniert und mittels Hämatoxylin-Eosin gefärbt, während die Knochengewebe in Technovit® 9100 neu eingebettet wurden. Die Färbung erfolgte ebenfalls mittels H.E.. Alle Proben wurden im Hinblick auf die Biokompatibilität der Legierung bewertet.

Es konnte gezeigt werden, dass die Lokalisation des Implantats einen großen Einfluss auf die Degradationsrate hat, was von Bedeutung für den zukünftigen Einsatz der Legierung, z.B. als intramedulläres Osteosynthese-Implantat, ist. Die µ-CT-Ergebnisse zeigten entgegen der Erwartung eine schnellere Degradation für die intramedullär eingesetzten Implantate im Vergleich zu denen, die im Weichteilgewebe lokalisiert waren. Der Vergleich der unterschiedlichen Methoden zur Berechnung der Degradationsrate über das Volumen einerseits bzw. über das Gewicht andererseits ergab übereinstimmende Ergebnisse, insbesondere für Implantate, die nach der Euthanasie entnommen und mit Chromsäure behandelt wurden.

Die Berechnungen auf Basis der in vivo µ-CT-Scans lieferten in dieser Studie keine zuverlässigen Ergebnisse.

Die klinischen Untersuchungen ergaben in allen drei Lokalisationen eine gute Verträglichkeit. Darüber hinaus wurde die im Röntgen und µ-CT zu Beginn der Degradation festgestellte Gasentwicklung vom Körper gut toleriert. Die intramedullären Implantate waren überwiegend von stärkerer und etwas länger andauernder Gasbildung betroffen, was im Zusammenhang mit der schnelleren Degradationsrate dieser Implantate stehen kann.

Die histologischen Untersuchungen der Implantatumgebungsgewebe haben gezeigt, dass zwar je nach Lokalisation eine geringfügig andere Zellformation vorlag, grundsätzlich das Implantatmaterial auf zellulärer Ebene jedoch akzeptiert wurde, so dass von einer guten Biokompatibilität ausgegangen werden kann. Auch histologisch konnten bei der intramedullären Lokalisation vermehrt Gewebekavitäten als Anzeichen einer Gasentwicklung durch schnelle Degradation festgestellt werden. Zum besseren Vergleich der Lokalisationen sollte in dieser Studie ein einheitliches Bewertungssystem verwendet werden. In zukünftigen Studien dieser Legierung sollte insbesondere im Hinblick auf die Nutzung als Osteosynthesematerial, der Implantat-Knochen-Verbund (z.B. auch nach einer Osteomie) eingehender untersucht werden.

 

Insgesamt zeigten diese erstmalig systematisch innerhalb einer Tierart mit derselben Implantatgeometrie und –legierung durchgeführten Untersuchungen, dass die Implantatlokalisation einen wesentlichen Einfluss auf die Degradation ausübt. Für eine Implantation im Knochen wäre eine nicht zu schnelle Degradation erwünscht, da daraus eine verminderte Gasbildung und somit eine bessere Biokompatibilität resultieren. Die gewonnenen Erkenntnisse zur Degradation und Biokompatibilität der MgNdLaZr-Legierung sollten durch Langzeitstudien und mechanische Tests erweitert werden.

abstract (englisch)

Aim of this study was to investigate the degradation and biocompatibility of the innovative MgNdLaZr alloy related to the localization of the implant in the rat model.

 

Therefore 18 cylindrical implants (Ø 1.5 mm, height 7 mm) were manufactured from the MgNdLaZr alloy and implanted in three different locations (subcutaneous, intramuscular, intramedullary, n = 6, each) in Lewis rats and left for degradation. During the test period of eight weeks, daily clinical studies as well as weekly radiographs and in vivo μ-CT scans were performed. After euthanasia the implants and the surrounding tissue were analyzed separately. To determine the implant volume and density, the pins were scanned in two different μ-CT scanners (XtremeCT, 40 µm resolution and μCT80, 10 µm resolution) directly after explantation. Subsequently, they were subjected to a treatment with chromic acid to remove corrosion products and adherent organic material. Afterwards they were examined again in the two μ-CTs. In parallel to the scanning process took a weight analysis of the respective stages of the implants place. The results of these measurements were used to calculate the degradation rates.

The surrounding tissue of different localizations was prepared histologically. Soft tissues were treated with paraffin and stained with haematoxylin and eosin, while the bone tissue was embedded in Technovit® 9100 new. Staining was also carried out by H.E.. All samples were evaluated in regard to the biocompatibility of the alloy.

 

It has been shown that the localization of the implant has a major impact on the degradation rate, which is important for the future use of this alloy, for example, as intramedullary osteosynthesis implant. Contrary to the expectations, the μ-CT results showed a faster degradation of the intramedullary located implants compared to the soft tissue located implants. The comparison of the two different methods for calculating the degradation rate, via the volume on one hand and via the weight on the other hand, showed conformity of the results, in particular for implants that were removed after euthanasia and treated with chromic acid.

In this study, the calculations based on in vivo μ-CT scans, whereby the data for the analysis of in vivo degradation can be gathered without compromising the progress of the experiment, did not deliver reliable results regarding the degradation rates.

The clinical examinations showed a good compatibility for all three localizations. Gas formation, which was observed the in the x-ray and μ-CT at the beginning of the degradation was well tolerated by the animals. The intramedullary implants were affected disproportionately stronger and slightly longer by the gas formation, which might be related to the higher degradation rate of these implants. The histological examinations of the implant surrounding tissue have shown that a slightly different cell formation was present depending on the localization. However, the implant material in general was accepted at the cellular level and thus a good biocompatibility can be assumed. In the intramedullary localization, increased tissue cavities could be determined, which can be indicated as a sign of a gas development through rapid degradation. Since a uniform grading system was used to facilitate the comparison of the different localizations, future studies of this alloy should examine the implant-bone compound, in particular with regard to the use as an osteosynthesis material (for example, even after an osteotomy).

 

Overall these investigations which were carried out for the first time systematically within one species and with the same implant geometry and alloy, did show, that the implant location has a significant impact on the degradation. For a bone implant, a comparatively slow degradation is desired, because it results in a decreased formation of gas and thus better biocompatibility. It is desirable to enhance the findings of this work regarding the degradation and biocompatibility of the MgNdLaZr alloy with follow-up long-term studies and complementary mechanical tests.

 

keywords

Magnesium-Legierung, Degradationsrate, Biokompatibilität, magnesium alloy, degradation rate, biocompatibility

kb

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