Dissertation

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

 

Karen Meier

Beeinflussung der Knochenheilung

durch Implantate mit variabler Steifigkeit auf Basis einer

Formgedächtnislegierung am Kaninchenmodell

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-108317

title (engl.)

The capability of stiffness variable implants based on NiTi shape memory alloys to influence bone healing presented in a rabbit model.

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/meierk_ss16.pdf

abstract (deutsch)

In der vorliegenden Arbeit wurden die Funktionsfähigkeit und die Praktikabilität einer neuen steifigkeitsvariablen NiTi Osteosyntheseplatte zur Versorgung einer Tibiaosteotomie am Kaninchenmodell getestet. Hierfür erhielten 14 Kaninchen der Rasse New Zealand White an der rechten Hintergliedmaße eine Tibiaosteotomie, die mit einer formgedächtnisfähigen Osteosyntheseplatte versorgt wurde. Drei Wochen post operationem wurde mittels perkutan zugeführter Induktionswärme das Implantat erwärmt und dadurch eine Konformationsänderung des Mittelbereichs der Osteosyntheseplatte herbeigeführt. Diese Konformationsänderung ging mit einer Veränderung des Oberflächenreliefs der Osteosyntheseplatte und mit einer Zunahme der Gesamtbiegesteifigkeit des Implantats einher. Sowohl röntgenologisch, als auch mit Hilfe der Vierpunkt-Biegesteifigkeitsmessung konnte diese Konformationsänderung bestätigt werden. Um den Einfluss einer steifigkeitsvariablen Osteosyntheseplatte auf die Knochenheilung beurteilen zu können, wurden die Kaninchen in zwei Versuchsgruppen eingeteilt. Sieben Kaninchen wurden induziert, die anderen sieben Tiere fungierten als Kontrollgruppe. Wöchentlich wurden Vierpunkt-Biegesteifigkeitsmessungen zur Beurteilung des Heilungsverlaufes durchgeführt und in zwei beziehungsweise dreiwöchigem Abstand wurden die Kaninchen geröntgt, um die Knochenheilung, als auch etwaige Implantatlockerungen und Knochenverluste röntgenologisch darzustellen. In der Kontrollgruppe konnten aufgrund des Operationssitus nur bei zwei Kaninchen die Vierpunkt-Biegesteifigkeitsmessungen durchgeführt werden.

Die Biegesteifigkeitsmessungen mussten aufgrund der deutlichen Unterschiede in den absoluten Werten individuell beurteilt werden. Dennoch wiesen die Kaninchen einen ähnlich biphasischen verlaufsentsprechenden Knochenheilungsprozess auf. Nach anfänglich zunehmender Steifigkeit kam es zu einem Abfall der Gesamtsteifigkeit mit einem Tiefpunkt um Tag 35±2 Tage. Danach erfolgte eine Steifigkeitszunahme mit einem Höhepunkt um Tag 50±3 Tage. Bei der durchgeführten Induktion konnte die Veränderung des steifigkeitsvariablen Mittelbereichs der Osteosyntheseplatte röntgenologisch dargestellt werden. Für ein annähernd ebenes Oberflächenrelief der Platte musste jedoch bei allen Kaninchen wiederholt induziert werden. Abweichend zu den in vitro Vorversuchen konnte nach einer Induktionszeit von 5 Sekunden und einer Induktionstemperatur von 55°C keine Konformationsänderung der Osteosyntheseplatte erreicht werden. Daraufhin wurde das Induktionsprofil angepasst. Über verschiedene Temperaturplateaus und Induktionspausen konnte ausreichend Wärme im Werkstück erzeugt werden, um ein Umschlagen der Platte zu erreichen. Dennoch konnte mit Hilfe der statistischen Auswertung der Biegesteifigkeitsmessung vor und nach der Induktion gezeigt werden, dass es nach der Induktion zu einer signifikanten Zunahme der Steifigkeit gekommen war (p-Wert = 0,0421).

Bei der Explantation der Tibiae konnte keine Veränderungen am umliegenden Gewebe und der Muskulatur ausgemacht werden. Die Tibiae zeigten sich von einheitlicher Struktur und wiesen eine gute Konsolidierung des Knochens auf. Der Osteotomiebereich konnte allenfalls durch eine leicht violett erscheinende Linie ausgemacht werden. Keines der Kaninchen wies vermehrte periostale Zubildungen am Knochen zum Versuchsabschluss auf. Nach anschließender Formalinfixierung wurden µ-CT Aufnahmen der Tibiae angefertigt. Auch diese bestätigten eine einheitliche Struktur und gute Durchbauung des Knochengewebes. Unterschiede hinsichtlich der Versuchsgruppenzugehörigkeit konnten statistisch nicht bestätigt werden. Die histologische Auswertung zeigte auf zellulärer Ebene eine gute Konsolidierung des Knochens. Veränderungen beruhend auf der Wärmezufuhr während der Induktion, konnten nicht festgestellt werden. Die histologisch geringen Veränderungen ließen sich in beiden Versuchsgruppen gleichermaßen darstellen.

Nach derzeitigem Kenntnisstand handelt es sich bei dieser Studie um den ersten Versuch der in vivo Umsetzung der Idee der „inverse dynamization“ an einer inneren Osteosynthese. Unter Verwendung einer neuen steifigkeitsvariablen Osteosyntheseplatte konnte gezeigt werden, dass mittels perkutan zugeführter Induktionswärme eine Steifigkeitsänderung des Implantats nichtinvasiv möglich ist. Weiterhin ist der Zeitpunkt des induktiven Vorgangs individuell an den Verlauf der Knochenheilung anpassbar. In allen untersuchten Fällen konnte eine vollständige Frakturheilung erreicht werden. Die in dieser Studie gewonnenen Daten ermutigen neue Konzepte für die Frakturversorgung langer Röhrenknochen mittels steifigkeitsvariabler Implantate zu entwickeln und damit in Zukunft das Auftreten von „Non-Unions“ vorzubeugen oder zu reduzieren.

 

abstract (englisch)

In this study the feasibility and usefulness of contact-free electromagnetic induction heating of NiTi implants in rabbits was tested. Therefore fourteen rabbits were operated and got a tibiaosteotomy of the right hind leg. This osteotomy was corrected with a shape memory alloy osteosynthesis plate. Three weeks post operation the induction was started .Using contact free induction heating the implant was warmed up and the middle layer of the implant was changing its conformation. This change of conformation could be demonstrated by radiologically, macroscopically and by in vivo stiffness measurements. To describe influence of shape memory alloy plate for fracture healing, one induction group and one control group was formed. Weekly four-point bending stiffness measurements were practiced and every second or third week radiographik examinations werde started to describe fracture healing, implant loosening or displacement and loss of implants. In the control group only two animals could be used for bending stiffness measurements.

In regard of bone healing there were no differences between the groups. After six weeks the fracture gap was closed radiologically. The results of the stiffness measurements could only be described on an individual base because of differences in theirs absolute values. All rabbits demonstrate a biphasic bone healing. The initial increase of stiffness is followed by a decrease of stiffness. This decrease discharges in a low point around the day 35±2. After the day 35±2 there is an increase of stiffness which ends in a maximum turning point around the day 50±3.

All rabbits were induced repeatedly to obtain an approximately plain surface of the plate. In contrast to the in vitro preliminary test no conformation change of the osteosyntheses plate could be achieved after an induction time of 5 seconds ad an induction temperature of 55°C. Thereupon the induction profile was adapted. By using several temperature plateaus and induction breaks sufficient heat could be created in the workpiece to achieve the required knock over oft the plate. Nevertheless, by means oft the statistical evaluation of the bending stiffness measurement before and after the induction it could be verified that the induction leads to a significant increase of stiffness (p-value = 0,0421).

Explantation of tibiae did not show any transformation oft the surrounding tissue and musculature. The tibiae represented a homogeneous structure and possessed a good consolidation of the fractured bone. The area of the osteotomy could only be extinguished by a slighlty purple appearing line. At the end of the study none of the rabbits possessed an increased periosteal accretion at the bone.

After formalin fixation µ-CT pictures oft the tibiae were prepared. They also confirmed a uniform structure and good consolidation. No differences regarding the two attempt groups could be statistically identified. The histological analysis of the cellular level indicates a good consolidation of the bone. Transformations based on the heat supply during the induction could not be discovered. Minor histological changes could be similarly proved in both attempt groups.

To our knowledge this is the first study of its kind, reporting data on the progress of osteosynthesis of long bones and the attempt to apply the idea of inverse dynamization to an internal osteosynthesis in-vivo. With this novel shape memory plate an increase of stiffness was demonstrated after non-contact electromagnetic induction. Furthermore, the point in time of the inductive process is individually adaptable to the progress of bone healing. In all cases a complete fracture healing could achieved. The data, approved by this survey, encourage the developement of new concepts for the treatment of long-bone fractures by means of shape-memory-alloy implants. Thereby the appearance of „non-unions“ could be reduced or even be prevented in the future.

 

keywords

Knochenheilung, variable Steifigkeit, Induktion, bone healing, stiffness variable implants, induction

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