Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Vergleichende Untersuchungen zur Degradation und Biokompatibilität von fluorid- und keramikbeschichteten Magnesiumschwämmen im Kaninchenmodell

Lalk, Mareike

The present study intended to investigate, if and how different coatings of AX30 magnesium sponges influence the in vivo degradation, the biocompatibility and the ingrowth behavior of the surrounding tissue into the sponge, and which of the coated sponges are best suited as bone replacement material.   To test the suitability of the chosen localization and the used examination techniques (clinical and radiological examinations, in vivo and ex vivo µCT, histology), a pilot study was performed where bioglass coated AX30 sponges (BG sponges, n=6) were implanted into the cancellous part of femur greater trochanters of three New Zealand White rabbits for observation periods of six, 12 and 24 weeks. The results showed the applicability of the chosen localization, the observation periods and the examination techniques to obtain valid statements. Therefore, this study design was also used for the further comprehensive study with changes for the histological examination. To enable the preservation of the implant-bone-compound, in the comprehensive study cross sections for the histological examinations were produced based on the cutting and grinding technique according to Donath and Breuner, instead of the microtome sectioning used in the pilot study. This adjustment allowed optimized and more thorough investigations of the sponge interstitium and interface as well as of the surrounding tissue. For the comprehensive study the AX30 sponges were equipped with a fluoride coating (MgF sponges, n=24) and with a fluoride and additional calcium-phosphate coating (CaP sponges, n=24) instead of bioglass and were compared with empty drill holes (n=12). Prior to implanting, an extensive characterization of these sponges was performed by means of the high-resolution µCT80 and of a scanning electron microscope with energy dispersive X-ray spectroscopy for determination of elements. As a result considerable differences regarding the basic properties were observed between the MgF sponges (porosity 63 ± 6 %, pore size 394 ± 26 µm, open-pore surface with high amounts of magnesium and fluorine) and the CaP sponges (porosity 6 ± 4 %, pore size 109 ± 37 µm, relatively level surface with calcium, oxygen and phosphor as main elements). In each time group, eight MgF and CaP sponges were implanted and four empty drill holes per group served as a control. Clinically all investigated sponges of the pilot and comprehensive study were tolerated well. Radiographs and in vivo µCT evaluations showed only temporarily mild gas formation in conjunction with the degradation and bone changes comparable to controls. Using the ex vivo µCT an increased degradation could be demonstrated for the BG and CaP sponges in comparison to the MgF sponges. The MgF sponges were integrated superiorly into the bone. Generally, the BG and CaP sponges degraded so fast, that instead of the desired osseointegration gap formation between the sponge and the surrounding bone occurred. The histological examinations showed for the BG sponges that this gap is filled with fibrous tissue and inflammatory cells (neutrophilic granulocytes, lymphocytes and plasma cells) until week 12 and for the CaP sponges continuously. However, after 24 weeks newly formed bone marrow was found at this localization for the BG sponges. In contrast, the MgF sponges exhibited the highest vascularization in comparison with the BG and CaP groups. Additionally, in the MgF sponges the desired osseointegration and the histomorphometrically highest bone and osteoid fractions of all groups as well as a highly significant increase in osteoid (p ≤ 0.001) also in the centre of the sponges occurred. In summary, the present study could show a great influence of different coatings on the in vivo degradation and the biocompatibility of sponges made of the magnesium alloy AX30. Regarding the utilization as degradable bone replacement material especially the merely fluoride coated sponges represent a very promising material. Further studies are needed to confirm these promising results for critical size defects and over longer time periods. In addition, the use of other, more slowly degrading magnesium alloys and/or coatings should be investigated.

In der vorliegenden Arbeit sollte untersucht werden, ob und wie unterschiedliche Beschichtungen von AX30 Magnesiumschwämmen die in vivo Degradation, die Biokompatibilität und das Einwachsverhalten des umgebenden Gewebes in den Schwamm beeinflussen, und welche der beschichteten Schwämme sich am besten als Knochenersatzmaterial eignen. Um zu prüfen, ob die ausgewählte Lokalisation und die verwendeten Untersuchungstechniken (klinische und radiologische Untersuchungen, in vivo und ex vivo µCT, Histologie) für die Beantwortung der Fragestellung geeignet sind, wurden in einer Pilotstudie zunächst mit Bioglas beschichtete AX30 Schwämme (BG-Schwämme, n=6) in den spongiösen Anteil der Trochanteres majores der Femora von drei New Zealand White Kaninchen eingesetzt und dort für sechs, 12 und 24 Wochen belassen. Die Ergebnisse zeigten, dass sich sowohl die gewählte Lokalisation als auch die Zeiträume und die Untersuchungsverfahren als anwendbar erwiesen, um verwertbare Aussagen zu erhalten, weshalb dieses Studiendesign mit Ausnahme der histologischen Untersuchung auch für die weiterführende Hauptstudie verwendet wurde. Für die histologischen Untersuchungen wurden in der Hauptstudie Querschnitte mit der Trenndünnschliff-Technik nach Donath und Breuner anstatt mit dem in der Pilotstudie verwendeten Mikrotom hergestellt, um den Knochen-Schwamm-Verbund zu erhalten. Diese Umstellung ermöglichte optimierte und umfangreichere Untersuchungen des Schwamminterstitiums und –interfaces sowie des umliegenden Gewebes. Für die Hauptstudie wurden die AX30 Schwämme statt mit Bioglas mit einer Fluorid- (MgF-Schwämme, n=24) bzw. mit einer Fluorid- und zusätzlicher Calciumphosphat-Beschichtung (CaP-Schwämme, n=24) versehen und mit Leerbohrungen (n=12) verglichen. Vor der Implantation erfolgte in der Hauptstudie eine umfangreiche Charakterisierung der Schwämme mit Hilfe des hochauflösenden µCT80 und eines Rasterelektronenmikroskopes mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie zur Elementbestimmung. Dabei wurden in Bezug auf die Grundeigenschaften deutliche Unterschiede zwischen den MgF-Schwämmen (Porosität 63 ± 6 %, Porengröße 394 ± 26 µm, offenporige Oberfläche mit viel Magnesium und Fluor) und den CaP-Schwämmen (Porosität 6 ± 4 %, Porengröße 109 ± 37 µm, recht ebene Oberfläche mit hauptsächlich Calcium, Phosphor und Sauerstoff) festgestellt. Pro Zeitgruppe wurden jeweils acht MgF- und CaP-Schwämme implantiert, und jeweils vier Leerbohrungen pro Gruppe dienten als Kontrolle. Alle in Pilot- und Hauptstudie untersuchten Schwämme waren klinisch gut verträglich. Die Röntgen- und in vivo µCT-Untersuchungen zeigten nur vorübergehend geringgradige mit der Degradation einhergehende Gasbildung und den Leerbohrungen vergleichbare Knochenveränderungen. Mittels ex vivo µCT ließ sich eine stärkere Degradation der BG- und CaP-Schwämme im Vergleich zu den MgF-Schwämmen nachweisen. Die MgF-Schwämme zeigten eine deutlich bessere Integration in den Knochen. Die BG- und CaP-Schwämme degradierten in der Regel so schnell, dass es anstatt zur gewünschten Osseointegration zu einer Spaltbildung zwischen dem Schwamm und dem umliegenden Knochen kam. Die histologischen Untersuchungen belegten, dass dieser Spalt bei den BG-Schwämmen bis inklusive Woche 12 und bei den CaP-Schwämmen durchgängig mit Bindegewebe und Entzündungszellen (neutrophile Granulozyten, Lymphozyten und Plasmazellen) gefüllt war. Nach 24 Wochen konnte bei den BG-Schwämmen allerdings neu gebildetes Knochenmark in dieser Lokalisation nachgewiesen werden. Bei den MgF-Schwämmen traten dagegen neben der im Vergleich stärksten Vaskularisation und der gewünschten Osseointegration histomorphometrisch die höchsten Knochen-  und Osteoidanteile aller Gruppen und ein hochsignifikanter (p ≤ 0,001) Osteoidanstieg, auch im Zentrum des Schwammes, auf. Insgesamt konnte die vorliegende Untersuchung zeigen, dass unterschiedliche Beschichtungen einen großen Einfluss auf die in vivo Degradation und die Biokompatibilität von Schwämmen aus der Magnesiumlegierung AX30 haben. Im Hinblick auf einen Einsatz als degradables Knochenersatzmaterial haben sich insbesondere die nur mit Fluorid beschichteten Schwämme als vielversprechend erwiesen. Ob diese vielversprechenden Ergebnisse auch an Critical Size Defekten und über längere Zeiträume bestätigt werden können, muss in weiteren Studien geprüft werden. Darüber hinaus sollte auch der Einsatz anderer, noch langsamer degradierender Magnesiumlegierungen oder/und Beschichtungen weiter untersucht werden.

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Lalk, Mareike: Vergleichende Untersuchungen zur Degradation und Biokompatibilität von fluorid- und keramikbeschichteten Magnesiumschwämmen im Kaninchenmodell. Hannover 2012. Tierärztliche Hochschule.

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