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

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.