Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Degradation und Biokompatibilität der neuen Magnesiumlegierung LANd442 im Vergleich zu LAE442 und der nicht degradablen Titanlegierung Ti6AI4V-Eli nach intramedullärer Implantation in die Kaninchentibia

Hampp, Carolin

In the study at hand the new developed alloy LANd442 – as a modification of the promising alloy LAE442 – should be investigated in vivo within the rabbit as animal model. In this alloy the single element neodymium was used instead of the rare earth composition contained in LAE442. Thereby, over time periods of four and eight weeks LANd442 was compared to the alloy LAE442 and to the well-established non resorbable material titanium, respectively. Furthermore, tibiae served as control group, which underwent the same surgical procedure, however, without inserting an implant. Additionally, the alloy LANd442 was investigated in vivo over a period of six months to gain conclusions about a longer implantation period. For the investigations cylindrical implants of 25 mm length and 2.5 mm diameter made out of LANd442 (n = 30), LAE442 (n = 20) and titanium (n = 8) were inserted in a total of 33 rabbits in the middle of the tibia’s medullary cavity. 25 rabbits received an implant on both sides, in a total of eight rabbits one tibia, respectively, was left empty as a control. Subsequent to the surgery, the animals were investigated clinically (esp. for peripheral augmentation, subcutaneous emphysema, lameness) every day, radiographically (esp. for changes of the diaphysis, brightening of the medullary cavity, formation of gas) once a week and µ-computertomographically (esp. for formation of cavities, periosteal and endosteal new bone growth, changes of bone density and volume) weekly or biweekly, depending on the investigation period. At the end of the investigation periods a second evaluation in a higher resolutive µCT was performed ex vivo, which was compared to the in vivo investigations. Moreover, cross sections of the bone-implant-compound were investigated histologically by means of fluorescent microscopy (development of MAR) and TRAP- (detection of osteoclasts) as well as toluidine blue staining (esp. formation of cavities, periosteal and endosteal new bone growth, bone-implant-contact). Clinically, LANd442-implants lead to lameness in a total of three rabbits. All rabbits showed swelling, redness and coarse peripheral augmentations at the site of implantation. Subcutaneous formations of gas were observed at two tibiae of the LAE442-group over four weeks and in a total of six tibiae of the LANd442-groups over eight weeks (n = 4) and six months (n = 2). Radiographically, in all groups except titanium growths at the implant location at the diaphysis were shown. The formation of gas could be observed at the implantation site for at most one week in the LAE442-group over four weeks (in week 3) as well as in both groups over eight weeks (LAE442: in week 3; LANd442: in week 8). With reference to all radiographically evaluated changes LANd442 reached the highest final value of all groups after eight weeks and showed a further increase over six months. In the µCT in both two and three dimensions considerable periosteal formation of new built bone as well as the cortical bone permeating cavities were the main findings. LAE442 showed similar periosteal new bone growth after four and eight weeks compared to LANd442, but more than the tibiae without implant. In contrast, LANd442 reached a higher value over eight weeks regarding the formation of cavities. In the parameters formation of gas as well as endosteal formation of new built bone LANd442 showed a stronger occurrence after four weeks, however, after eight weeks both magnesium alloys reached the same final value. In contrast, the bone-implant-contact occurred in both materials after four weeks in equal measure, however, after eight weeks it was more pronounced at LAE442. Additionally, in all LANd442- and LAE442-groups a loss of bone density was observed, which is attended by an increase of bone volume. The ex vivo µCT-investigation confirmed both the findings of the in vivo µCT- and the histological investigations. The higher resolution proved to be particularly appropriate for the assessment of the bone-implant-contact, because it allowed a more differentiated examination of the formed trabeculae. Furthermore, by means of the TRAP-staining the activity of osteoclasts could be assessed, which was after four weeks the highest at LAE442 and after eight weeks at LANd442. Because of the occurring lameness and the massive bone changes LANd442 seems to be less suitable for orthopaedic applications at the load-bearing bone. Contrary to the expectations, in the study at hand the well-established material titanium induced bone changes as well whose cause should be further investigated in future studies. In the direct comparison of both magnesium alloys the already as promising rated material LAE442 proved to be more suitable.

In der vorliegenden Arbeit sollte die neu entwickelte Legierung LANd442 als Modifizierung der vielversprechenden Legierung LAE442 in vivo im Tiermodell Kaninchen untersucht werden. Bei dieser Legierung wurde statt der in LAE442 enthaltenen Seltenen Erden das Einzelelement Neodym verwendet. Dabei wurde LANd442 mit der Legierung LAE442 einerseits und dem etablierten nicht resorbierbaren Material Titan andererseits über Zeiträume von vier und acht Wochen verglichen. Als weitere Kontrollgruppe dienten Tibiae, an denen die Operation gleichermaßen durchgeführt wurde, ohne jedoch ein Implantat einzubringen. Zusätzlich wurde die Legierung LANd442 über eine Untersuchungsperiode von sechs Monaten in vivo geprüft, um Aussagen über einen längeren Zeitraum zu erhalten. Für die Untersuchungen wurden bei insgesamt 33 Kaninchen zylindrische Implantate von 25 mm Länge und 2,5 mm Durchmesser aus LANd442 (n = 30), LAE442 (n = 20) und Titan (n = 8) in die Mitte der Tibiamarkhöhle eingebracht. 25 Kaninchen erhielten beidseits ein Implantat, bei insgesamt acht Kaninchen wurde jeweils eine Tibia als Kontrolle leer gelassen. Im Anschluss an die Operation wurden die Tiere täglich klinisch (v.a. auf Umfangsvermehrungen, subkutane Emphyseme und Lahmheiten), wöchentlich röntgenologisch (v.a. auf Veränderungen der Diaphyse, Aufhellungen der Markhöhle und Gasbildung) und je nach Untersuchungszeitraum wöchentlich bzw. zweiwöchentlich in vivo µ-computertomographisch (v.a. auf Kavitätenbildung, periostale und endostale Knochenneubildungen, Veränderungen von Knochendichte und  volumen) untersucht. Nach Ablauf der Untersuchungszeiträume fand eine erneute Untersuchung in einem höher auflösenden µCT ex vivo statt, die mit den in vivo µCT Untersuchungen verglichen wurde. Zudem wurden Querschnitte des Knochen-Implantat-Verbundes histologisch mit Hilfe von Fluoreszenzmikroskopie (Entwicklung der MAR) bzw. TRAP- (Osteoklastennachweis) und Toluidinblaufärbung (v.a. Kavitätenbildung, periostale und endostale Knochenneubildungen, Knochen-Implantat-Kontakt) untersucht. Klinisch führten LANd442-Implantate bei insgesamt drei Kaninchen zu Lahmheiten. Schwellungen, Rötungen und derbe Umfangsvermehrungen an der Implantationsstelle traten bei allen Tieren auf. Subkutane Gasansammlungen wurden bei LAE442 an zwei Tibiae der 4-Wochengruppe festgestellt, bei LANd442 an insgesamt sechs Tibiae der 8-Wochen- (n = 4) und 6-Monatsgruppen (n = 2). Röntgenologisch zeigten sich bei allen Gruppen außer Titan Zubildungen der Kortikalis an der Diaphyse im Implantationsbereich. Die Bildung von Gas konnte über jeweils maximal eine Woche sowohl in der LAE442-4-Wochengruppe in Woche 3 als auch in beiden 8-Wochengruppen bei LAE442 in Woche 3 und bei LANd442 in Woche 8 an der Implantationsstelle festgestellt werden. In der Gesamtheit der mittels Röntgen beurteilten Veränderungen erreichte LANd442 nach acht Wochen den höchsten Endwert aller Gruppen und zeigte über sechs Monate einen weiteren Anstieg. Im µCT standen sowohl zwei- als auch dreidimensional deutliche periostale Knochenneubildungen und den kortikalen Knochen durchziehende Kavitäten im Vordergrund. LAE442 zeigte nach vier und acht Wochen vergleichbare periostale Zubildungen wie LANd442, aber stärkere als die Leertibiae. Dagegen wies LANd442 über acht Wochen bei der Kavitätenbildung den höheren Wert auf. Bei den Parametern Gasbildung und endostale Knochenzubildungen zeigte LANd442 nach vier Wochen eine stärkere Ausprägung, nach acht Wochen erreichten aber beide Magnesiumlegierungen denselben Endwert. Der Knochen-Implantat-Kontakt war dagegen nach vier Wochen bei beiden Materialien gleichermaßen ausgebildet, nach acht Wochen jedoch bei LAE442 stärker vorhanden. Zusätzlich wurde in allen LANd442- und LAE442-Gruppen eine Abnahme der Knochendichte über den gesamten Zeitraum beobachtet, welche mit einer Zunahme des Knochenvolumens einherging. Die erneute ex vivo µCT-Untersuchung bestätigte die Ergebnisse der in vivo Untersuchungen und die der Histologie. Als besonders geeignet zeigte sich die höhere Auflösung bei der Beurteilung des Knochen-Implantat-Kontaktes, da hier eine differenziertere Betrachtung der gebildeten Trabekel möglich war. Zudem konnte anhand der TRAP-Färbung die Aktivität von Osteoklasten beurteilt werden, die nach vier Wochen bei LAE442 und nach acht Wochen bei LANd442 am höchsten war. Aufgrund der auftretenden Lahmheiten und der massiven Knochenveränderungen erscheint LANd442 für den orthopädischen Einsatz am lasttragenden Knochen weniger geeignet. Entgegen der Erwartungen verursachte jedoch auch das etablierte Material Titan in der vorliegenden Arbeit Knochenveränderungen, deren Ursache in nachfolgenden Studien weitergehend überprüft werden sollte. Im direkten Vergleich der beiden Magnesiumlegierungen zeigte sich das bereits als vielversprechend beurteilte Material LAE422 als besser geeignet.

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Hampp, Carolin: Degradation und Biokompatibilität der neuen Magnesiumlegierung LANd442 im Vergleich zu LAE442 und der nicht degradablen Titanlegierung Ti6AI4V-Eli nach intramedullärer Implantation in die Kaninchentibia. Hannover 2012. Tierärztliche Hochschule.

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