Untersuchungen zur in vivo Biodegradation und Biokompatibilität der beiden neu hergestellten Magnesiumlegierungen AX30 und ZEK100 im Kaninchenmodell

Magnesiumlegierungen werden als potentiell geeignetes Material für biodegradable Implantate angesehen, weil sie die gebräuchlichen polymerischen Implantate an Steifigkeit übertreffen. In den aktuell verwendeten Magnesiumlegierungen werden Zuschlagstoffe genutzt, um die Eigenschaften der Legierung entsprechend der spezifischen Anforderungen für die angestrebten Anwendungen zu modulieren. Für die Anwendung von Magnesiumimplantaten zur Osteosynthese sind Magnesium-Aluminium- und Magnesium-Seltene Erden-Legierungen besonders häufig Gegenstand der Forschung, da sie sowohl gute Degradationseigenschaften als auch eine gute Biokompatibilität besitzen. Obwohl die Seltenen Erden eine Mischung von verschiedenen Elementen sind und ihre exakte Zusammensetzung daher schwer zu bestimmen ist, werden sie den Legierungen zugesetzt, da sie den Korrosionswiderstand und die mechanischen Eigenschaften deutlich verbessern. Allerdings ist ihre mögliche Toxizität in hohen Dosen weitestgehend unerforscht. Ein reduzierter Gehalt von Seltenen Erden ist demnach sinnvoll. Die vorliegende Studie untersuchte ZEK100 und AX30, zwei neue Magnesiumlegierungen, die einen reduzierten Gehalt von Seltenen Erden haben (ZEK100; Magnesium mit 1 Gew.% Zink, <1 Gew.% Zirkonium und <1 Gew.% Seltene Erden) oder aber überhaupt keine Seltenen Erden beinhalten (AX30; Magnesium mit 3 Gew.% Aluminium and <1 Gew.% Kalzium) und die sich in in vitro Voruntersuchungen als vielversprechend erwiesen haben. Das Ziel der Studie war eine Aussage über die in vivo Degradation, die mechanische Eignung und die Biokompatibilität der Legierungen treffen zu können. Dafür wurden 24 adulte weibliche Kaninchen der Rasse New Zealand White auf vier Versuchsgruppen randomisiert, die sich im eingebrachten Material und/oder der Versuchsdauer unterschieden (AX30 3 Monate, AX30 6 Monate, ZEK100 3 Monate and ZEK100 6 Monate). Ihnen wurden zylindrische Pins (2,5 * 25 mm) in die Markhöhlen beider Tibiae implantiert und dort zur Degradation belassen. Während der Versuchsphase wurden regelmäßig klinische Untersuchungen, Röntgenaufnahmen und in vivo μCT Scans vorgenommen. Nach der Euthanasie wurden die Implantate einer Tibia mit REM und EDX, gravimetrisch und mechanisch untersucht, oder aber der Implantat-Knochen-Komplex der anderen Tibia wurde histologisch und im ex vivo μCT untersucht. Die Degradationsanalyse ergab, dass ZEK100 bis zum dritten Monat schneller als AX30 degradierte, was sich aber zum 6. Monat hin ausglich. Die Auswertung der “3D thickness” unterstützte diese Aussage und lieferte Hinweise, dass ZEK100 eine stärkere Lochfraßkorrosion aufwies als AX30. Aufgrund seiner initial hohen mechanischen Steifigkeit und seiner Degradationscharakteristik war ZEK100, von mechanischen Gesichtspunkten aus, als geeignet für biodegradable Implantate in Knochen zu bewerten. AX30 zeigt zwar ein gutes Degradationsverhalten, ist aber von zu geringer mechanischer Steifigkeit, um im belasteten Knochen angewandt zu werden. Für andere, mechanisch weniger anspruchsvolle Anwendungen, könnte es allerdings geeignet sein. Das in vivo μCT war bei der Analyse der in vivo Degradation von Implantaten aus Magnesiumlegierungen sehr hilfreich, da es eine 3D Quantifizierung der Korrosionsrate und eine qualitative Untersuchung der Korrosionsmorphologie erlaubte, ohne das fortlaufende Experiment zu beeinflussen. Außerdem erlaubte es zeitgleich eine Einschätzung der ossären Wirtsreaktion. Es wurde gezeigt, dass die intramedulläre Lokalisation des Implantates einen großen Einfluss auf dessen Korrosionsrate hat, was wiederum von großer Bedeutung für ein mögliches Design von intramedullären, degradablen Implantaten aus Magnesiumlegierungen ist. Es unterstreicht die Notwendigkeit, biodegradable Magnesiumimplantate in vivo und in situ zu untersuchen. Die histologischen Untersuchungen am Implantat-Knochen-Verbund haben gezeigt, dass beide Legierungen eine durch Osteoklasten verursachte Knochenresorption und dadurch eine periostale Bildung neuen Knochens induzierten. Die Biokompatibilität von ZEK100 und AX30 ist daher nicht gesichert und weitere Untersuchungen müssen erfolgen. Diese sollten die zellulären Wechselwirkungen von Magnesium, insbesondere die mit dem Knochenstoffwechsel und dem Immunsystem erforschen. Die Seltenen Erden hatten keinen nachweisbaren Effekt auf die Biokompatibilität.