Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

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

Hühnerschulte, Tim Andreas

Magnesium alloys have been regarded as potentially suitable material for biodegradable implants, because they excel the widely used polymeric implants in stability. In the modern magnesium alloys the proportions of the alloy components are used to modify the corrosion and mechanical characteristics according to the specific needs of the implant. For applications in bones the magnesium alloys commonly examined are magnesium-aluminum-alloys and magnesium-rare earthsalloys, which exhibit good degradation characteristics and biocompatibility. Rare earths are used, because they improve corrosion resistance and the mechanical strength of the implants, but their exact composition is hard to predict, for they are a mixture of elements. Furthermore, their toxicity is, although probably rather low, still widely unknown and the clearance of substances form the bone is known to be slow. Therefore a reduced content is favorable. The present study assesses ZEK100 and AX30, two novel magnesium alloys, that have a reduced content of rare earths (ZEK100; magnesium with 1wt% zinc, <1wt% zirconium and <1wt% of rare earths) or contain no rare earths at all (AX30; magnesium with 3wt% aluminum and <1 wt% calcium) and which were shown to be in vitro promising. The aim of the study was to investigate the in vivo degradation, the mechanical suitability and the biocompatibility of these two new magnesium alloys AX30 and ZEK100 in an animal model. To do so, 24 female New Zealand White Rabbits were randomized into 4 groups, differing in time and/or material (AX30 3 months, AX30 6 months, ZEK100 3 months and ZEK100 6 months). Cylindrical pins (2.5 * 25 mm) were surgically inserted in the medullary cavities of both tibiae of each animal and left there for in vivo degradation. During the follow up clinical examinations, X-rays and in vivo μCT scans were done regularly. After euthanasia implants were gathered and subjected to further analyzes, like REM with EDX, gravimetric analyses and mechanical testing, as well as histology and ex vivo μCT scans. The analyses of the degradation showed that until month three ZEK100 degrades faster than AX30 and that this difference is leveled out after six months. The 3D thickness evaluation supports the findings on the corrosion rate and they indicate that ZEK100 degrades less uniform than AX30. Due to its initial mechanical strength and its degradation characteristics, form a mechanical point of view, ZEK100 is suitable as a material for biodegradable implants in weight bearing bones. AX30 displays good degradation behavior but it is of too little mechanical strength for applications in weight bearing bones. It might be a material suitable for mechanically less demanding applications. The in vivo μCT is of great advantage in analyzing the in vivo degradation of magnesium alloys, because it allows a true 3D quantification of the corrosion rate over time and qualitative assessment of the corrosion morphology, without any interference with the ongoing animal experiment. Furthermore, it allows an examination of the host reactions at the same. It was shown that the location within the bone has a remarkable effect on the rate of corrosion, which is of great importance for possible designs of intramedullar implants made of magnesium alloys and it emphasizes importance to test biodegradable magnesium implants in vivo and in their target location. The histological assessment of the implants showed that both materials induced an osteoclast-driven resorption of bone and a subsequent rushed formation of new bone periosteally. Therefore the biocompatibility of ZEK100 and AX30 is questionable and has to be further critically examined, which should include the interactions on cellular level, especially those with the bone metabolism and the immune system. The rare earths had no pronounced effect of the host reactions induced.

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.

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Hühnerschulte, Tim Andreas: Untersuchungen zur in vivo Biodegradation und Biokompatibilität der beiden neu hergestellten Magnesiumlegierungen AX30 und ZEK100 im Kaninchenmodell. Hannover 2011. Tierärztliche Hochschule.

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