Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Vergleichende histologische Untersuchungen von intramedullären Implantaten auf Magnesiumbasis im Kaninchenmodell

Schäfer, Melanie

In the present investigation, four magnesium alloys (WE43, uncoated MgCa0.8, MgF2-coated MgCa0.8 and LAE442) were compared histologically to the reference conventional materials titanium and PLA and to empty bones of the studies of KRAUSE (2008) and THOMANN (2008) in order to obtain new information about implant materials and their influence on bone by using further staining methods and different examination methods. Additionally, it was important to experience the optimal histological staining method for analysing bone tissue in sections processed by using the cutting and grinding technique of DONATH (1987) in order to be able to respond to essential questions for evaluation of degradable bone implants. For histological investigation, right tibiae of a total of 62 rabbits were used. In their marrow cavities cylindrical pins (length of 25 mm, diameter of 2.5 mm alternatively 2 mm at PLA) were implanted. As implant materials, the magnesium alloys WE43, uncoated MgCa0.8, MgF2-coated MgCa0.8 and LAE442 and the conventional materials titanium and PLA were used. All materials stayed implanted for an investigation period of three and six months, the magnesium alloys MgCa0.8 and LAE442 also for twelve months. The size of experimental groups was five animals in each material and each investigation period, only three animals in the conventional material-period groups. Microsections of the tibiae embedded in Technovit 7200 VLC® were processed applying DONATH’s cutting and grinding technique (1987). The produced longitudinal sections were stained with Toluidine Blue, whereas the produced transversal sections were stained with Van Gieson, Goldner’s Masson trichrome and TRAP. Analysis was performed by scoring and histomorphometrically. In general, good biocompatibility of magnesium alloys could be confirmed by histological investigations. All implant materials seemed to be osteoinductive, whereas the synthetical PLA showed minimal remodelling of bone. Noticeable changes in bone were seen at conventional titanium. In this case, there was a lot of remodelling in endosteal area, the implant was completely surrounded by new formed bone. In conventional implant material groups, there were few osteoclasts in endosteal and cortical area in contrast to magnesium based implant groups. In groups of the magnesium alloy WE43, there was less influence on bone of the implant after three months than after six months. After three months investigation period, there was a lot of bone remodelling in MgF2-coated MgCa0.8 groups. Furthermore, the number of osteoclasts was here highly increased compared to all other examined materials, especially in cortical area. An implant-bone-contact clearly seen at all other materials was rarely noticed. The coat of implant obviously seemed to inhibit the attachment of osteoclasts. The magnesium alloys also tested over a twelve months period showed a good biocompatibility. Bone structure of MgCa0.8 implant groups was noticeably calmer. Additionally, there was a mineralisation of most of the bone matrix at this investigation period. The implants were degraded clearly more intense after twelve months than after three months. The LAE442 implants degraded slower than MgCa0.8. Additionally, the overall impression of bone of all LAE442 groups, especially after twelve months implantation period, was noticeably calmer and was therefore similar to bone of an animal without implant. Very good biocompatibility and slow corrosion confirmed LAE442 to be an excellent appropriate material for use in bone among the examined magnesium alloys. Goldner’s Masson trichrome turned out to be the optimal staining method for gathering information about bone condition. It featured a good overview and an excellent demarcation of mineralised and non-mineralised bone. Toluidine Blue staining also showed to be a good staining method to get an overview. Remodelled and old bone could be well differentiated. Furthermore, the TRAP staining turned out to be a good supplementation for receiving information about bone remodelling.

Ein Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die vier Magnesiumlegierungen (WE43, MgCa0,8, mit MgF2-beschichtetes MgCa0,8 und LAE442) vergleichend zu den beiden konventionellen Implantatmaterialien Titan und PLA und zu Leertieren aus den Arbeiten von KRAUSE (2008) und THOMANN (2008) histologisch zu untersuchen, um mit Hilfe weiterer Färbemethoden und anderer Untersuchungsverfahren neue Erkenntnisse über die Implantatmaterialien und ihre Auswirkungen auf den Knochen zu erhalten. Des Weiteren sollte geklärt werden, welche histologischen Färbemethoden zur Untersuchung von Knochengewebe bei Trenn-Dünnschliffen angewendet werden sollten, um essentielle Fragestellungen für die Evaluierung resorbierbarer Knochenimplantate optimal beantworten zu können. Für die histologischen Untersuchungen wurden die rechten Tibiae von insgesamt 62 Kaninchen verwendet, in deren Markhöhle zylinderförmige Pins (Länge 25 mm, Durchmesser 2,5 mm bzw. 2 mm bei PLA) implantiert worden waren. Als Implantatmaterialien waren die Magnesiumlegierungen WE43, unbeschichtetes MgCa0,8, mit MgF2-beschichtetes MgCa0,8 und LAE442 und die konventionellen Materialien Titan und PLA verwendet worden. Alle Materialien waren für einen Versuchszeitraum von drei und sechs Monaten in den Tieren belassen worden, die Magnesiumlegierungen MgCa0,8 und LAE442 zusätzlich auch über zwölf Monate. Die Versuchsgruppengröße pro Material und Versuchsdauer betrug fünf Tiere, für die konventionellen Material-Zeitgruppen drei Tiere. Von den in Technovit 7200 VLC® eingebetteten Tibiae wurden Schliffe mittels der Trenn-Dünnschlifftechnik nach DONATH (1987) angefertigt. Die einerseits hergestellten Längsschliffe wurden mit Toluidinblau und die andererseits hergestellten Querschliffe wurden mit der Van Gieson-, Masson-Trichrom-Goldner- und TRAP-Färbung gefärbt. Die Auswertung erfolgte mittels Scoring und histomorphometrisch. Die gute Biokompatibilität der Magnesiumlegierungen im Allgemeinen konnte anhand der histologischen Untersuchungen bestätigt werden. Alle Implantatmaterialien schienen sich osteoinduktiv zu verhalten, wobei das PLA den geringsten Knochenumbau zeigte. Das konventionelle Titan führte hingegen zum stärksten Umbau im endostalen Bereich, die Implantate wurden von neugebildetem Knochen vollständig ummantelt. Die am Knochenabbau beteiligten Osteoklasten kamen bei den konventionellen Implantatmaterialgruppen kaum im endostalen und kortikalen Bereich vor im Gegensatz zu den auf Magnesium-basierenden Implantatgruppen. Bei den Gruppen mit der Magnesiumlegierung WE43 war nach drei Monaten Implantationsdauer noch kein so starker Einfluss auf den Knochen durch das Implantat festzustellen wie nach sechs Monaten. Bei den MgF2-beschichteten MgCa0,8-Gruppen war bereits nach drei Monaten Versuchsdauer ein starker Knochenumbau zu bemerken. Des Weiteren fiel hier eine im Vergleich zu allen anderen untersuchten Materialien vermehrte Anzahl an Osteoklasten, vor allem im kortikalen Bereich, auf. Ein Implantat-Knochen-Kontakt, wie er bei allen anderen Materialien deutlich festzustellen war, war selten zu beobachten. Die Beschichtung des Implantates schien folglich die Anhaftung der Osteoblasten zu hemmen. Die Magnesiumlegierungen, die auch über einen Zeitraum von zwölf Monaten untersucht wurden, zeigten durchweg eine gute Verträglichkeit. Bei der MgCa0,8-Implantatgruppe wirkte die Gesamtstruktur des Knochens nach zwölf Monaten deutlich ruhiger, außerdem war zu diesem Zeitpunkt eine Mineralisierung des Großteils der Knochenfläche zu verzeichnen. Die Implantate waren nach zwölf Monaten deutlich stärker degradiert als nach drei Monaten. Die LAE442-Implantate degradierten im Vergleich zu MgCa0,8 langsamer. Auch der Gesamteindruck des Knochens von den LAE442-Gruppen war, besonders nach zwölf Monaten, deutlich ruhiger und ähnelte so am meisten dem Knochen eines Tieres ohne Implantat. Aufgrund der sehr guten Biokompatibilität und der langsamen Korrosion bewies sich LAE442 unter den Magnesiumlegierungen als ein hervorragend geeignetes Material für den Einsatz im Knochen. Als histologische Färbung zur Erfassung des Knochenzustandes erwies sich die Masson-Trichrom-Goldner-Färbung als optimal. Sie bot einen guten Überblick und eine gute Abgrenzung von mineralisiertem und nicht mineralisiertem Knochen. Die Toluidinblau-Färbung stellte sich ebenfalls als eine gute Übersichtsfärbung dar, um erste Aussagen zur Biokompatibilität zu gewinnen. Hier konnte remodelter und alter Knochen gut unterschieden werden. Des Weiteren bot die TRAP-Färbung eine gute Ergänzung, um Aussagen über das Knochenremodeling zu erhalten.

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Schäfer, Melanie: Vergleichende histologische Untersuchungen von intramedullären Implantaten auf Magnesiumbasis im Kaninchenmodell. Hannover 2011. Tierärztliche Hochschule.

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