Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Untersuchung zur Entwicklung der Haltekraft von degradablen Schrauben aus einer Magnesiumbasislegierung (MgCa0,8) nach ossärer Implantation im Vergleich zu Stahlschrauben (S316L) sowie zu deren Biokompatibilität im periimplantären Weichteilgewebe im Kaninchenmodell

Erdmann, Nina

The use of resorbable implant materials helps to avoid a second surgery for implant removal. The aim of the present study was to evaluate the suitability of degradable magnesium alloy screws for an application as osteosynthesis implant. Magnesium calcium alloy screws (MgCa0.8) and surgical steel screws (S316L), which are commonly used for osteosynthesis, were compared in vivo. In the experimental group one MgCa0.8 screw (n = 48), in the control group one S316L screw (n = 32) was implanted into the left and right tibia of altogether 40 rabbits respectively. The animals were clinically examined every day. Radiographs were taken weekly. Computed μ-tomography examinations were carried out every second week. At the end of the respective examination period of two, four, six and eight weeks the holding power of both screw types was determined postmortally by uniaxial pull-out testing. To analyse the degradation behaviour of MgCa0.8, the weight loss and volume loss of the MgCa0.8 screws was determined. Subsequently, scanning electron microscopic examinations were carried out. To characterise the biocompatibility in periimplant soft tissue, cross sections of the cranial tibial muscle, which was in direct vicinity of the screw head, were examined. The results of the present study showed that MgCa0.8 was clinically tolerated as well as S316L. Gas formation of the degrading implant did not seem to affect the animals adversely, however, indicates a too fast progressing degradation. The pull-out force of MgCa0.8 and S316L did not differ significantly two weeks after surgery. MgCa0.8 showed approximately equal pull-out force values two and four weeks postoperatively. A slight reduction in pull-out force could be observed after six weeks. Eight weeks postoperatively the pull-out force of MgCa0.8 was significantly lower. The pull-out force of S316L continuously increased. Hence, S316L showed a significantly higher pull-out force than MgCa0.8 four, six and eight weeks postoperatively. The weight and volume of the MgCa0.8 screws successively decreased. More volume loss was observed for the screw head and the thread within the marrow cavity than for the thread within the cortex at all follow up intervals. An oxygen and magnesium rich degradation layer formed on the MgCa0.8 screws, in which also small amounts of calcium and phosphate were incorporated. Histology showed good biocompatibility for MgCa0.8 and S316L. No pathological alterations were detected within the examined muscle tissue throughout the follow up. A moderate inflammatory reaction was observed for both implant materials, however, it was restricted to the periimplant fibrous tissue and it decreased to a minimum during the first six weeks postoperatively. After eight weeks all examined parameters re-increased in MgCa0.8, whereas the parameters further decreased in S316L. Only small amounts of lymphocytes were detected in both material groups. In MgCa0.8 predominantly B-lymphocytes, the mediators of humoral immunity, were found. T-lymphocytes only occurred in minor quantities. Thus, cell mediated immunity seems to be of less importance in MgCa0.8. In summary the present study showed that MgCa0.8 has promising qualities for an application as degradable implant material. Further studies are needed to evaluate the biomechanical properties and the biocompatibility over a longer implantation period. In addition, coated magnesium calcium alloys or magnesium alloys with a slower initial corrosion rate and less gas production should be investigated.

Durch den Einsatz resorbierbarer Implantatmaterialien kann eine Zweitoperation zur Implantatentfernung vermieden werden. Ziel dieser Arbeit war es, die Eignung degradabler Magnesiumschrauben für den Einsatz in der Osteosynthese zu untersuchen. Schrauben aus einer Magnesium-Calcium-Legierung (MgCa0,8) und Schrauben aus chirurgischem Stahl (S316L), der standardmäßig in der Osteosynthese eingesetzt wird, wurden vergleichend in vivo getestet. In der Versuchsgruppe wurde je eine MgCa0,8-Schraube (n = 48), in der Kontrollgruppe je eine S316L-Schraube (n = 32) in die rechte und linke Tibia von insgesamt 40 Kaninchen implantiert. Die Tiere wurden täglich klinisch, wöchentlich röntgenologisch und zweiwöchentlich μ-computertomographisch untersucht. Am Ende des jeweiligen Untersuchungszeitraumes von zwei, vier, sechs und acht Wochen wurde post mortem die Haltekraft beider Schraubentypen durch Prüfung der maximalen, uniaxialen Auszugskraft bestimmt. Für die Analyse zum Degradationsverhalten von MgCa0,8 wurde der Gewichts- und Volumenverlust der MgCa0,8-Schrauben bestimmt. Im Anschluss erfolgten rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen. Die Untersuchungen zur Biokompatibilität im periimplantären Weichteilgewebe erfolgten an Querschnitten des M. tibialis cranialis, welcher in direktem Kontakt zum Schraubenkopf stand. Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung zeigten, dass MgCa0,8 klinisch genauso gut vertragen wurde wie S316L. Die mit der Degradation einhergehende Gasbildung der MgCa0,8-Schrauben hatte keine nachteiligen Auswirkungen auf die Tiere. Dennoch ist sie ein Indiz für eine zu schnell ablaufende Degradation. Der Vergleich der Auszugskraft ergab keinen signifikanten Unterschied für MgCa0,8 und S316L zwei Wochen postoperativ. Die Auszugskraft von MgCa0,8 war zwei und vier Wochen postoperativ nahezu konstant. Eine erste Kraftabnahme war nach sechs Wochen zu verzeichnen. Acht Wochen postoperativ war die Auszugskraft von MgCa0,8 signifikant niedriger. Für S316L war ein permanenter Kraftanstieg zu verzeichnen. Folglich lieferte S316L vier, sechs und acht Wochen postoperativ signifikant höhere Auszugswerte als MgCa0,8. Das Gewicht und das Volumen der MgCa0,8-Schrauben nahm kontinuierlich ab. Der Schraubenkopf und der intramedulläre Gewindeanteil wiesen zu allen Zeitpunkten eine stärkere Volumenabnahme auf als der jeweilige kortikale Gewindeanteil. Auf den MgCa0,8-Schrauben bildete sich eine sauerstoff- und magnesiumreiche Degradationsschicht, die außerdem einen kleineren Anteil Calcium und Phosphat enthielt. Histologisch konnte eine gute Biokompatibilität für MgCa0,8 und S316L gezeigt werden. Für die untersuchte Muskulatur wurden über den gesamten Beobachtungszeitraum keine pathologischen Auffälligkeiten festgestellt. Die mittelgradige Entzündungsreaktion, die bei beiden Implantatmaterialien beobachtet wurde, blieb auf das periimplantäre Bindegewebe beschränkt und ging in den ersten sechs postoperativen Wochen auf ein Minimum zurück. Nach acht Wochen war bei MgCa0,8 ein Wideranstieg aller untersuchten Parameter zu beobachten, wohingegen die Parameter bei S316L weiter abnahmen. In beiden Materialgruppen wurden nur wenige Lymphozyten detektiert. Bei MgCa0,8 wurden vor allem B-Lymphozyten, die Mediatoren humoraler Abwehrvorgänge, und nur wenige T-Lymphozyten nachgewiesen, so dass T-zellmediierte Immunvorgänge bei MgCa0,8 von untergeordneter Bedeutung zu sein scheinen. Insgesamt konnte die vorliegende Untersuchung zeigen, dass MgCa0,8 vielversprechende Eigenschaften im Hinblick auf einen Einsatz als degradables Implantatmaterial hat. Weiterführende Untersuchungen über einen längeren Implantationszeitraum sind notwendig, um die biomechanischen Eigenschaften und die Biokompatibilität abschließend zu beurteilen. Um die degradationsbedingte Gasbildung zu reduzieren sollten außerdem beschichtete Magnesium-Calcium-Legierungen und Magnesiumlegierungen, die eine geringere initiale Korrosionsrate aufweisen, untersucht werden.

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Erdmann, Nina: Untersuchung zur Entwicklung der Haltekraft von degradablen Schrauben aus einer Magnesiumbasislegierung (MgCa0,8) nach ossärer Implantation im Vergleich zu Stahlschrauben (S316L) sowie zu deren Biokompatibilität im periimplantären Weichteilgewebe im Kaninchenmodell. Hannover 2010. Tierärztliche Hochschule.

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