Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Untersuchungen zur Degradation und Biokompatibilität von intramedullären Implantaten auf Magnesiumbasis im Kaninchenmodell: Prüfung der Degradation im Langzeitversuch und Untersuchung des Einflusses einer Fluoridbeschichtung

Warschau, Martina

The present work should examine, if a magnesium-fluoride-coating on previously in vivo tested MgCa0.8-implants has an influence on their biocompatibility and degradation rate. A further aim of the present study was to examine the degradation progress and the biocompatibility of MgCa0.8- and LAE442-implants in a long-term study (nine and 12 months implantation duration). Altogether, 30 rabbits were used in the study, 10 for each magnesium alloy (MgF, MgCa0,8. LAE442). The cylindrical pins (length = 25 mm, diameter = 2.5 mm) for the long term studys of the MgCa0.8- and LAE442-implants after 9 and 12 months were produced from different batches. The MgF2-coated MgCa0.8-implants (MgF) were produced from the same batch. The implants of the three materials were implanted into both tibia diaphyses of rabbits. One half of the MgF-implants were investigated for three months, the other half were examined for six months. For the long term studys of the MgCa0.8- and LAE442-implants an investigation period of nine and 12 months was determined. During these periods, the rabbits were regularly examined both clinically and radiographically. After euthanasia, both tibiae were explanted. The implants of the left tibiae were investigated using stereomicroscopy and scanning electron microscopy including EDX-analysis. Additionally weight and volume of the implants were determined and three point bending tests were carried out. The implant-bone-composite of the right tibiae were examined by micro-computed tomography and histology. EDX-analysis of histological cross-sections were carried out to analyse the composition of the degradation layer. The results showed that MgF2-coated implants were well tolerated. No gas bubbles could be detected clinically or radiographically. Both, the low amount of fibrous tissue and the moderate cellular reactions, adverted to their good tolerance. Histological examinations revealed an evacuation of corrosion products via phagocytic cells. Furthermore, changes of the bone structure in form of bone cavities as well as endosteal and periosteal remodeling could be shown. Histological, µCT- and SEM-analyses showed new bone at the implant surfaces. The pins corroded irregularly by pitting corrosion. The determination of volume and the measurement of the implants´ cross-sectional areas affirmed a progressive degradation rate and a decrease of the stability for all implants. The long term group implants of both MgCa0.8 groups and the LAE 12 months group were very well tolerated. MgCa0.8 implants degraded relatively inhomogeneously by pitting corrosion. After 12 months the implants could mainly be taken out of the bones in parts. LAE442 implants degraded slowly and homogeneously with an increasing thickness of the degradation layer. All groups showed bone to implant contact, which was more frequent and stronger in MgCa0.8 implants after 12 months implantation period. Histological and fluorescence microscopic investigations showed a stronger bone remodeling and bone growth and more bone cavities in MgCa0.8 implants in comparison with LAE442 implants. Regarding the mechanical properties, a higher strength could be found for LAE442 implants than for MgCa0.8 implants after these longer implantation periods. Contrary to the good results of the LAE implants after 12 months implantation period, the implants after nine months showed a fast corrosion associated with a generation of gas. Both, the clinical and the histological results, showed no sufficient tolerance. The very likely reasons are fabrication defects within this batch. All in all the present study could confirm, that LAE442, resulting from proper base material and production, is a feasible future implant material, which is superior to MgCa0.8 due to its degradation behaviour, mechanical strength and effect on the bone.

In der vorliegenden Arbeit sollte einerseits der Einfluss einer Magnesiumfluoridbeschichtung von bereits in vivo getesteten MgCa0,8-Implantaten auf deren Biokompatibilität und Degradationsgeschwindigkeit untersucht werden. Ein weiteres Ziel der Arbeit war es, den Degradationsverlauf sowie die Biokompatibilität der Legierungen MgCa0,8 und LAE442 im Langzeitversuch (neun und 12 Monate) zu testen. Insgesamt wurden 30 Kaninchen in die Untersuchungen einbezogen. Für die Prüfung jeder Magnesiumlegierung inkl. Beschichtung (MgF, MgCa0,8. LAE442) wurden zehn Tiere verwendet. Die zylinderförmigen Pins (Länge 25 mm, Durchmesser 2,5 mm) für die Langzeituntersuchungen der Neun- und Zwölfmonatsgruppen stammten aus jeweils unterschiedlichen Chargen. Die MgF2-beschichteten MgCa0,8-Implantate (MgF) wurden aus einer Charge gefertigt. Die Implantate der drei Materialien wurden in die Markhöhlen beider Tibiae implantiert. Für die eine Hälfte der MgF-Implantate betrug der postoperative Beobachtungszeitraum drei, für die andere Hälfte sechs Monate. Für die Langzeituntersuchungen der MgCa0,8- und LAE442-Implantate betrug der Zeitraum für die eine Hälfte neun und für die andere Hälfte 12 Monate. Während der Versuchsdauer wurden die Tiere regelmäßig klinisch und radiologisch untersucht. Nach Euthanasie wurden die Tibiae explantiert. Die Implantate der linken Tibiae wurden stereo- und rasterelektronenmikroskopisch einschließlich einer EDX-Analyse untersucht. Zusätzlich erfolgten Gewichts- und Volumenbestimmungen der Implantate und es wurden Dreipunktbiegeversuche durchgeführt. Die Implantate der rechten Tibiae verblieben im Implantat-Knochen-Verbund und wurden im µ-Computertomographen (µCT) und histologisch untersucht. Eine EDX-Analyse histologischer Trenndünnschliffe diente der ergänzenden Untersuchung der Degradationsschicht. Die MgF-Implantate wurden sehr gut vertragen. Klinisch und radiologisch konnten keine Gasblasen detektiert werden. Sowohl die sehr gering ausgeprägte bindegewebige Reaktion als auch die moderaten, zellulären Reaktionen wiesen auf eine gute Verträglichkeit hin. Histologisch konnte ein Abtransport der Korrosionsprodukte durch phagozytierende Zellen festgestellt werden. Viele Schnitte zeigten eine unruhige Knochenstruktur sowie endostales und periostales Remodeling. Histologische, µ-CT- und REM-Untersuchungen konnten neu gebildeten Knochen auf den Implantatoberflächen nachweisen. Die Implantate korrodierten in Form von Lochfraßkorrosion. Volumenbestimmungen, Vermessungen der Implantatquerschnittsflächen sowie die Dreipunktbiegeversuche bestätigten eine deutlich fortschreitende Degradation der Implantate in Verbindung mit Abnahme der Stabilität. Bei den Langzeitgruppen wurden die MgCa0,8-Implantate und die Implantate der LAE-Zwölfmonatsgruppe klinisch sehr gut vertragen. Die MgCa0,8-Implantate degradierten in Form von Lochfraßkorrosion und waren nach zwölf Monaten größtenteils nur noch in Teilstücken zu entnehmen. Die LAE442-Implantate degradierten langsam und gleichmäßig unter Bildung einer deutlichen Degradationsschicht. Alle Gruppen zeigten Implantat-Knochen-Kontakt, der bei der Legierung MgCa0,8 nach zwölf Monaten häufiger vorkam und stärker ausgeprägt war. Histologische und fluoreszenzmikroskopische Untersuchungen zeigten bei den MgCa0,8-Schnitten im Vergleich zu LAE442 ein stärkeres Knochenremodeling- bzw. -wachstum sowie eine deutlich unruhigere Knochenstruktur. Die LAE442-Implantate zeigten sich auch nach längeren Implantationszeiten stabiler als die MgCa0,8-Implantate. Im Gegensatz zu den guten Ergebnissen der Implantate der LAE-Zwölfmonatsgruppe zeigten die Implantate der Neunmonatsgruppe eine schnellere Korrosion in Verbindung mit einer deutlichen Gasbildung. Sowohl das Ergebnis der klinischen Untersuchung als auch die histologische Darstellung der Knochenstruktur und das Auftreten einer Entzündung zeigten keine ausreichende Verträglichkeit der Implantate. Ursache der deutlich schnelleren Korrosion der Implantate waren vermutlich Herstellungsfehler bei der Charge der Neunmonatsgruppe. Insgesamt konnte in der vorliegenden Arbeit bestätigt werden, dass die Legierung LAE442, unter der Voraussetzung der korrekten Zusammensetzung und Herstellung, ein potentielles Implantatmaterial für die Osteosynthese darstellt, welches der Legierung MgCa0,8 sowohl bezüglich der Auswirkung auf den Knochen als auch bezüglich des Degradationsverhaltens und der mechanischen Stabilität überlegen ist.

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Warschau, Martina: Untersuchungen zur Degradation und Biokompatibilität von intramedullären Implantaten auf Magnesiumbasis im Kaninchenmodell: Prüfung der Degradation im Langzeitversuch und Untersuchung des Einflusses einer Fluoridbeschichtung. Hannover 2008. Tierärztliche Hochschule.

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