Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Auswirkungen eines Magnesiumkorrosionsproduktes (Mg(OH)2) aus degradierbaren Magnesiumimplantaten auf den umliegenden, spongiösen Knochen im Kaninchenmodell

Janning, Carla

In this study the influence of the magnesium degradation product magnesium hydroxide (Mg(OH)2) on peri-implant bone remodelling was observed for two, four and six weeks after surgery. As an element of the corrosion layer of degradable magnesium alloys, a direct bone contact is guarantied. An enhancement of bone remodelling in the surrounding of magnesium alloys or scaffolds was observed in earlier studies, but non of them could lead it back to the influence of magnesium. Additionally, the degradation kinetic of Mg(OH)2 was investigated via µ-Computer Tomography (µ-CT). The release of magnesium into the surrounding tissue was observed by µ-X-ray-fluorescence analysis (µ-RFA). The animal experiment included a total number of 42 female, adult New Zealand White rabbits, which were split into three groups, randomly. Each group consisted of animals treated with Mg(OH)2 and control animals. During surgery 5 x 3 mm big Mg(OH)2 powder implants (formed to cylinders by cold isostatic pressure technique) were inserted into the cancellous bone of the medial femur condylus of both knees. In control animals the drill hole was left empty. The animals were examined for lameness, swellings, suture failure and a general condition, daily. Calcein green and xylenol orange were injected subcutaneously for polysequential fluorescence labeling. Subsequently to euthanasia, samples were prepared for histomorphometrical, µ-CT or µ-RFA analysis. For histomorphometrical analysis 54 femur condylus were observed. As region of interest a 500 µm wide seam around the drill hole was investigated in a serie of three sections per condylus with a distance of 100 µm to each other for each stain. Element analysis of relative Mg, Ca and P concentrations was performed for the locations “cylinder”, “interface” and “drill hole seam” on 30 femur condylus by µ-RFA. The cylinder rest volume was measured though µ-CT. The implanted Mg(OH)2 cylinders showed a good biocompatibility. Histomorphometric analysis revealed a distinct positive effect of Mg(OH)2 on bone volume/tissue volume ratio (BV/TV) in the vicinity of the cylinders four (significant) and six weeks after surgery. For the osteoid surface (OS, parameter of bone formation) a significant increased could be measured four and six weeks after surgery for the Mg(OH)2 group compared to the control group. In contrast, the osteoclast surface showed a significant decrease during the first four weeks in Mg(OH)2 groups due to a significant lower osteoclast number. Using polysequential fluorescence labeling the MAR was similar two weeks after surgery it decreased in the control side after four weeks while it stayed constant in the Mg(OH)2 group. After six weeks a similar level between both groups was reached again. The osteoid maturation time was similar excluding four weeks after surgery, where it was significantly faster in the group with Mg(OH)2. µ-RFA revealed a magnesium gradient (relative concentration) in the implant-bone-interface, which decreased from the implant to the bony drill hole, while Ca and P concentration showed a reciprocal behaviour. It was not possible to measure the natural magnesium concentration in control animals by this method. That is why the region of interest (histomorpmometric analysis) could not be observed by this technique. The observation of the degradation kinetic via µ-CT showed a volume lost of 7 % after two, 11 % after four and 19 % after six weeks of implantation. What supports the detected magnesium gradient in the vicinity of the implant. These results affirm a positive influence of Mg(OH)2 on the surrounding cancellous bone remodelling during the early period of bone healing/implant ingrowth. These observations could not certainly be led back to the influence of magnesium. The fact that an enhanced bone formation in the peri-implant vicinity at that early time point improves osteosynthesis-bone-stablility recommends the application of magnesium-based implants in osteosynthesis. To assure magnesium to be the crucial factor or evaluate possible starting points for the effect of magnesium-ions further investigations will be necessary.

In dieser Arbeit sollte der Einfluss des, bei der Korrosion von Magnesium und Magnesiumlegierungen entstehenden Korrosionsproduktes Mg(OH)2 auf das peri-implantäre Knochenremodeling und das Degradationsverhalten untersucht werden. Dazu wurde kaltisostatisch gepresstes Mg(OH)2 Pulver in die medialen Femurkondylen von New Zealand White Rabbits implantiert und im Vergleich zu Leerdefekten (Kontrolltiere) mittels histologischer, histomorphometrischer und µ-computertomographischer (µ-CT) Untersuchungen sowie mit Hilfe der µ-Röntgenfluoreszenzanalyse (µ-RFA) untersucht. Insgesamt wurden 42 Kaninchen (84 mediale Femurkondylen) für die Studie eingesetzt. Die Kontrolltiere und die Tiere mit Mg(OH)2-Zylinder wurden willkürlich in drei Zeitgruppen (2, 4 und 6 Wochen) eingeteilt. Die 3 x 5 mm großen Mg(OH)2-Zylinder wurden in ein 8 mm tiefes Bohrloch in den medialen Femurkondylus eingebracht und ca. 3 mm unterhalb des Knorpelniveaus im spongiösen Knochen platziert. Während der postoperativen Periode wurden die Tiere regelmäßig einer Allgemein- und Lahmheitsuntersuchung unterzogen. Außerdem wurden im Rahmen der polysequentiellen Fluoreszenzmarkierung die Intravitalfarbstoffe Calceingrün und Xylenolorange subkutan injiziert. Im Anschluss an die Euthanasie erfolgte die Entnahme der medialen Femurkondylen mit anschließender Probenbearbeitung. Für die histomorphometrischen Untersuchungen (n = 54 Femurkondylen) wurde ein 500 µm breiter Saumbereich um das Implantat bzw. den Bohrkanalrand als Interessengebiet festgelegt und anhand von drei Färbungen (von Kossa, Toluidinblau, TRAP) und drei Schnitten pro Färbung (100 µm Abstand zueinander) ausgewertet. Zur Beurteilung der Magnesiumverteilung in und um den Mg(OH)2-Zylinder wurden 30 Femurkondylen mittels µ-RFA untersucht und die relativen Konzentrationen von Ca, P und Mg in den Bereichen „Zylinder“, „Zwischenbereich“ und „Bohrkanalrand“ gemessen. Zur Ermittlung der Degradation der Zylinder wurden 56 Femurkondylen mittels µ-CT-Untersuchung auf das bestehende Zylinderrestvolumen untersucht. Die klinischen Untersuchungen zeigten eine gute Verträglichkeit der Mg(OH)2-Zylinder. Bei den histomorphometrischen Untersuchungen der zwei Wochen Gruppen waren kaum Unterschiede zwischen der Kontrollgruppe und der Gruppe mit Mg(OH)2 feststellbar. Vier Wochen post operationem zeigte sich für die Gruppe mit Mg(OH)2-Zylinder ein deutlich höherer bone volume/tissue volume Quotient (BV/TV-Quotient) im Vergleich zur Kontrollgruppe. Nach sechs Wochen post op. war dieser Unterschied noch feststellbar allerdings nicht mehr so deutlich. Die Messung der Osteoid surface (OS) Messung ergab im Vergleich zur Kontrollgruppe deutlich höhere Werte der Mg(OH)2 Gruppen zu den Zeitpunkten vier und sechs Wochen. Ebenso zeigte sich bei den Mg(OH)2 Gruppen nach zwei und vier Wochen eine deutlich geringere Osteoklastenzahl. Die ermittelte mineralisierte Appositionsrate (MAR) zeigte zum zwei Wochen Zeitpunkt bei beiden Gruppen ähnliche Werte. Bei der Kontrollgruppe fiel sie nach vier Wochen ab, während sie in der Gruppe mit Mg(OH)2 konstant blieb und damit signifikant höher lag, als bei der Kontrolle. Des Weiteren zeigte sich im Vergleich zur Kontrolle eine schnellere Osteoid maturation time (Omt) der Mg(OH)2 Gruppe zum vier Wochen Zeitpunkt, während sie zum zwei und sechs Wochen Zeitpunkt annähernd gleich war. Über die µ-RFA Untersuchung der Proben konnte bei den Mg(OH)2-Gruppen zu allen Zeitpunkten eine zum Bohrkanalrand hin abfallende Magnesiumkonzentration innerhalb des Zwischenbereichs gemessen werden. Die Calcium- und Phosphorkonzentrationen verhielten sich gegenläufig zur relativen Magnesiumkonzentration und stiegen zu allen drei Messpunkten an. Im Gegensatz zur Messung der Calcium und Phosphorkonzentration konnte bei den Kontrollen in keiner Probe Magnesium detektiert werden, so dass sich diese Methode für Messungen von Magnesium im Niedrigbereich als ungeeignet erwies. Die µ-CT-Untersuchung zeigte, dass das Korrosionsprodukt Mg(OH)2 vom Körper weiter abgebaut wird. Nach zwei Wochen betrug der Volumenverlust 7 %, nach vier Wochen lag er bei 11 % und nach sechs Wochen bei 19 %. Dies lässt auch eine Freisetzung von Magnesium in das umliegende Gewebe vermuten. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass das Degradationsprodukt Mg(OH)2 einen positiven Einfluss auf das peri-implantäre Knochenremodeling innerhalb der frühen Phase der Knochenheilung hat. Der Mechanismus bleibt jedoch nach wie vor unklar, da dieser Effekt nicht direkt auf Magnesium zurückgeführt werden konnte. Daher sind zukünftig weitere Untersuchungen notwendig um die genauen Wirkmechanismen zu evaluieren.

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Janning, Carla: Auswirkungen eines Magnesiumkorrosionsproduktes (Mg(OH)2) aus degradierbaren Magnesiumimplantaten auf den umliegenden, spongiösen Knochen im Kaninchenmodell. Hannover 2008. Tierärztliche Hochschule.

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