Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Untersuchung der Degradation und Biokompatibiblität von degradablen, intramedullären Implantaten auf Magnesiumbasis im Kaninchenmodell

Krause, Annett

In the present work, implants from three different magnesium alloys were to be evaluated which, following preliminary examination of their biocompatibility, their degradation behaviour and their mechanical properties, could be suitable for applications as degradable metallic implants in orthopaedic surgery. For this research, the three extruded magnesium alloys LAE442, MgCa0.8 and WE43 were analyzed and compared with the conventional implant materials titanium and PLA. A total of 42 rabbits were operated on for the research. For each magnesium alloy ten animals and for the comparative materials, titanium and PLA, six animals each were used. One cylindrical pin of the five materials (length 2.5 cm, diameter 2.5 mm or 2.0 mm for PLA resp.) was implanted intramedullary into the tibiae. For one half of each group of materials, the postoperative period was three, for the other half it was six months. During the duration of the experiments regular clinical and radiological controls were carried out on the test specimens. At the end of the experiment, the animals were euthanized and the tibiae explanted. The implants from the left tibiae were assessed using light- and scanning electron microscopy including an EDX-analysis. In addition to this, the weight and volume of the pins were determined; µ-computertomographical examinations as well as three point bending tests were carried out on the pins. The implants from the right tibiae remained in the implant-bone-system and were examined both in the µCT and histologically. An EDX-analysis of histological cross-sections served as a supplementary examination of the degradation layer. The results of these comprehensive examinations showed that, compared with MgCa0.8 and WE43, LAE442 proved to be the best of the three magnesium alloys examined regarding biocompatibility, mechanical properties as well as degradation. Within six months, degradation was most advanced in MgCa0.8; LAE442 however, showed a slower development. The implants from LAE 442 degraded evenly, beginning at the periphery. WE43 and, particularly clearly, MgCa0.8 showed an uneven degradation in the form of pitting corrosion. With all magnesium alloy implants, there was a degradation layer whose thickness increased with increasing implantation time. The layer was composed of calcium and phosphorus as well as the corresponding alloy specific elements. A concentration of rare earth elements in the form of precipitates in this layer as well as an increased content of these elements in the medullary cavity and in the bone - compared to the implant - could be detected. A production of gas, accompanying the degradation, could only be verified histologically and µ-computertomographically. The transport of gas was made via macrophages and large body cells. A too rapid degradation process, as can be seen with MgCa0.8 and WE43, led to larger changes in the bone structure in the form of periostal and endostal remodelling as well as the formation of bone cavities. LAE442, which showed a slow and homogenous degradation, exhibited similarly good properties as titanium and PLA with respect to biocompatibility. In the histological, SEM and µCT examinations, new formations of bone in the medullary cavity and directly on the degradation layer could be detected with all magnesium alloys. Titanium and PLA also showed a new peri-implant bone formation often appearing as a ring-shaped coat on the pin. PLA exhibited, by far, the strongest fibrous tissue around the implant. The results of the mechanical testing showed that LAE442 had the best values with respect to the initial mechanical strength; MgCa0.8 however exhibited advantages by retaining ductility during increasing implantation time. WE43 possessed the poorest and most inhomogeneous mechanical properties. Although LAE442 proved superior to the two other magnesium alloys, follow-up investigations with a longer implantation time will be required to examine the long-term effect on the bone and the enhanced degradation behaviour.

In der vorliegenden Arbeit sollten Implantate aus drei verschiedenen Magnesiumlegierungen, die sich nach Voruntersuchungen zur Verwendung als degradables metallisches Osteosynthesematerial eignen könnten, hinsichtlich ihrer Biokompatibilität, ihres Degradationsverhaltens und der mechanischen Eigenschaften geprüft werden. Für diese Fragestellung wurden die drei Magnesiumlegierungen LAE442, MgCa0,8 und WE43 im stranggepressten Zustand im Vergleich zu den konventionellen Osteosynthesematerialien Titan und PLA untersucht. Insgesamt wurden 42 Kaninchen für die Untersuchungen operiert. Für jede Magnesiumlegierung wurden zehn, für die Vergleichsmaterialien Titan und PLA je sechs Tiere verwendet. Jeweils ein zylinderförmiger Pin der fünf Materialien (Länge 2,5 cm, Durchmesser 2,5 mm bzw. 2 mm bei PLA) wurde in die Markhöhle beider Tibiae implantiert. Für die eine Hälfte jeder Materialgruppe betrug der postoperative Beobachtungszeitraum drei, für die andere Hälfte sechs Monate. Während der Versuchsdauer erfolgten regelmäßige klinische und radiologische Verlaufskontrollen. Am Ende des Versuchs wurden die Tiere euthanasiert und die Tibiae explantiert. Die Implantate der linken Tibiae wurden licht- und rasterelektronenmikroskopisch einschließlich einer EDX-Analyse beurteilt. Zusätzlich wurden mit den Pins Gewichts- und Volumenbestimmungen, µ-computertomographische Untersuchungen sowie Dreipunktbiegeversuche durchgeführt. Die Implantate der rechten Tibiae verblieben im Implantat-Knochenverbund und wurden im µ-Computertomographen (µCT) und histologisch untersucht. Eine EDX-Analyse histologischer Querschnitte diente der ergänzenden Untersuchung der Degradationsschicht. Die Ergebnisse der umfassenden Untersuchungen zeigten, dass sich LAE442 im Vergleich zu MgCa0,8 und WE43 hinsichtlich der Biokompatibilität, der mechanischen Eigenschaften sowie der Degradation als die beste der drei untersuchten Magnesiumlegierungen erwies. Die Degradation war innerhalb von sechs Monaten am weitesten bei MgCa0,8 fortgeschritten, LAE442 zeigte dagegen einen langsameren Verlauf. Die Implantate aus LAE442 degradierten gleichmäßig vom Rand aus. Bei WE43 und besonders deutlich bei MgCa0,8 zeigte sich die Degradation ungleichmäßig in Form von Lochfraß. Bei den Implantaten aller Magnesiumlegierungen konnte die Ausbildung einer Degradationsschicht festgestellt werden, deren Dicke mit fortschreitender Implantationsdauer zunahm. Sie setzte sich aus Kalzium und Phosphor sowie den jeweiligen legierungsspezifischen Elementen zusammen. Eine Anreicherung der Seltenen Erden-Elemente in Form von Ausscheidungen in dieser Schicht, sowie ein gegenüber dem Implantat erhöhter Gehalt dieser Elemente in der Markhöhle und im Knochen konnten festgestellt werden. Eine mit der Degradation einhergehende Gasbildung konnte nur histologisch und µ-computertomographisch nachgewiesen werden, wobei der Abtransport über Makrophagen und Riesenzellen erfolgte. Eine zu schnelle Degradation, wie sie bei MgCa0,8 und WE43 zu beobachten war, führte zu stärkeren Veränderungen in der Knochenstruktur in Form von periostalem und endostalem Remodeling sowie der Ausbildung von Knochenkavitäten. LAE442, welches einen langsamen und gleichmäßigen Abbau zeigte, wies ähnlich gute Eigenschaften in Bezug auf die Biokompatibilität auf, wie Titan und PLA. In Untersuchungen der Histologie, REM und µCT konnte bei allen Magnesiumlegierungen eine Knochenneubildung in der Markhöhle und direkt auf der Degradationsschicht nachgewiesen werden. Titan und PLA zeigten ebenfalls eine periimplantäre Knochenneubildung, wobei sich diese oft als ringförmige Ummantelung des Pins darstellte. Bei PLA war mit Abstand die stärkste periimplantäre Bindegewebsbildung festzustellen. Die Ergebnisse der mechanischen Untersuchungen zeigten, dass LAE442 bezüglich der Ausgangsfestigkeit die besten Werte hatte, MgCa0,8 hingegen Vorteile durch die mit zunehmender Implantationszeit gleich bleibende Duktilität aufwies. WE43 besaß die schlechtesten und inhomogensten mechanischen Eigenschaften. Obwohl sich LAE442 gegenüber den beiden anderen Magnesiumlegierungen als überlegen zeigte, sind nachfolgende Untersuchungen mit längerer Implantationszeit notwendig, um die Langzeitwirkung auf den Knochen und das weitere Degradationsverhalten zu untersuchen.

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Krause, Annett: Untersuchung der Degradation und Biokompatibiblität von degradablen, intramedullären Implantaten auf Magnesiumbasis im Kaninchenmodell. Hannover 2008. Tierärztliche Hochschule.

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