Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Einfluss der Oberflächenbearbeitung von resorbierbaren Knochenimplantaten aus Magnesium-Calcium-Legierungen auf das Degradationsverhalten im Kaninchenmodell

Höh, Nina

Aim of this study was to investigate, if different surface machining treatments of resorbable magnesium-alloy-implants for osteosynthesis influence their in vivo degradation behaviour. First a pilot study was performed with four different magnesium-calcium-alloys ((MgCa0.4, MgCa0.8, MgCa1.2 and MgCa2.0). Cylinders (3 x 5 mm) were produced and differently machined which resulted in three smooth, rough and sandblasted implants of each alloy. Additionally three threaded cylinders of the alloy MgCa0.8 were produced. All implants were inserted into the medial femoral condylus of both hind legs of New Zealand White rabbits for six weeks. They were examined clinically daily and radiographs in two levels were taken weekly. After euthanasia the bone-implant-compound was scanned in a micro-computed tomograph. Embedded cross sections were used to perform energy dispersive x-ray analysis for element identification. Independent of their surface or calcium concentration all implants were well tolerated. Only MgCa1.2-implants showed higher amounts of dehiscence of suture. Smooth implants degraded slowly and uniformly, sandblasted implants faster and with a clearly visible loss of structure. They showed the highest integration into the surrounding bone tissue. Rough implants degraded very inhomogeneously. Threaded cylinders showed irregular degradation margins where thread pitches were situated. Radiographs revealed a gas formation in a total of eight limbs. Limbs with sandblasted implants were affected predominantly. EDX-analysis showed a clearly visible degradation layer at all implants. It contained phosphorus and calcium. Magnesium was detectable in the bone around the implants. The results of this pilot study and in vitro examinations led to the investigation of smooth and sandblasted implants of MgCa0.8 in a comprehensive study. Considering the prospective use of magnesium alloys as screws for osteosynthesis threaded cylinders were included, too. Sixteen implants of each surface were produced and implanted according to the pilot study. Eight cylinders remained for three and six weeks, respectively. Examinations also corresponded to the pilot study. Histology was added to investigate foreign body reactions. The comprehensive study confirmed the good tolerance of the implants. In contrast to the pilot study smooth implants showed the best integration into the surrounding bone tissue. Sandblasted implants degraded the fastest and showed the worst integration into the bone. Pitting corrosion of margins characterized the degradation of the threaded cylinders as shown in the pilot study, too. Radiographs also revealed a gas formation in 18 limbs, whereas sandblasted (n = 10) and threaded (n = 7) cylinders were affected predominantly. All investigated implants showed a clearly visible degradation layer containing phosphorus and calcium. Also magnesium was detectable in the bone around the implant site. Histological examinations showed a good biocompatibility and only sporadic occurrence of foreign body cells. They could be found mostly in the faster degrading sandblasted implants. Evacuation of implant material was cell-mediated. Independent of the surface numerous macrophages with ingested implant material could be found. In summary the investigations showed that the degradation behaviour, in particular the degradation pace, could be controlled by different surface machining treatments. Smooth surfaces are more suitable for osteosynthesis implants, because they cause a slower degradation. This results in an obvious decrease of gas formation and a better biocompatibility.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es zu untersuchen, ob eine unterschiedliche Bearbeitung der Oberflächen von resorbierbaren Magnesium-Calcium-Knochenimplantaten deren in vivo-Degradationsverhalten beeinflusst. Zu diesem Zweck wurden zunächst in einer Pilotstudie aus vier unterschiedlichen Magnesium-Calcium-Legierungen (MgCa0,4, MgCa0,8, MgCa1,2 und MgCa2,0) 3 x 5 mm große Zylinder hergestellt und unterschiedlich bearbeitet. So entstanden jeweils drei Implantate jeder Legierung mit glatter, rauer und gestrahlter Oberfläche sowie drei Gewindezylinder der Legierung MgCa0,8. Diese Implantate wurden für sechs Wochen in die medialen Femurkondylen beider Gliedmaßen von New Zealand White Kaninchen eingesetzt. Tägliche klinische und orthopädische sowie wöchentliche Röntgenuntersuchungen wurden während der Versuchsdauer durchgeführt. Nach der Euthanasie wurde der Knochen-Implantat-Verbund im µ-Computertomographen gescannt und von in Kunststoff eingebetteten Querschnitten energiedispersive Röntgenspektroskopien (EDX) zur Elementbestimmung durchgeführt. Die Implantate waren unabhängig von der verwendeten Calciumkonzentration und der Oberflächenbearbeitung gut verträglich, wobei bei der Legierung MgCa1,2 vermehrt Nahtdehiszenzen auftraten. Glatte Implantate degradierten insgesamt langsam und gleichmäßig, gestrahlte Zylinder schneller mit einem deutlichen Formverlust. Sie zeigten jedoch die beste Integration in den Knochen. Die rauen Implantate zeigten ein sehr inhomogenes Degradationsverhalten. Die Gewindezylinder zeigten eine unregelmäßige Degradation an den Rändern im Bereich der Gewindeflanken. Insgesamt acht Gliedmaßen zeigten röntgenologisch sichtbare Gasbildungen. Hier waren besonders Gliedmaßen mit gestrahlten Implantaten betroffen. Bei allen Implantaten zeigte die EDX-Untersuchung das Vorhandensein von Phosphor und Calcium in einer deutlich sichtbaren Degradationsschicht und Magnesium im Bereich des Knochens. Aufgrund der Ergebnisse der Pilotstudie und unter Einbeziehung von in vitro-Untersuchungen wurde für die Hauptstudie die Magnesium-Legierung MgCa0,8 ausgewählt. Aus dieser Legierung wurden jeweils 16 glatte und gestrahlte Implantate hergestellt. Außerdem wurden mit Blick auf die später angestrebte Anwendung als Osteosyntheseschraube 16 MgCa0,8-Gewindezylinder in die Untersuchungen der Hauptstudie mit einbezogen. Die Implantate wurden ebenfalls in die medialen Femurkondylen beider Hintergliedmaßen von Kaninchen eingesetzt und jeweils die Hälfte verblieb für drei bzw. sechs Monate im Knochen. Die Untersuchungsmethoden entsprachen der Pilotstudie. Zusätzliche wurden histologische Untersuchungen zur Bestimmung von Fremdkörperreaktionen angeschlossen. Die Hauptstudie bestätigte die gute Verträglichkeit der Implantate. Die glatten Zylinder degradierten gleichmäßig und am langsamsten. Sie zeigten im Gegensatz zur Pilotstudie die beste Integration ins umliegende Knochengewebe. Die gestrahlten Implantate degradierten am schnellsten und zeigten die schlechteste Integration in den Knochen. Die Degradation der Gewindezylinder erfolgte wie in der Pilotstudie mit lochfraßartigen Veränderungen an den Rändern. Es kam in 18 Fällen zu einer röntgenologisch nachweisbaren Gasbildung. Hier waren vorwiegend Gliedmaßen mit gestrahlten Implantaten und Gewindezylinder betroffen. Auch in der Hauptstudie waren in der Degradationsschicht Phosphor und Calcium und im Bereich des Knochens Magnesium zu detektieren. Die Histologie zeigte insgesamt eine gute Biokompatibilität mit nur vereinzelten Fremdkörperzellen. Sie traten jedoch vermehrt bei den schneller degradierenden, gestrahlten Zylindern auf. Der Abtransport des Implantatmaterials erfolgte zellvermittelt. Oberflächenunabhängig konnten zahlreiche Makrophagen mit phagozytiertem Material nachgewiesen werden. Insgesamt konnten die Untersuchungen zeigen, dass über eine Oberflächenbearbeitung das Degradationsverhalten insbesondere die Degradationsgeschwindigkeit gesteuert werden kann. Für eine Implantation im Knochen ist eine glatte Oberfläche günstiger, da ein solches Implantat langsamer degradiert, was in einer deutlich verminderten bis fehlenden Gasbildung im Verlauf des Abbaus und besseren Biokompatibilität resultiert.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Höh, Nina: Einfluss der Oberflächenbearbeitung von resorbierbaren Knochenimplantaten aus Magnesium-Calcium-Legierungen auf das Degradationsverhalten im Kaninchenmodell. Hannover 2008. Tierärztliche Hochschule.

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export