Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Resorbierbares metallisches Osteosynthesematerial (RemOs)

Switzer, Elinor Natalie

In the present investigation, as part of the cooperative research project „Resorbable metallic osteosynthesis material - RemOs“ supported by the BMBF, four magnesium alloys (AZ31, AZ91, WE43, LAE442) were compared to the reference materials titanium and PLA regarding their properties as a biodegradable osteosynthesis material in a pilot study using a guinea pig model. Pins made of the magnesium alloys and the reference materials, respectively, were implanted intramedullarly into both femurs of twelve animals each. In addition to clinical follow-up, radiographic examinations of the femurs was carried out regularly. Using a scoring system, gas production, implant degradation and bone proliferation were evaluated. Half of the animals was euthanised after six weeks (6W-group), the other after 18 weeks (18W-group). Post mortem the femurs were examined histologically via fluorescence histomorphometry and in toluidine blue stain to evaluate formation of new bone, the bone-implant interface as well as possible collagen deposits as a sign of a foreign body reaction near the implant. Furthermore, computertomographic measurement of the femur diameters as well as a quantification of the magnesium content in kidneys, CNS, muscle and bone of the guinea pigs was carried out in the 18W-group. Radiographically AZ31 and AZ91 displayed significant formation of gas which was most pronounced in the second week postoperatively and which was almost completely resorbed at six weeks postoperatively. Femurs with the alloys WE43 and LAE442 had significantly less gas development. However, in the case of WE43 small gas bubbles remained visible in some cases until ten weeks postoperatively. Regarding implant degradation, more than 50 % of the pins were already completely degraded after six weeks in the groups with AZ31 and AZ91, whereas none of the pins in the groups with WE43 and LAE442 were completely degraded at this time point. In the LAE442 group, only one pin showed complete degradation radiographically in the tenth week postoperatively. After 18 weeks all AZ31 and AZ91 implants, except for one in each group, were completely degraded. In the LAE442 group remnants of two implants were visible. In the WE43 group three remained visible. In all four alloy groups, bone proliferation of the femurs could be detected clinically three weeks postoperatively and was seen radiographically four and five weeks postoperatively, respectively. Eighteen weeks postoperatively this proliferation was severe (score 2) in nearly all femurs of the alloys AZ31, AZ91 and WE43. However, in the LAE442 group only three of twelve femurs had severe proliferation (score 2) and half of the femurs had slight proliferation (score 1). No gas formation, implant degradation or bone proliferation was noted in any of the animals with titanium or PLA. Computertomographic measurement of the femurs of the 18W-group showed that the diaphyseal femur diameters in all four groups with magnesium alloys were between 0.1 and 0.3 mm increased in the proximal half compared to femurs with titanium and PLA implants. Fluorescence histomorphometry also revealed significantly increased formation of new bone in femurs with magnesium alloys compared to the reference material PLA. Femurs with LAE442 implants showed the smallest mineralised bone area after six and 18 weeks (27,78 and 26,35 mm2), respectively, while AZ31 and WE43 had the highest mean values after six (39,64 and 31,72 mm2, respectively) and after 18 weeks (38,07 and 39,72 mm2, respectively) of implantation. LAE442 displayed the least reduction in implant area comparable to that of PLA. In toluidine blue staining, there were no or very few collagen fibers near the implants made of magnesium alloys and newly formed bone was seen in direct contact to the implants or filled the bone cavity entirely after complete implant degradation.  In contrast, PLA implants showed no or only slight signs of degradation after 18 weeks in the guinea pig femur and they were surrounded by a collagen fiber capsule in the majority of cases. There was no statistically significant difference between the groups with magnesium alloys compared to those with titanium and PLA regarding the magnesium content in kidney, CNS, muscle and bone after eighteen weeks.

In der vorliegenden Arbeit wurden im Rahmen eines BMBF-geförderten Verbundprojektes „Resorbierbares metallisches Osteosynthesematerial - RemOs“ in einer Pilotstudie vier Magnesiumlegierungen (AZ31, AZ91, WE43, LAE442) im Vergleich zu den Kontrollmaterialien Titan und PLA hinsichtlich ihres Resorptionsverhaltens als biodegradables Osteosynthesematerial im Meerschweinchenmodell untersucht. Die intramedulläre Implantation von Stiften aus den Magnesiumlegierungen bzw. den Kontrollmaterialien erfolgte in beide Femora von jeweils zwölf Tieren. Neben einer klinischen Verlaufskontrolle erfolgte in regelmäßigen Abständen eine röntgenologische Untersuchung der Femora. Dabei wurden jeweils anhand eines Scores Gasbildung, Stiftresorption und knöcherne Zubildung beurteilt. Die Hälfte der Tiere wurde nach sechs Wochen euthanasiert (6W-Gruppe), die andere nach 18 Wochen (18W-Gruppe). Post mortem erfolgte eine histologische Untersuchung der Femora durch Fluoreszenzhistomorphometrie und in Toluidinblau-Färbung, um die Knochenneubildung, das Knochenanwachsverhalten sowie mögliche Kollagenansammlungen als Ausdruck einer Fremdkörperreaktion in der Umgebung des Implantates zu beurteilen. In der 18W-Gruppe erfolgten ausserdem eine computertomographische Vermessung der Femoradurchmesser sowie eine Bestimmung des Magnesiumgehaltes in Niere, ZNS, Muskulatur und Knochen der Meerschweinchen. In der röntgenologischen Beurteilung zeigten AZ31 und AZ91 eine deutliche Gasentwicklung, die in der 2. Woche postoperativ am stärksten und bei der Röntgenkontrolle in der 6. Woche postoperativ nahezu vollständig resorbiert war. Bei den Femora  mit den Magnesiumlegierungen WE43 und LAE442 war die Gasansammlung deutlich geringer, bestand jedoch bei WE43 in einigen Fällen auch bei der Röntgenkontrolle zehn Wochen postoperativ. Hinsichtlich der Stiftresorption waren bei AZ31 und AZ91 bereits nach sechs Wochen über 50 % der Stifte vollständig aufgelöst, während bei WE43 und LAE442 zu diesem Zeitpunkt noch kein Stift vollständig resorbiert war. In der LAE442-Gruppe zeigte erst in der 10. Woche postoperativ ein einzelner Stift vollständige Auflösung. Nach 18 Wochen waren bei AZ31 und AZ91 bis auf jeweils eine Ausnahme alle Stifte vollständig resorbiert. Bei LAE442 waren noch von zwei Stiften Reste vorhanden und bei WE43 waren es drei. Bei allen vier untersuchten Legierungen zeigte sich klinisch ab der 3. Woche und röntgenologisch ab der 4. bzw. 5. Woche postoperativ eine knöcherne Zubildung an den Femora. Achtzehn Wochen postoperativ waren die Zubildungen bei den Legierungen AZ31, AZ91 und WE43 bei nahezu allen Femora hochgradig (Score 2). Nur bei LAE442 wiesen zu diesem Zeitpunkt nur drei von zwölf Femora hochgradige Zubildungen (Score 2) auf und die Hälfte der Femora zeigte nur leichte Verdickungen (Score 1). Bei Titan und PLA wurde in keinem Fall eine Gasansammlung, Stiftauflösung oder knöcherne Zubildung beobachtet. Bei der computertomographischen Vermessung der Femora der 18W-Gruppe zeigte sich, dass im Gegensatz zu den Femora mit Titan und PLA in allen vier Magnesiumlegierungsgruppen der Durchmesser der Femurdiaphysen im proximalen Bereich zwischen 0,1 und 0,3 mm dicker war. Die Fluoreszenzhistomorphometrie zeigte ebenfalls eine deutlich stärkere Knochenneubildung bei Femora mit den Magnesiumlegierungen im Gegensatz zu dem Kontrollmaterial PLA. Dabei wiesen innerhalb der Gruppe der Magnesiumlegierungen Femora mit Stiften aus LAE442 nach sechs bzw. 18 Wochen die geringste mineralisierte Knochenfläche (27,78 bzw. 26,35 mm2) auf, während AZ31 und WE43 sowohl nach sechs- als auch nach achtzehnwöchiger Implantation die höchsten Mittelwerte (39,64 bzw. 38,07 und 31,72 bzw. 39,72 mm2) zeigten. LAE442 wies von den Magnesiumimplantaten die geringste Reduktion der Implantatfläche auf, die derjenigen von PLA nahe kam. In der Toluidinblaufärbung zeigten die Magnesiumlegierungen keine oder nur geringe Ansammlung von Kollagenfasern im Bereich des Implantates während das neu gebildete Knochengewebe bis an das Implantat heranwuchs bzw. nach vollständiger Implantatdegradation die Markhöhle komplett ausfüllte.  Im Gegensatz dazu zeigten die Implantate aus PLA im Meerschweinchenfemur auch nach achtzehnwöchiger Implantation keine oder nur geringe Auflösungserscheinungen und waren in der Mehrzahl der Fälle von einem Kollagenring umgeben. Hinsichtlich der Magnesiumkonzentration in Niere, ZNS, der Muskulatur sowie im Knochen nach achtzehnwöchiger Implantation bestand kein statistischer Unterschied zwischen den Gruppen mit Magnesiumlegierungen und denen mit Titan und PLA.

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Switzer, Elinor Natalie: Resorbierbares metallisches Osteosynthesematerial (RemOs). Hannover 2005. Tierärztliche Hochschule.

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