Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Vergleich des Knorpelregenerates über degradablen Magnesiumschwämmen mit einer osteocartilaginären Umkehrplastik sowie einer Leerbohrung im Kaninchenmodell

Reifenrath, Janin

The objective of this study was to investigate in an animal experiment whether subchondrally inserted magnesium sponges are suitable as chondrocyte carrier systems to improve cartilage regeneration in cartilage-bone-defects on the medial femur condyle. In particular, it was the aim to assess the dependence of cartilage regeneration on a biomechanically stable support  of the cartilage defect. A total of 26 rabbits were used in the study. Artificial cartilage-bone-defects were produced in the medial femur condyle and were filled at the subchondral level with a magnesium sponge made of AZ91 alloy (right stifle) and with an osteochondral conversion graft (left stifle). The harvesting site of the conversion graft (patellar groove) remained without filling to serve as a control with natural healing. The cartilage-bone-regeneration areas were assessed macroscopically, biomechanically and histologically after a postoperative period of three months (13 animals) and six months (13 animals). An indentation test was performed for biomechanical assessment. Histologic evaluation of the cartilage-bone-regeneration products was carried out after staining with Safranin O and Von Kossa dye as well as immunhistologic staining of collagen type I and type II. The results of the study show that the applied magnesium sponge was not able to improve cartilage regeneration. The implant did not provide the expected biomechanical stability until completion of bone regeneration. Accumulation of corrosion products as a result of a too rapid onset of corrosion even inhibited the regeneration of bone and cartilage in the area of the defect. Macroscopically, after three and after six months replacement tissue was usually only present in the periphery of the defect above the magnesium implant. Furthermore, four of the 13 animals in the 6 month group showed damage to the surrounding cartilage in addition. Histologically, there was a significantly inferior bony support of the defect as well as a lack of hyaline cartilage. After three as well as after six months, the regenerative tissue above the magnesium implant contained significantly less collagen of type II than the regenerated cartilage in the control defect and above the conversion graft. A positive influence of good bone support on the quality of the regenerated cartilage, was demonstrated histologically in the control defects after three months. High rating of the defect areas in the scoring system according to O´DRISCOLL et al. (1988) correlated with good bony support of the defect, which was displayed as bone area in relation to tissue area. However, primary regeneration of the biomechanically stable bony support in the conversion graft was insufficient to improve cartilage regeneration as compared to the natural healing process in the control defect. Histologically, after three months even significantly lower scores were given to the conversion grafts compared to the control defects. After six months there were no significant differences between these two defect areas. Also the content of collagen of type I and type II showed no significant differences between the control defect and the conversion graft. In none of the defects regenerated hyaline cartilage resembling the original tissue could be identified. Collagen of type I as well as a lower amount of collagen type II were noted compared to healthy cartilage. In conclusion, magnesium sponges made of the alloy AZ91 are not suitable for application in the joint area. Therefore, the challenge remains to improve cartilage regeneration by use of chondrocyte carrier materials or cell-matrix-composites and to search for suitable implants which are porous, degradable and biomechanically stable for a sufficient duration.

In der vorliegenden Arbeit sollte überprüft werden, ob sich subchondral eingebrachte Magnesiumschwämme als Chondrozytenträgermaterialien in Knorpel-Knochen-Defekten zur Verbesserung der Knorpelregeneration eignen. Im Rahmen dieser Fragestellung wurde die Knorpelregeneration über einem Magensiumschwamm mit der Knorpelregeneration über einer osteochondralen Umkehrplastik und der natürlichen Heilung in einem Leerdefekt makroskopisch, biomechanisch und histologisch verglichen. Insbesondere die Abhängigkeit der Knorpelregeneration von der biomechanisch stabilen Unterbauung  des Knorpeldefektes wurde überprüft. Insgesamt wurden 26 Kaninchen in die Untersuchung einbezogen. Für die Untersuchung wurden artifizielle Knorpel-Knochendefekte im medialen Femurkondylus gesetzt, die auf subchondralem Niveau mit einem Magnesiumschwamm aus einer AZ91-Legierung (rechtes Knie) oder mit einer osteochondralen Umkehrplastik (linkes Knie) aufgefüllt wurden. Der Entnahmedefekt der Umkehrplastik verblieb als Kontrolle der natürlichen Heilung leer. Die Knorpelregenerate wurden nach postoperativen Beobachtungszeiträumen von drei Monaten (13 Tiere) und sechs Monaten (13 Tiere) makroskopisch, biomechanisch und histologisch beurteilt. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigten, dass der eingesetzte Magnesiumschwamm die Knorpelregeneration nicht verbessern konnte. Die erwartete biomechanische Stabilität der subchondralen Knochenplatte durch das Implantat bis zum knöchernen Ersatz war nicht gegeben. Zu schnell einsetzende Korrosion und Degradation führten sogar zu einer Behinderung der knöchernen und knorpeligen Regeneration im Defektbereich durch die anfallenden Korrosionsprodukte. Makroskopisch war über dem Magnesiumimplantat sowohl nach drei als auch nach sechs Monaten lediglich in Teilbereichen des Defektes Ersatzgewebe vorhanden, histologisch zeigte sich signifikant schlechtere knöcherne Unterbauung des Defektbereiches sowie das Fehlen von hyalinartigem Knorpel. Der Defektbereich über dem Magnesiumimplantat enthielt sowohl nach drei als auch nach sechs Monaten signifikant weniger Kollagen vom Typ II als der Leerdefekt und der Defekt über der Umkehrplastik. Dass eine gute knöcherne Unterbauung positive Auswirkungen auf die Qualität des Knorpelregenerates hat, konnte histologisch nach drei Monaten im Leerdefekt gezeigt werden. Hohe Bewertung der Defektbereiche im Scoresystem nach O´DRISCOLL et al. (1988) korrelierten mit guter knöcherner Unterbauung des Defektes, welche als Bone Area im Verhältnis zur Tissue Area dargestellt wurde. Jedoch hat die alleinige Wiederherstellung des biomechanisch stabilen knöchernen Unterbaus, wie sie bei der Umkehrplastik erfolgte, nicht ausgereicht, um die Knorpelregeneration gegenüber der natürlichen Heilung zu verbessern. Es wurden histologisch nach drei Monaten sogar signifikant geringere Scorewerte bei der Umkehrplastik im Vergleich zum Leerdefekt festgestellt, nach sechs Monaten waren keine signifikanten Unterschiede zwischen beiden Defektbereichen mehr vorhanden. Auch der Kollagen vom Typ I und vom Typ II Gehalt wies zwischen dem Leerdefekt und der Umkehrplastik keine signifikanten Unterschiede auf. Vermutlich müssen neben optimalen biomechanischen Eigenschaften andere Faktoren, wie eine optimale Versorgung mit mesenchymalen Zellen gewährleistet sein, die bei der Umkehrplastik durch dichten Abschluss zum Knochenmark nicht gegeben waren. Dem ursprünglichen Gewebe entsprechende hyaline Knorpelregenerate konnten in keinem der Defekte nachgewiesen werden. In allen Defektbereichen war Kollagen vom Typ I nachweisbar und die mittlere Bewertung nach dem Scoresystem von O´DRISCOLL et al. (1988) lieferte in keinem der Defektbereiche sowohl nach drei als auch nach sechs Monaten mehr als elf von 24 möglichen Punkten. Fazit ist, dass sich Magnesiumschwämme der Legierung AZ91 nicht für den Einsatz im gelenknahen Bereich eignen. Es bleibt also weiterhin eine Herausforderung, die Knorpelregeneration durch Chondrozytenträgermaterialien oder Zell-Matrix-Komposite zu verbessern und für diese Indikation nach geeigneten porösen, degradablen und biomechanisch über einen längeren Zeitraum stabilen Implantaten zu suchen

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Reifenrath, Janin: Vergleich des Knorpelregenerates über degradablen Magnesiumschwämmen mit einer osteocartilaginären Umkehrplastik sowie einer Leerbohrung im Kaninchenmodell. Hannover 2005. Tierärztliche Hochschule.

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