Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Optimierung der Plattenosteosynthese mit Hydroxylapatit beschichteten AO/ASIF Schrauben nach Defektosteotomie

Bremer, Claudia Melanie

Fixation strength and stability is mainly based on the power of the bone screw interface. Early loosening of the fixation strength, after fracture healing has just started, might cause the complete lost of stability and success itself. New technologies and sorts of surface textures are the results for the possibility to design new implants without reducing their fixation power and mechanical effect. Coating screws with hydroxylapatite, which only may be little resorbed, might induce new bone remodeling by coming up right at the surface of the implant without building tissue. These facts are reasonable for having a real stable loadable bone implant construction. During this own study it should be evaluated if a better bone screw contact by using HA-coated implants might lead to an increased stability in maximum loaded osteosyntesis fracture model. HA-coated and non coated titanium monocortical head locking screws are compared with each other especially in fixation strength and bone healing after insertion the right tibia of sheep. Running a first essay with three sheep a 2 cm defect was made and fixed by using an eight hole LCP and three screws on each fragment. After having two complete pullouts of implant in the proximate part during first week after operation new details were given by starting the main study. There were two groups (Testgroup B coated, n=4 & controllgroup A, uncoated n=4). The gap was reduced to 5 mm and a 9 hole LCP with 8 headlocking screws was implanted. In contrast that there should be 8 sheep in each group, complications came up like in first essay, and the operations were stopped according to ethos. In spite of it the statement of the problem, especially the assessment of the bone screw interfaces may be analyzed sufficient. Monitored results were compared on a clinical, biomechanical, histological and radiological way and statistic tests were made to show obvious facts. Especially exertion torque of HA-coated screws showed 5 times higher bone implant fixation strength than the fixation of uncoated head locking screws (group A: 0.474 ± 0.588; group B: 2,408 ± 1,435). The histological tests also showed a better insertion healing of coated screws without having a gap of fibrous tissue. According to biomechanical tests of fracture healing and the comparison of the x-rays there were not realized any important differences. The number of used sheep seems to be very little. But already these few tests showed high significant differences of mechanical fixation strength and bone healing between both groups of operated sheep. With regard to animal prevention it was not possible to continue the tests further on. Obviously HA-coated screws induce a better osteointegration and better fixation strength by good bone healing, which might resist relative movements between bone-screw interface. As a result of this the head locking screws can resist axial and especially vertical loading conditions a better way and show a great improvement according to new technique used in osteosynthesis

Die Stabilität einer Osteosynthese basiert wesentlich auf der Haltekraft der implantierten Schrauben. Die vorzeitige Lockerung von Osteosyntheseschrauben führt nach Frakturversorgung nicht selten zum Verlust der primären Stabilität und gefährdet damit den Erfolg der Osteosynthese selbst. Neue Techniken ermöglichen die Beschichtung von Implantatoberflächen mit unterschiedlichen Materialien, ohne deren mechanischen Eigenschaften zu reduzieren. Die Hydroxylapatitbeschichtung als eine nur wenig resorbierbare Kalzium-Phosphatkeramik, kann eine Knochenneubildung induzieren. Diese Ossifikation erreicht die HA-Oberfläche ohne bindegewebige Zwischenschicht und führt zu einer stabilen, mechanisch stark belastbaren Verbindung. In dieser eigenen Studie sollte evaluiert werden, ob der bessere Knochen-Schrauben-Verbund bei Verwendung hydroxylapatitbeschichteter Implantate zu einer höheren Stabilität der Osteosynthese und zu einer verbesserten Heilung im Frakturmodell unter Vollbelastung führt. Dazu wurde in dieser tierexperimentellen Untersuchung die Haltekraft und knöcherne Einheilung von 5,0 mm monokortikalen Kopfverriegelungsschrauben mit gleichartigen hydroxylapatitbeschichteten unter physiologischer Belastung bei Schafen verglichen. In einem Pilotversuch wurde bei drei Tieren ein 2 cm großer Osteotomiedefekt an der rechten Schaftibia mit einer 8-Loch-LCP und sechs Kopfveriegelungsschrauben überbrückt. Bei zwei Schafen trat innerhalb der ersten Woche post operationem ein Ausriss aller Schrauben aus dem proximalen Knochenfragment auf, welcher eine Euthanasie und eine Modifikation der Versuchsanordnung erforderlich machte. In der Hauptuntersuchung wurde bei vier Schafen nach Setzten eines 5 mm Osteotomiedefekts eine 9-Loch-LCP mit acht hydroxylapatitbeschichteten monokortikalen Kopfveriegelungsschrauben (Gruppe B) und bei vier Schafen eine Fixation mit unbeschichteten monokortikalen Kopfverriegelungsschrauben durchgeführt (Gruppe A). Entgegen der geplanten Gruppengröße von je acht Schafen, musste ein Tier aus Gruppe A und zwei aus Gruppe B innerhalb der ersten Woche post operationem euthanasiert werden, da sich die gleichen Komplikationen wie im Pilotversuch ergeben hatten. Aufgrund dieser Ereignisse wurden die geplanten Operationen aus ethischen Gründen nicht weiter durchgeführt. Für die Fragestellung, insbesondere für die Beurteilung des Knochen-Schrauben-Interfaces, verblieben genügend Tiere im Versuch.   Die Ergebnisse der Studie wurden in beiden Gruppen klinisch, radiologisch, morphologisch, biomechanisch und histologisch ausgewertet und miteinander verglichen. Bei der Messung der Ausdrehmomente, der verwendeten Schrauben ergab sich im Mittel eine 5-mal höhere Festigkeit des Schrauben-Knochen-Interfaces bei den HA-beschichteten Implantaten (Gruppe A: 0.474 ± 0.383; Gruppe B: 2,408 ± 1,435). Diese Erkenntnisse konnten ebenfalls histologisch eindeutig bestätigt werden. Bei den histologischen Untersuchungen zeigte sich am gesamten Schrauben-Knochen-Interface eine Knochenneubildung bis zur HA-Oberfläche der Schraube ohne mesenchymale Zwischenschicht, bei Anwendung der unbeschichteten Kopfverriegelungsschrauben hingegen eine bindegewebige Schicht mit ausgedehnten Resorptionslakunen im Bereich der eingedrehten Schrauben. Bei der biomechanischen Beurteilung der Frakturheilung (Torsionstest) und den radiologischen Untersuchungen konnten keine signifikanten Unterschiede zwischen den Probanden von Gruppe A und B festgestellt werden. Die Zahl der verwendeten Versuchstiere erscheint zunächst gering. Die statistische Auswertung ist aufgrund der geringen Anzahl von Tieren prinzipiell nur bedingt möglich. Jedoch lassen sich statistisch bereits nach dieser Serie hochsignifikante Unterschiede in der mechanischen Haftfestigkeit und in der knöchernen Einheilung zwischen den unbeschichteten Kopfverriegelungsschrauben und den Beschichteten feststellen, so dass unter Berücksichtigung des Tierschutzgesetzes eine Fortführung des Versuches mit größeren Tierzahlen nicht vertreten werden konnte. Die vollständige knöcherne Ummantelung der hydroxylapatitbeschichteten Schrauben führt offensichtlich zu einer festen knöchernen Verankerung, die durch Relativbewegungen zwischen den einzelnen Grenzschichten nicht zerstört wird. Daraus resultiert, dass das verbesserte Schrauben-Knochen-Interface mit Hilfe der Kopfverriegelungsschrauben den neuartigen kritischen Belastungsbedingungen nicht nur bei axialer, sondern auch bei extremer, vertikaler Belastung der Schrauben standgehalten hat.

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Bremer, Claudia Melanie: Optimierung der Plattenosteosynthese mit Hydroxylapatit beschichteten AO/ASIF Schrauben nach Defektosteotomie. Hannover 2004. Tierärztliche Hochschule.

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