Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Untersuchungen zur Optimierung von Osteosynthesen am Beispiel hydroxylapatit-beschichteter Fixateur-externe-Pins

Tebart, Ursula

In the present work it has been verified whether osseointegration can be improved by hydroxyapatite (HA), comparing the uncoated XCaliber-screw/-pin and the coated XCaliber Osteo Tite screw/pin after femoral implantation. The influence of the HA on the soft tissue has been examined by an additional coating of the pin shank of the XCaliber Osteo Tite screw/pin. The impact of pin design and HA coating on the bone healing has been studied by the implantation of the XCaliber Osteo Tite screw/pin in comparison to the Standard Osteo Tite screw/pin. In a first experiment fixateur externe pins were inserted into both femora of three sheep by stab incesions. The pins were shortened to 2 cm above skin level. Since they were a mechanical and painful handicap these animals were euthanised. In a second experiment two sheep were operated on only one femur. Infections of the pin insertions gave rise to keep the pins below the skin surface. Under general anesthesia of ten adult black head sheep four different fixateur externe screws (Group A – D) were implanted per right femur in a distance of 2 cm without installing a connecting bar. The pin position is numbered from proximal to distal by 1 to 4. The pin groups are defined as follows: Group A = XCaliber screw/pin, group B = XCaliber Osteo Tite screw/pin, group C = full-coated XCaliber Osteo Tite screw/pin, group D = Standard Osteo Tite screw/pin. The implantation took place after machined pre-drilling via manual implantation with a T-handle. After measurement of the insertion torques the pins were shortened to 2 cm over bone surface and the operative wound was sutured. Two of ten sheep fractured their operated femora and were euthanised. The remaining eight patients were observed for six weeks post operation. The further clinical follow up took place with special consideration of the wound and the lamness grades in order to verify the clinical effects of the implants on the general condition of the animals. After an observation period of six weeks and euthanasia of the animals the soft tissue in the environment of the pins was macroscopically evaluated and the extraction torque of the pins was determined. Subsequently an investigation of the surface of the screws took place. For the morphologic evaluation of the femoral bone histological preparations were made. A SEM investigation of the screw surface was accomplished. The measured final insertion torques (Gr. A: 2598 ± 932, Gr. B: 1971 ± 945, Gr. C: 2548 ± 932, Gr. D: 2853 ± 953 [Nmm]) obtain a comparable retaining strength of the four pin groups in the femur. The comparison of intersion torques with respect to the pin position shows differences. Pin position four in comparision to pin position one and two shows a significantly higher insertion torques due to position-caused curvature loads and lokal bone form and strength. The mean insertion torques of the Standard Osteo Tite screws/pins are tendencially larger owing to their conical form than those of the XCaliber Osteo Tite screw/pin. The mean extraction torque of the coated screws/pins (Gr. B: 2473 ± 805, Gr. C: 2389 ± 914, Gr. D: 2462 ± 914 [Nmm]) is tendentiously larger than the extraction torque of the uncoated screws/pins (Gr. A: 1820 ± 630 [Nmm]) due to the larger osteointegration of the coated screws/pins. This finds its correspondence in the picture of the enchondral ossification shown by the histological findings of all screws/pins. While the XCaliber screws/pins show an increased amount of fibrous tissue on the thread channel, more fibrocartilaginous contact is present with the HA-coated screws. In the histological picture the Standard Osteo Tite screw/pin presents better osteointegration than the XCaliber screw/pin and the XCaliber Osteo Tite screw/pin, owing to the decreased endostale and periostale callus proliferation. This corresponds with a smaller amount of foreign body reaction. The SEM analysis shows the better osteointegration of the coated screws/pins on the basis of the XCaliber Osteo Tite screw/pin in comparison to the XCaliber-screw/pin which does not possess an adhering tissue in contrast to the coated screw. In the shank region of the coated screw tendentiously more adhering tissue was observed than on the surface of the control screw. The adhering tissue and its kind of adhesion is not identifiable. Due to its conical shape, the Standard Osteo Tite screw/pin gives a tactile feedback to the surgeon allowing an impression over the depth of insertion in contrast to the zylindrical XCaliber screw/pin. The progressive osteointegration of the screws/pins find their correspondence in the decreasing lamness grade. The preparation findings of the soft tissue show the occurrence of a bursitis at most of the pins. The pin design of the different pins does not have an obvious influence on the integrity of the coating. The osteointegration of the Standard Osteo Tite screw/pin is the best one compared with the other screws. Together with the clinically better handling of these screws the Standard Osteo Tite screws/pins can be preferred to the XCaliber Osteo Tite screws/pins.

In der vorliegenden Arbeit sollte geklärt werden, ob eine verbesserte Osteointegration durch Hydroxylapatit (HA) im Vergleich einer unbeschichteten XCaliber-Schraube/-Pin und einer beschichteten XCaliber-Osteo-Tite-Schraube/-Pin nach Implantation in den Femur auftritt. Des Weiteren sollte der Einfluss des HA auf das Weichteilgewebe durch zusätzliche HA-Beschichtung des Schraubenschaftes der XCaliber-Osteo-Tite-Schraube/-Pin untersucht werden. Dabei sollte die Bedeutung des Pindesigns in Bezug auf das Einwachsverhalten in den Knochen und den Einfluss auf die HA-Beschichtung durch die Implantation der XCaliber-Osteo-Tite-Schraube/-Pin im Vergleich zur Standard-Osteo-Tite-Schraube/-Pin überprüft werden. In Vorversuchen wurden bei drei Schafen Fixateur-externe-Pins über Stabinzisionen in beide Femura eingebracht und auf eine Länge von 2 cm über dem Hautniveau gekürzt. Da die Pins ein mechanisches und schmerzhaftes Hindernis darstellten wurden die Tiere euthanasiert. In einem zweiten Vorversuch wurden die Operationen bei zwei Tieren nur einseitig durchgeführt. Da Infektionen der Pininsertionsstellen eintraten, wurden im Hauptversuch die Pinschäfte unterhalb des Hautniveaus belassen. Bei zehn ausgewachsenen Schwarzkopfschafen wurden in Intubationsnarkose im rechten Femur vier unterschiedliche Fixateur-externe-Schrauben (Gruppe A – D) im Abstand von 2 cm implantiert, ohne dass ein Verbindungselement montiert wurde. Die Pinposition wird von proximal nach distal fortlaufend mit eins bis vier beziffert. Die Pingruppen setzten sich wie folgt zusammen: Gruppe A = XCaliber-Schraube/-Pin, Gruppe B = XCaliber-Osteo-Tite-Schraube/-Pin, Gruppe C = vollbeschichteter XCaliber-Osteo-Tite-Schraube/-Pin, Gruppe D = Standard-Osteo-Tite-Schraube/-Pin. Die Implantation erfolgte nach maschinellem Vorbohren durch manuelles Einbringen mit einem T-Handgriff. Nach Messung der Eindrehmomente wurden die Pins auf 2 cm Schaftlänge gekürzt und die Operationswunde per Naht verschlossen. Zwei der zehn Schafe zogen sich postoperativ Frakturen des operierten Femurs zu und wurden euthanisiert. Die verbleibenden acht Probanden wurden über einen Zeitraum von sechs Wochen postoperativ beobachtet. Es fanden klinische Verlaufsuntersuchungen mit besonderer Berücksichtigung der Wunde und des Lahmheitsgrades statt, um die klinischen Auswirkungen der Implantate auf das Allgemeinbefinden der Tiere zu verifizieren. Nach Euthanasie der Tiere nach sechswöchiger Beobachtungszeit wurde das Weichteilgewebe in der Umgebung der Schrauben/Pins makroskopisch beurteilt und das Ausdrehmoment der Schrauben/Pins bestimmt. Anschließend erfolgte eine Begutachtung der Schrauben/Pins. Zur morphologischen Beurteilung der Femura wurden histologische Präparate hergestellt. Schließlich wurde eine rasterelektronenmikroskopische Untersuchung der Schraubenoberfläche durchgeführt. Die Eindrehmomente (Gr. A: 2598 ± 932, Gr. B: 1971 ± 945, Gr. C: 2548 ± 932, Gr. D: 2853 ± 953 [Nmm]) wiesen eine annähernd vergleichbare Verankerung der vier geprüften Schraubentypen nach. Der Vergleich der Eindrehmomente in Abhängigkeit von der Pinposition ergab dagegen auffällige Unterschiede. So wies die Pinposition vier im Vergleich zu Pinposition eins und zwei signifikant höhere Eindrehmomente auf, was durch positionsbedingte Krümmungsbelastungen, sowie durch die lokale Knochenform und Knochenfestigkeit bedingt sein könnte. Aufgrund ihrer konischen Form wurden tendenziell höhere Eindrehmomente der Standard-Osteo-Tite-Schraube/-Pin (Gr. D), als die der XCaliber-Osteo-Tite-Schraube/-Pin (Gr. C) festgestellt. Die mittleren Ausdrehmomente der HA-beschichteten Schrauben/Pins (Gr. B: 2473 ± 805, Gr. C: 2389 ± 914, Gr. D: 2462 ± 914 [Nmm]) waren tendenziell größer als die Ausdrehmomente der unbeschichteten (Gr. A: 1820 ± 630 [Nmm]), was als Ausdruck der Osteointegration gewertet wurde. Der histologische Befund ergab bei allen Schrauben Hinweise einer enchondralen Ossifikation. Während vermehrt Bindegewebssäume auf dem Gewindekanal der nicht beschichteten XCaliber-Schrauben/-Pins nachzuweisen waren, konnte bei den HA-beschichteten Schrauben/Pins vermehrt fibrocartilaginäres Kontaktgewebe dargestellt werden. Der Standard-Osteo-Tite-Schraube/-Pin stellte sich im histologischen Bild dank verminderter endostaler und periostaler Kallusbildung deutlicher osteointegriert dar, als die XCaliber- und XCaliber-Osteo-Tite-Schraube/-Pin; dementsprechend lag eine geringere Fremdkörperreaktion vor. Die rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen zeigten die bessere Osteointegration der HA-beschichteten Schraube im Vergleich der XCaliber-Osteo-Tite-Schraube/-Pin zur XCaliber-Schraube/-Pin, die im Gegensatz zur beschichteten Schraube kein anhaftendes Gewebe aufwies. Im Schaftbereich der HA-beschichteten Schrauben/Pins ließ sich tendenziell mehr anhaftendes Gewebe als bei der Kontrollschraube nachweisen. Art und Anheftungsform des an den XCaliber-Osteo-Tite-Schrauben/-Pins anhaftenden Gewebes konnte im REM-Bild nicht ermittelt werden. Die Standard-Osteo-Tite-Schraube/-Pin erlaubte dem Chirurgen aufgrund seiner konischen Form ein taktiles Feedback und vermittelte so, im Gegensatz zu den zylindrischen XCaliber-Schrauben/-Pins, einen Eindruck über die Einbringtiefe. Die fortschreitende Einheilung der Schrauben/-Pins in den Knochen korrespondierte mit dem abnehmenden Lahmheitsgrad. Es trat bei der Mehrheit der Schrauben eine Implantatbursitis auf. Zwei Schafe zeigten Wundheilungsstörungen. Dem Pindesign der unterschiedlichen Schrauben/-Pins konnte kein offensichtlicher Einfluss auf die Integrität der HA-Beschichtung beigemessen werden. Da sich auch die Osteointegration der Standard-Osteo-Tite-Schrauben/-Pins im Vergleich zu den anderen Schrauben/Pins verbessert darstellte und klinisch ein leichteres Handling dieser Schrauben/Pins ergab, können die Standard-Osteo-Tite-Schrauben/-Pins für die Montage eines Fixateur externe beim Tier empfohlen werden.

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Tebart, Ursula: Untersuchungen zur Optimierung von Osteosynthesen am Beispiel hydroxylapatit-beschichteter Fixateur-externe-Pins. Hannover 2003. Tierärztliche Hochschule.

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