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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-90098
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9009/


Biokompatibilitätsanalyse degradierbarer Magnesiumimplantate : Ein In-vivo-Versuch

Biocompatibility analysis of degradable magnesium implants : An in vivo experiment

Füger, Tiziana

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Magnesium , biodegradierbar , Osteosynthesesysteme
Freie Schlagwörter (Englisch): magnesium , biodegradable , osteosynthesis systems
Basisklassifikation: 44.96 , 44.97 , 44.03
Institut: Medizin
DDC-Sachgruppe: Medizin, Gesundheit
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Smeets, Ralf (Prof. Dr. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 19.02.2018
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 26.02.2018
Kurzfassung auf Deutsch: Die Titanosteosynthese stellt bislang den Goldstandard in der gesamten knöchernen Traumatologie dar. Einer der großen Nachteile der nicht resorbierbaren Frakturversorgung ist, dass das Osteosynthesematerial in einem zweiten Eingriff wie-der entfernt werden muss. Neben den zusätzlichen Operationsrisiken eines weiteren Eingriffs, kommt es in einigen Fällen im Bereich der Osteosynthesematerialien zu lokaler Wärme- und Kälteempfindlichkeit, Nervirritationen und Schraubenlockerung.

Aufgrund der Einschränkungen wird seit Jahren intensiv daran gearbeitet resorbierbare Osteosynthesesysteme zu entwickeln und diese zur klinischen Anwendung zu bringen. Als vielversprechendes Material gilt Magnesium, das als ein wesentlicher Bestandteil des menschlichen Körpers über günstige mechanische Eigenschaften, sowie eine gute Biokompatibilität verfügt. Speziell im Bereich der Mund-Kiefer-Gesichts-Chirurgie erhofft man sich durch die günstigen mechanischen Eigenschaften, Osteosynthesesysteme mit größerer Stabilität und geringe-rer Plattengröße herstellen zu können, die darüberhinaus Revisionsoperationen unötig machen.

Der genaue Mechanismus der Magnesium-Korrosion unter physiologischen Bedingungen ist jedoch noch immer nicht ausreichend verstanden. Durch intensive Studien werden immer bessere Verfahren entwickelt um den Ablauf der Degrada-tion zu kontrollieren, zu entschleunigen und eine vorhersagbare Implantatstabilität zur erreichen. Entscheidend für eine kontrollierte Degradation, sowie eine optimale Knochenintegration scheint der Aufbau der Implantatsysteme und deren Oberflächenbeschaffenheit zu sein.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiges makro- und mikrostrukturiertes Implantatdesign, das mittels Funkenerosion (EDM) und moderner Keramisierungsverfahren (PEO) hergestellt worden war, in einem umfangreichen In-Vivio-Tierversuch untersucht. Im Mittelpunkt stand dabei die Analyse der Knochenneubildung und der Integration des Implantatkörpers in das umliegende Ge-webe, das Degradationsverhalten, die Wasserstoffgas-Entwicklung und die Bio-kompatibilität der Magnesium-Implantatkörper. Dazu wurden die Implantate mit unterschiedlicher Porosität (0,4/0,6/0,8 mm) in die distale Femora von sechzig Kaninchen (sechs Monate alte New Zeeland White Rabbit) implantiert und über einen Versuchszeitraum von einem Jahr untersucht. Um für die klinische Anwendung belastbare Aussagen machen zu können, wurde das Verhalten der implantierten Magnesiumkörper, dem von etablierten Titan-Kontrollkörpern, gegenübergestellt und verglichen.

In der klinischen Verlaufskontrolle zeigte sich über den gesamten Versuchszeitraum eine gute Biokompatibilität der Implantate. Im Vergleich zu den Titan-Kontrollkörpern konnte, anhand der erhobenen Parameter, keine Unterlegenheit der Magnesium-Implantatkörper gezeigt werden. Insbesondere bezüglich der Stabilität und der Knochen-Implantat-Interaktion zeigten die Magnesium-Implantate gute Ergebnisse. Negative Gewebereaktionen durch das Magnesium konnten nicht nachgewiesen werden. Darüberhinaus konnte in der laborchemischen und histologischen Auswertung der Blutserumanalysen, sowie der Organe eine gute Biokompatibilität nachgewiesen werden.

Die Gasentwicklung wurde mittels computertomographischer Bildgebung detektiert und kontrolliert. Die Ergebnisse zeigten eine kontrollierte H2-Gasentwicklung innerhalb der ersten fünf Monate. Innerhalb des zweiten Versuchszeitraums, bis zu zwölf Monaten, konnte keine weitere Gasentwicklung festgestellt werden. Insgesamt konnte im Rahmen des Versuchs durch die Keramik-Beschichtung ein kontrollierter Abbau der Magnesiumimplantate, zusammen mit einer verträglichen Gasentwicklung, gezeigt werden.

Das der anatomischen Knochenarchitektur nachempfundene Implantatdesign zeigte in der histologischen und histomorphometrischen Analyse ein gutes Knocheneinwachsverhalten, mit der Bildung von gut mineralisiertem Knochengewebe, auch innerhalb der Kanalstrukturen, bedingt durch eine gute Nährstoffversorgung in den Probekörpern. Ein günstiges Einwachsverhalten zeigten insbesondere die Probekörber mit einer Kanalgröße von 0,8 mm. Die Magnesium-Implantatkörper zeigten in allen Bereichen des Probekörpers eine gleichmäßige, lokalisationsunabhängige Degradation.

Das vorläufige Resultat der Studie lässt den Schluss zu, dass das gewählte Implantatdesign in Kombination mit der beschriebenen Mikro-Strukturierung ein vielversprechender möglicher Kandidat für künftige Osteosynthesesysteme ist.
Kurzfassung auf Englisch: Titanosteosynthesis is so far, the international gold standard for the bone traumatology. One of the major disadvantages associated with the use of this nonresorbable fracture treatment is, that the osteosynthesis material must be removed in a second procedure. The required removal of the plates and screws is often difficult and associated with additional operational risks and therefore not desirable. Conventional reconstruction materials may also lead to infections, allergic reactions (PLA) and unhealthy load conditions (Titan). In addition to the local heat and cold sensitivity, nerve irritation and screw loosening have been observed.

Due to these limitations, during the last years intensive efforts have been made to develop resorbable osteosynthesis systems and bring them to clinical use. As an essential component of the human body, Magnesium is a promising material with favourable mechanical properties as well as good biocompatibility. Especially in the field of oral-maxillofacial surgery, it is expected, that based on the good mechanical properties, the production of osteosynthesis systems with greater stability and smaller plate size will be possible and revision operations will become unnecessary.

However, the exact mechanism of magnesium corrosion under physiological conditions is still not sufficiently understood. The limiting factor is the development of a huge amount of hydrogen gas during the magnesium degradation process. Therefore, in intensive studies improved processes are developed to control the degradation behaviour.

The aim is to achieve a biocompatible deceleration with a predictable implant stability. For a controlled degradation as well as for an optimal bone integration the structure of the implant systems and their surface texture seems to be essential.

Within the scope of the present work, a novel macro- and micro structured implant design, which had been produced by means of spark erosion (EDM) and modern ceramization (PEO), was investigated in a comprehensive in vivo animal experiment. The focus was on the analysis of the new bone formation and the integration of the implant body into the surrounding tissue, the degradation behaviour, the hydrogen gas development and the biocompatibility of the magnesium implants. For this purpose, implants with different porosity (0.4 / 0.6 / 0.8 mm) were implanted in the distal femora of sixty rabbits (six-month-old New Zeeland White Rabbits) and examined over a trial period of one year. To make reliable statements about the clinical application, the behaviour of the implanted magnesium bodies was compared with that of established titanium implants.

Over the entire trial period the clinical monitoring demonstrated a good biocompatibility of the implants. Based on the collected parameters no inferiority of the magnesium implants could be observed compared to the titanium bodies. Particularly regarding the stability and bone-implant interaction, the magnesium implants showed good results. No negative tissue reactions could be detected. In addition, a good biocompatibility could be demonstrated in the laboratory-chemical and histological evaluation of the blood serum und the organ analyses.

The gas evolution was observed and controlled by computer tomography. The results showed a controlled H2 gas evolution within the first five months. Within the second test period, up to twelve months, no further development of H2 gas could be detected. Within the framework of the trial a controlled degradation of the magnesium implants, along with a compatible gas evolution, could be demonstrated for the ceramic coating.

In the histological and histomorphometric analysis, the implant design, which is modelled based on the anatomical bone architecture, showed a good bone growth with the formation of well-mineralized bone tissue also within the canal structures, due to a good nutrient supply of the samples. Especially the sample bodies with a channel size of 0.8 mm showed a favourable ingrowth behaviour. The magnesium implant bodies showed in all areas of the sample body a uniform and localization independent degradation.

The preliminary result of the study indicates that the chosen implant design in combination with the described micro-structuring is a promising candidate for future osteosynthesis systems.

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