Einfluss von Belastung und einer Implantatbeschichtung auf die knöcherne Integration von Schanz'Schrauben: Eine histologische, histochemische und histomorphometrische Studie im Schafsmodell

Abstract

Schraubenkanal-Infektionen und Schraubenlockerungen sind wesentliche Komplikationen bei der Fixateur externe-Osteosynthese. Deshalb wurde in dieser Studie der Einfluss einer Poly(D,L-Lactid)-Beschichtung und mechanischer Belastung auf die ossäre Integration der Schrauben während der Frakturversorgung analysiert. An 16 Schafen wurde eine standardisierte Osteotomie der rechten Tibia (3 mm Spalt) durchgeführt und mit einem monolateralen Fixateur externe stabilisiert. Zusätzlich wurden mechanisch unbelastete Schanz´Schrauben eingebracht. Die Hälfte der implantierten Schrauben wurde mit einem biodegradierbaren Poly(D,L-Lactid) beschichtet. Nach neun Wochen wurden die Schrauben entnommen, auf Blutagar-Platten ausgerollt und mikrobiologisch untersucht. Es erfolgte die histologische Aufarbeitung der Pintrakts und eine anschließende histochemische und histomorphometrische Analyse. Ein histologischer Grading Score bewertete die ossäre Integration der Implantate. Klinisch wurden keine Anzeichen für starke Schraubenkanal-Infektionen beobachtet. Die mikrobiologische Bewertung ergab jedoch, dass bei 14,8 % der beschichteten Schrauben versus 29 % der unbeschichteten Schrauben eine starke Kontamination der Schraubenoberflächen durch Staphylococcus aureus auftraten. Die histologische Auswertung dieser nicht-infizierten Proben zeigte, dass beschichtete Schrauben eine bessere Osteointegrität (p = 0,0006) aufwiesen als unbeschichtete Implantate. In der Histomorphometrie wurde in der Gruppe der unbeschichteten Schrauben ein signifikant höheres knöchernes Remodeling (p = 0,006) und eine höhere Osteoklastenaktivität (p = 0,019) im Interface-Bereich festgestellt. Es konnte eine zwei bis dreifach erhöhte Kallusbildung am Schraubeneintritt und ein stärkeres Remodeling festgestellt werden, wobei belastete Schrauben signifikant mehr Kallus am Schraubenaustritt (p = 0,048) aufwiesen. Eine Poly(D,L-lactid)-Beschichtung bei Schanz´Schrauben verbessert deren ossäre Integration durch eine Verminderung des kortikalen Remodelings und der Osteoklastenaktivität. Darüber hinaus reduziert sie das Risiko von Pintrakt-Infektionen. Eine höhere Belastung zeigte nachteilige Auswirkungen auf die Knochenstruktur im Pintrakt. Es zeigte sich, dass sowohl biologische als auch mechanische Faktoren maßgeblich an der Aufrechterhaltung der Qualität knöcherner Strukturen im Pintrakt beteiligt sind. Poly(D,L-Lactid) konnte im Schafmodell zeigen, dass diese Substanz ungeachtet der mechanischen Belastung eines Implantates als vorteilhafte Beschichtung von Schrauben im Fixateur externe-System eingesetzt werden kann, da sie die Knochenqualität der Schrauben-Knochen-Kontaktfläche erhöht.

Pintrack infections are a major complication in external fixation, therefore the goal of this study was to analyze the influence of a Poly(D,L-lactide) coating for implants and mechanical loading on osseous integration of Schanz´screws during fracture treatment. Standardized osteotomies (3 mm fracture gap) of the right tibia were performed on 16 sheep and stabilized by an AO mono-lateral fixator. Additional Schanz´screws were mounted that were mechanically unloaded. The screws were randomly coated by a biodegradable Poly(D,L-lactide). The sheep were sacrificed after nine weeks and all screws were removed. The screws were then rolled on blood agar plates for microbiological analyses. Histological sections of the pin tracks were investigated using histochemical and histomorphometrical analyses. A histological grading score graded the extent of osseous integration. Clinically, no signs of severe infections were visible. Microbiological analyses showed that coated screws amounted to 14,8 % of severe infections by Staphylococcus aureus, whereas uncoated screws amounted to 29 %. Histological scoring of the residual samples demonstrated that significantly (p = 0.0006) more osseous integration had occurred on Poly(D,L-lactide) coated screws. In the uncoated coated screw group histomorphometrical analyses of the bone surrounding the Schanz´screws revealed significantly (p = 0.006) more bone remodeling and a higher (p = 0.019) osteoclastic activity seen near the screw- bone interface. Two to three times more extensive new bone formation occurred around the screw entry and more severe remodeling was detected. Thereby loaded screws showed significantly (p = 0.048) more callus around the exit sites. In the present study, Poly(D,L-lactide) coating of Schanz´screws was found to enhance their osseous integration in sheep by causing less cortical remodeling and less osteoclastic activity in the cortices compared to uncoated screws. Additionally, it appears to reduce the instances of pintrack infections. Highly mechanical conditions showed an adverse consequence on the bony structure. It has been shown that both biological and mechanical factors play an important role in the maintenance of osseous quality of pintracks. Independently from the mechanical conditions the Poly(D,L-lactide) coating of Schanz´screws was seen to be beneficial to external fixation in terms of a superior bone quality of pin tracks.