Biomechanische Untersuchung eines biodegradierbaren Cages zur interkorporellen Spondylodese der Halswirbelsäule.: Eine tierexperimentelle Studie am Schaf.

Abstract

Biomechanische Untersuchung eines biodegradierbaren Cages zur interkorporellen Spondylodese der Halswirbelsäule. Eine tierexperimentelle Studie am Schaf.

Zusammenfassung

Grundlagen:

Die anteriore intervertebrale Spondylodese mit Einbringen eines Implantats hat einen großen Stellenwert in der Behandlung degenerativer Discopathien. Die etablierten Interponate bergen bis heute jedoch ungelöste Probleme. So ist der als Goldstandard geltende BKS mit einer nicht zu unterschätzenden Entnahmemorbidität und Pseudarthrosenbildung korreliert. Die häufig eingesetzten metallischen Cages führen u. a. in Bild gebenden Verfahren zu Artefakten, die eine saubere Beurteilung deutlich erschweren; außerdem sind werkstoffassoziierte Langzeitnebenwirkungen heute noch nicht abzuschätzen. Der Einsatz eines degradierbaren Cages könnte die Nachteile der heutigen Methoden lösen. Durch vollständige Degradation würden Langzeitnebenwirkungen vermieden, Materialentfernungen würden überflüssig und Bild gebende Verfahren könnten ungestört eingesetzt werden.

Fragestellung:

In der vorliegenden Arbeit soll deshalb die ventrale interkorporelle Spondylodese mittels eines neuen biodegradierbaren Cage aus 70/30 PLDLLA im Vergleich zu einem autologen trikortikalen BKS biomechanisch beurteilt werden.

Material und Methoden:

45 ausgewachsene weibliche Merinoschafe wurden einer C3/C4-Diskektomie mit nachfolgender ventraler interkorporeller Spondylodese und ventraler Verplattung unterzogen. Als interkorporelle Interponate, die in Robinsontechnik eingebracht wurden, dienten ein 70/30 Poly-(L, DL)-Lactid-Cage (Gruppe II, IV und V: n= 9) und in den Kontrollgruppen ein autologer trikortikaler BKS (Gruppe I und III: n= 4). Die Gruppen mit einer Cage- Spondylodese wurden nach 3 (Gruppe II), 9 (Gruppe IV) und 24 Monaten (Gruppe V), die Tiere der BKS-Gruppen wurden nach 3 (Gruppe I) und 9 Monaten (Gruppe III) getötet. Unmittelbar nach Tötung erfolgte die nicht destruktive, ungezwungene, dreidimensionale, biomechanische Stabilitätsmessung für Rotation rechts und links, Neigung rechts und links, Extension und Flexion.

Ergebnisse:

Im zeitlichen Verlauf zeigt sich für die mit einem Cage stabilisierten Segmente keine signifikante Erhöhung der Steifigkeit. Das Bewegungsausmaß weist lediglich für die EZ der Rotation rechts und die Neigung links im Vergleich der 3- und 24-Monatsergebnisse eine signifikante Minderung auf. Die BKS-Gruppen hingegen zeigen für alle Bewegungsrichtungen eine signifikante Zunahme der Steifigkeit und Abnahme des Bewegungsausmaßes für ROM, NZ und EZ. Der direkte Vergleich der beiden Wirbelsäulenimplantate zeigt eine signifikant geringere Steifigkeit für die Cage-Gruppe im Vergleich zur BKS-Gruppe 3 Monate postoperativ für die Flexion, 9 Monate postoperativ in der Rotation rechts und links und zum 24-Monatszeitpunkt der Cage-Gruppe sogar im Vergleich zur 9 -Monats-BKS-Gruppe in Extension und Flexion. Ein signifikant größeres Bewegungsausmaß der Cage-Gruppen findet sich 3 Monate postoperativ für die ROM und EZ der Flexion, 9 Monate postoperativ für die NZ aller Bewegungsrichtungen außer der Flexion und für die ROM der Rotation rechts und links. 24 Monate postoperativ zeigt sich im Vergleich zu den 9-Monatsergebnissen der BKS-Gruppe für die NZ aller Bewegungsrichtungen und für Flexion und Extension zudem für die ROM und EZ ein größeres Bewegungsausmaß.

Schlussfolgerung:

Der getestete Cage weist bereits 3 Monate postoperativ gegenüber einem autologen Knochenimplantat signifikant schlechtere stabilisierende Eigenschaften auf. Mit fortschreitender postoperativer Zeit wird die mechanische Insuffizienz gegenüber dem BKS zunehmend deutlich und die Langzeitergebnisse bestätigen, dass das zuverlässige Entstehen einer knöchernen Fusion nicht gewährleistet ist. Es wird deutlich, dass ein hohes Maß an frühzeitiger mechanischer Instabilität mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einer Nichtfusion des Segments mit langfristig schlechten biomechanischen Ergebnissen führt. Der hier erstmals in vivo getestete biodegradierbare Cage aus 70/30 PLDLLA ist auf Grund der vorliegenden Ergebnisse als dem heutigen Goldstandard nicht gleichwertig einzustufen und der BKS muss, trotzt seiner Nachteile weiter als Goldstandard zur ventralen interkorporellen, einsegmentalen Spondylodese angesehen werden.

Biomechanical evaluation of a biodegradable cage for interbody fusion in the cervical spine. A in vivo animal study in a sheep model.

Abstract

Background

Anterior interbody fusion using an intervertebral spacer is a widely accepted surgical treatment for patients with degenerative and traumatic cervical spinal-column injuries. However the established methods are still associated with a number of unsolved problems. Thus iliac crest bone grafting, regarded as the gold standard method, is correlated with a high rate of donor site morbidity and pseudarthrosis. The frequently used metallic cages can cause artefacts in imaging procedures which hamper assessment; moreover, the long- term side-effects of metallic cages are still unknown. The use of biodegradable cages could solve these problems. Due to complete degradation long-term-side effects would be avoided, postoperative removal of material would be unnecessary and radiological assessment could be carried out undisturbed.

Objectives

The purpose of this study is to evaluate the biomechanical segmental stability of a ventral spondylodesis provided by a biodegradable 70/30 PL-DL- LA interbody fusion cage in comparison with a tricortical iliac crest bone graft spondylodesis.

Methods

45 adult female sheep, race Merino, underwent a C3/C4 discectomy and ventral spondylodesis with ventral plate-stabilization. A 70/30 Poly-(L, DL)-Lactid- Cage (Groups II, IV und V: n= 9), implanted following Robinson's technique, served as the interbody coupler and in the control groups respectively a tricortical iliac crest bone graft (Groups I und III: n= 4). The groups stabilized by cages were euthanized after 3 (Group II), 9 (Group IV) und 24 months (Group V), and the animals of the iliac crest bone graft groups after 3 (Group I) and 9 months (Group III). Immediately after euthanasia the biomechanical stability of the cervical spine devices was tested in a non- destructive, unconstrained three-dimensional manner: in axial rotation right and left, lateral bending right and left, flexion and extension.

Results

No significant increase of the stiffness over time could be determined for the cage-groups. The elastic zone for axial rotation to the right and lateral bending to the left significantly decreased between 3 and 24 month post- operative testing. The iliac crest bone graft groups on the other hand showed a significant increase of stiffness in all directions and a significant decrease of the range of motion, the neutral zone and the elastic zone in all directions. The comparison of the two methods showed a significantly lower stiffness of the cage groups than the iliac crest bone graft groups: in flexion at the 3 month post-operative testing, in axial rotation to the right and to the left at the 9 month testing and in extension and flexion when the 24 month-results of the cage-spondylodesis were compared with the 9 month results of the iliac crest bone spondylodesis. A significantly higher ROM (Range of motion) and EZ (elastic zone) was found for flexion 3 month postoperative in the cage group. 9 month postoperative the NZ (neutral zone) for all directions but Flexion and the ROM for rotation right and left were significant higher in the cage group. The NZ of all directions as well as the ROM and EZ of the flexion and extension were significant higher in the cage group when the 24 month results of the cage-spondylodesis were compared with the 9 month results of the iliac crest bone group.

Conclusions

Already 3 months after the operation the stabilizing qualities of the new biodegradable cage were significantly worse than that of the iliac crest bone graft. The lack of stability increases with time and the long-term-results affirm that a bony fusion is not ensured. Clearly a high early mechanical instability is correlated with a high risk of non fusion of the spinal segments and with bad long-term bio-mechanical outcomes. The results of this first in vivo study of the new biodegradable cage made out of 70/30 PLDLLA lead to the conclusion that the cage is not bio-mechanically equal to the iliac crest bone graft, so that the tricortical iliac crest bone graft, even if it is correlated with disadvantages, remains the gold standard for ventral interbody spondylodesis.

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