Radiologische Evaluation eines biodegradierbaren Implantats zur Spondylodese der Halswirbelsäule: Eine experimentelle Studie am Schaf

Abstract

Zur ventralen zervikalen Spondylodse wurde jahrzehntelang der trikortikale Beckenkammspan als Implantat der Wahl genutzt. Neben einer relativ hohen Entnahmemorbidität zeigten sich jedoch auch immer wieder biologische und biomechanische Probleme bei der Verwendung dieses Implantats. Der Einsatz von metallischen Cages führt bei Untersuchungen mittels bildgebender Verfahren häufig zu Problemen aufgrund von materialassoziierten Artefaktbildungen. Alternative Cagedesigns aus Karbon oder PEEK erlauben zwar eine ungestörte Bildgebung, sind den metallischen Cages jedoch im Hinblick auf deren biomechanische Qualitäten häufig unterlegen. Biodegradierbare Implantatmaterialien erlauben eine ungestörte Bildgebung und verbleiben als Folge der Degradation nicht als Dauerimplantate im Intervertebralraum. Langzeitergebnisse für die Verwendung von biodegradierbaren Implantatmaterialien zur ventralen zervikalen Spondylodese sind bisher kaum beschrieben. In der vorliegenden In-vivo-Langzeitstudie wird das Einheilungsverfahren eines biodegradierbaren Resorboncages im Vergleich zum autologen trikortikalen Beckenkammspan mittels bildgebender Verfahren am Tiermodell analysiert. Hierzu wurde bei insgesamt 46 weiblichen Merinoschafen eine ventrale zervikale Spondylodese im Wirbelkörpersegment C3/C4 durchgeführt. Bei 32 Tieren (Gruppe 2a, 2b, 2c, 2d; n = 8) wurde nach Diskektomie ein Resorboncage implantiert, bei den restlichen 14 Tieren (Gruppe 1a, 1b: n = 4; Gruppe 1c, 1d: n = 3) ein trikortikaler Beckenkammspan. Die Wirbelkörpersegmente wurden zusätzlich durch eine ventrale Platte und 2 Kortikalisschrauben stabilisiert. Prä-und postoperativ sowie nach 1, 2, 4, 8 und 12 Wochen wurden konventionelle Röntgenbilder der Halswirbelsäulen im lateralen und ventro-dorsalen Strahlengang angefertigt. Im weiteren Verlauf der Studie wurden diese Aufnahmen bis zur 36. Woche in vierwöchigem Abstand und danach im achtwöchigem Abstand wiederholt. Anhand dieser Röntgenbilder wurden Bandscheibenraumhöhen, Intervertebral- und Lordosewinkel, Implantatmigration und Schraubenbruch ermittelt. Die Euthanasie der Tiere erfolgte Gruppenspezifisch nach 12 Wochen (Gruppe 1a, 2a), 36 Wochen (Gruppe 1b, 2b), 52 Wochen (Gruppe 1c, 2c) und 100 Wochen (Gruppe 1d, 2d) Standzeit. Im Anschluss wurden an den isolierten Halswirbelsäulen funktionsradiologische sowie qualitative und quantitative computertomographische Untersuchungen zur Evaluierung der Wirbelkörperfusion durchgeführt. Zusätzlich wurden die Parameter Knochendichte, Kallusvolumen und Cagevolumen ermittelt. Der Resorboncage zeigt bis zur 36. Woche postoperativ die besseren distraktiven Eigenschaften als der Beckenkammspan. Im weiteren Verlauf lassen sich diesbezüglich zwischen den beiden Implantatgruppen kaum noch Unterschiede verzeichnen. Die Reduktion der Bandscheibenraumhöhen ist mit einer Sinterung des Resorbonimplantats in die angrenzenden Wirbelkörperendplatten sowie einem Kollaps des Beckenkammimplantats zu begründen. Die intraoperative angestrebte Lordosierung des Wirbelkörpersegments kann in der Gruppe der Resorbontiere über den gesamten Zeitraum als nahezu konstant betrachtet werden, während es in der Gruppe der Beckenkammtiere im Durchschnitt nach 2 Wochen zu einer Re Kyphosierung der Wirbelkörpersegmente kommt. Nach 12 Wochen Standzeit zeigte sich eine Implantatmigration nach ventral bei 78 Prozent der mit einem Resorboncage versorgten Tiere. Nach 36 Wochen war dies bei 96 Prozent und nach 52 Wochen bei 100 Prozent der Tiere der Fall. Dieser Parameter konnte in der Beckenkammgruppe aufgrund der schlechten Darstellbarkeit des Implantats nicht ausgewertet werden. Schraubenbrüche kamen in beiden Gruppen zu großen Anteilen vor, in der Gruppe der Beckenkammtiere ließen sich gebrochene Schrauben vor allem in Wirbelkörper C3 und in der Resorbongruppe vor allem in C4 erkennen. Die funktionsradiologischen Untersuchungen ergaben zwischen den Implantatgruppen zu keinem Zeitpunkt statistische Unterschiede. In beiden Gruppen konnte im Verlauf der Zeit eine zunehmende Steifigkeit des Wirbelkörpersegments dokumentiert werden. Bei der Berechnung der Kallusvolumina innerhalb und ventral des ehemaligen Bandscheibenraumes ergab sich, dass in der Resorbongruppe zu allen Zeitpunkten im Median ein größeres zentrales Kallusvolumen zu messen war. Dagegen ließ sich in der Beckenkammgruppe zu allen Zeitpunkten ein im Median größeres ventrales Kallusvolumen nachweisen. Das Cagevolumen zeigte nach 12 und 36 Wochen kaum Unterschiede zu dem initialen Cagevolumen. Nach 52 Wochen konnte eine deutliche Zunahme des Volumens dokumentiert werden. Nach 100 Wochen konnte das Cagevolumen aufgrund fortgeschrittener Degradationsvorgänge nicht mehr gemessen werden. Die Auswertungen der computertomographischen Aufnahmen zeigten, dass in der Resorbonguppe anfänglich eine sehr gute, den Fusionskriterien entsprechende Knochenneubildung im Intervertebralraum zu erkennen war. In der Beckenkammgruppe waren derartige Erfolge erst nach 36 Wochen zu erkennen und konnten auch nach 52 und 100 Wochen gemessen werden. In der Resorbongruppe lagen die Fusionsraten nach 52 Wochen bei 100 Prozent, während nach 100 Wochen dies nur bei 50 Prozent der Fälle beobachtet werden konnte. Nach 100 Wochen Standzeit konnten bei 50 Prozent der Resorbontiere hochgradige ossäre Defekte in den Wirbelkörpern sowie ein prolabiertes, massiv aufgequollenes und fragmentiertes Implantat festgestellt werden. Die vorliegende Studie zeigt, dass der anfänglich vielversprechende Resorboncage nicht als Implantat zur ventralen zervikalen Spondylodese verwendet werden kann.

For decades, autologous tricortical bone graft harvested from the iliac crest was the favoured implant for ventral cervical spondylodesis. In addition to a significant morbidity associated with harvesting of the iliac crest graft, the use of this implant often bears biological and biomechanical problems. The application of metallic cages causes problems during imaging due to metal related artifacts. Alternative cage designs made of carbon or PEEK allow imaging procedures without disturbance. However, they are often inferior to metallic cages regarding their biomechanical properties. Biodegradable implant materials do not interfere with imaging procedures. In contrast to permanent implants, biodegradable materials do not remain in the intervertebral space. Only few long term results regarding the use of biodegradable implant materials for ventral cervical spondylodesis have been published so far. This long term in vivo animal study compares the osseointegration of a biodegradable Resorbon cage and an iliac crest bone graft by medical imaging techniques. Thus, ventral cervical spondylodesis on vertebrae C3 / C4 was performed on 46 female Merino sheep. After discectomy, Resorbon cages were implanted in 32 animals (group 2a, 2b, 2c, 2d: n = 8). Iliac crest bone grafts were implanted in the remaining 14 animals (group 1a, 1b: n = 4; group 1c, 1d: n = 3). In addition, vertebral segments were stabilized with a ventral plate and two cortical screws. Lateral and ventro – dorsal radiographs of the cevical spines were performed pre – and postoperative and after 1, 2, 4, 8 and 12 weeks. In the course of this study, radiographs were repeated in a four month interval until week 36 and later on in a eight months interval until week 100. Intervertebral disc heights, intervertebral and lordosis angles, implant migration and broken screws were established on these radiographs. Animals were euthanised group related after 12 weeks (group 1a, 2a), 36 weeks (group 1b, 2b), 52 weeks (group 1c, 2c) and a 100 weeks (group 1d, 2d) postoperative. Functional X-ray tests and computertomographic examinations were performed on the isolated cervical spines to detect interbody fusion. In addition, bone mineral density, callus volume and cage volume were calculated. The Resorbon cage showed significantly better distractive qualities than the iliac crest bone graft up to week 36. Subsequently, relevant differences concerning this parameter coul not be observed between the two groups of implants. The reduction of intervertebral disc height correlates to a subsidence of the Resorbon cage into the vertebral endplates as well as collaps of the iliac crest bone graft. Steady lordosis of the vertebral segment can be found in the group of Resorbon cage implanted animals thoughout the study period. In contrast, rekyphosis could be observed in the group of iliac crest implanted animals after a mean of two weeks postoperative. Ventral implant migration was found in 78 % of the Resorbon group after 12 weeks postoperative. After 36 weeks implant migration occured in 96 % and after 52 weeks in a 100 % of cases. Due to poor visualisation of the iliac crest bone graft on regular radiographs, implant migration could not be evaluated in the animals having received this implant. Broken screws were found in both groups in a high percentage of animals. In the group of animals with iliac crest implants, broken screws were found mostly in vertebra C3. In the group of Resorbon cage implanted animals, broken screws were found predominantly in C4. Functional radiographic measurements showed no significant differences between the groups at any given time. Both groups showed an increasing stiffness of the operated vertebral segment over time. Calculation of callus volumes showed higher volumes of central callus in the Resorbon group at any given time and higher ventral callus volumes in the group of iliac crest bone grafts. There is no significant difference of cage volume after 12 and 36 weeks postoperative in comparison to the initial cage volume. At 52 weeks, a distinctive increase of the cage volume can be observed. Due to progressive degradation activity, the cage volume after 100 weeks postoperative could not be evaluated. Interpretation of the computed tomographic results showed very good initial formation of new bone in the intervertebral disc space agreeing with the established fusion criterias. Fusion rates were 100 % after 52 weeks but only 50 % after 100 weeks. In the group of iliac crest bone grafts, solid fusion could be observed at 36, 52, and 100 weeks. After 100 weeks, massive osseous vertebrae defects and swollen prolapsed and fragmented implants causing myelon compression, could be found in 50 per cent of the animals of the Resorbon group. According to this study, the Resorbon cage, which appeared promising initally, is not suited for the use as intervertebral implant for spondylodesis of the cervical spine.