Langzeitbeobachtung der Degradation von WE43-basierten Osteosyntheseplatten und -schrauben mit und ohne PEO-Oberflächenmodifikation im Großtiermodell

Abstract

Das Interesse an resorbierbaren magnesiumbasierten Osteosynthesematerialien nimmt aufgrund ihrer biologischen und biomechanischen Eigenschaften zu. Von der Verwendung solcher Implantate in der Traumatologie und der rekonstruktiven Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie könnten Patientinnen und Patienten in der Zukunft profitieren, da eine weitere Operation zur Entfernung des Osteosynthesematerials nicht mehr notwendig wäre. Tierexperimentelle Arbeiten tragen dazu bei, die sichere Anwendung resorbierbarer Magnesiumlegierungen zu erproben und Erkenntnisse über deren Degradationsverhalten sowie über die Reaktion des Knochengewebes zu gewinnen, in das die Osteosynthesematerialien implantiert werden. Durch die plasmaelektrolytische Oberflächenmodifikation (PEO) lässt sich die Degradationsgeschwindigkeit magnesiumbasierter Osteosynthesematerialien und die damit verbundene Bildung von Wasserstoffgas herabsetzen. In der Studie von Frau Dr. Heilwig Fischer, die der vorliegenden Arbeit vorausgegangenen ist, konnte nach sechs und zwölf Monaten gezeigt werden, dass die Degradation der PEOmodifizierten WE43-Schrauben im Vergleich zu den nicht modifizierten Schrauben nach sechs Monaten signifikant verlangsamt und eine höhere Qualität des umliegenden Knochens vorhanden war. In der vorliegenden Studie wurden Osteosyntheseplatten und -schrauben aus einer WE43-Magnesiumlegierung mit und ohne plasmaelektrolytische Oberflächenmodifikation (PEO) an Göttinger Minipigs untersucht. Das Ziel der vorliegenden Studie ist es, die Unterschiede der genannten Materialien hinsichtlich ihres Degradationsfortschrittes und der Reaktion des Knochens, in den die Implantate eingebracht wurden, im Langzeitversuch zu überprüfen. Hierfür wurden PEOmodifizierte und nicht modifizierte Miniplatten und Schrauben randomisiert in den Humerus oder den Femur von fünf Göttinger Minipigs implantiert. Nach 18 Monaten Standzeit wurden die Proben entnommen und im Mikro-CT sowie histologisch untersucht. Zwischen der PEO-modifizierten und nicht modifizierten Gruppe konnte nach einer Beobachtungszeit von 18 Monaten weder in Bezug auf das residuale Osteosynthesematerial noch in Bezug auf den umgebenden Knochenanteil signifikante Unterschiede nachgewiesen werden. Beide Gruppen zeigten eine 10 komplikationslose Einheilung in den Knochen. Der höhere Anteil lamellären Knochens bei WE43-PEO-Implantaten gegenüber den nicht modifizierten WE43-Implantaten lässt jedoch auf einen nachhaltig positiven Effekt der PEO-Oberflächenmodifikation auf die Knochenqualität schließen. Zudem waren die Osteosyntheseplatten der PEObeschichteten Untersuchungsgruppe signifikant weniger mit neugebildetem Knochen überwachsen. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie lassen darauf schließen, dass die PEOOberflächenmodifikation bei der Verwendung von WE43-Implantaten vorteilhaft ist. Der klinische Einsatz dieser Implantate am Menschen ist perspektivisch zu erwarten.

The interest in magnesium-based osteosynthetic materials is increasing due to their biological and biomechanical properties such as resorbability, favorable e-modul and reduced stress shielding. In the future, patients could benefit from the use of such implants in traumatology and reconstructive oral and maxillofacial surgery since a further operation to remove the osteosynthesis material would no longer be necessary. Animal experiments help to ensure the safe use of resorbable magnesium alloys and to gain knowledge about their degradation behavior and the reaction of the bone tissue into which they are implanted. The PEO surface modification reduces the rate of degradation and the associated formation of hydrogen gas. In a study preceding this dissertation, it was shown that after 6 and 12 months the degradation of PEO-modified WE43 screws was significantly reduced and that the surrounding bone was of higher quality after 6 months. This study examined osteosynthesis plates and screws made of a WE43 based magnesium alloy with and without plasma electrolytic surface modification (PEO) in Göttingen minipigs. The aim of the current study was to investigate differences in the degradation process and the bone reaction in a long-term test. For this purpose, PEOmodified and unmodified miniplates and screws were implanted randomized into the humerus or femur of five Göttingen minipigs; Samples were collected after 18 months and examined by micro-CT and histologically. A relevant effect of the PEO surface modification could not be demonstrated between the two groups either regarding the remaining osteosynthesis material or the surrounding proportion of bone. Both groups show an incorporation into the bone without complications. However, the higher proportion of lamellar bone around WE43- PEO implants compared to the WE43 group suggests a sustained positive effect of the surface modification. In addition, the osteosynthesis plates of the PEO-coated samples showed significantly less overgrowth with newly formed bone. The results of this long-term study suggest that PEO surface modification is beneficial when using WE43 implants. Clinical use of these implants in humans is to be expected in the future.