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Hollstein, Elke-Petra (2003): Knöcherne Integration und Biokompatibilität eines neuen resorbierbaren Polymers zur Schraubenaugmentation im osteoporotischen Knochen. Dissertation, LMU München: Faculty of Veterinary Medicine
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Abstract

Bone integration and biocompatibility of a new bioresorbable polymer for screw augmentation in the osteosynthesis of osteoporotic cancellous bone: The surgical treatment of an osteoporosis-associated fracture is a clinically relevant problem, which yet has no satisfactory solution. The fixation of conventional implants is limited because of the reduced bone density in osteoporotic bones. To ensure stable fixation compound osteosynthesis has been used since the 1950s. Polymethylmethacrylate (PMMA) is the most commonly used bone cement in reconstructive medicine because of its excellent mechanical properties. However, compound osteosynthesis also has some disadvantages. The local exothermic polymerization as well as the release of toxic residual monomers can cause damage to the surrounding tissue. PMMA is also not resorbable, and therefore surgeries using PMMA are irreversible. An ideal absorbable bone cement must meet many biochemical requirements and also provide sufficient mechanical stability. Two critical requirements are long-term biocompatibility, and an absorption rate that corresponds with the reestablishment of the physiologic bone stability. The aim of this study was to investigate different variations of a new resorbable bone cement developed on an alkylene bis(dilactoyl)-methacrylate basis in terms of long-term biocompatibility, degradation and mechanical reinforcement in a sheep model. Further, the suitability of ovarectomized sheep as osteoporotic large animal model was verified for investigation of biomaterial. In this study osteoporosis was generated in sheep by an ovarectomy followed by 6 months of glucocorticoid injections. The control group received no treatment. Two screws were implanted in the cancellous bone in the distal femur and proximal tibia in both groups. The screws were fixed in the bones with variations of the new bone cement. In each group, three screw fixation techniques were investigated: augmented with the new polymers, augmented with PMMA, or not augmented. The ovarectomized sheep were sacrificed after eight weeks (short-term group). The control sheep (long-term group) were sacrificed after six months. Histology results confirmed the biocompatibility of the non-augmented screws as well as the screws augmented with PMMA in both the short- and long-term group. Histology of the cancellous bone showed physiologic remodeling zones. The new polymers were homogenous after eight weeks, with no signs of degradation. The polymer was well distributed in the cancellous bone, but there were no signs of osseous integration of the cement. Only a small number of inflammatory cells were present. However, a significant inflammatory response with macrophages, giant cells and erythrocytes was observed six months after implantation. Massive osteolysis was seen and in some cases so severe that the screw was loose. The degradation kinetics of the new polymers were unsatifactory, because there was no decrease in the volume of the applied bone cement after six months. There is no definitive answer as to what caused the foreign body reaction. Most likely several factors played a role, such as cytotoxicity of the degradation products, particles were broken off and the increased osmotic pressure within the implantation site. The inflammatory reaction and the degree of osteolysis depended without a doubt on the concentration of the polymer. The macroscopic and histologic changes in the osseous implantation site were consistent with the biomechanical results. The mechanical strength of the screws fixation of the new polymers measured by pullout force was significantly less at both eight weeks and six months compared to the screws in the control group. The screws fixed with the new polymer lacked osseous integration and also had poor biocompatibility. Therefore, the new polymers do not meet the requirements for clinical use. The use of ovarectomized sheep treated with glucocorticoids proved to be a suitable animal model for investigating biomaterials in osteoporosic bone. The density of the cancellous bone in the extremities was significantly decreased, compared to the control animals.

Abstract

Die stabile chirurgische Versorgung einer Osteoporose assoziierten Fraktur ist ein klinisch relevantes Problem, das bis heute noch nicht zufriedenstellend gelöst werden konnte. In Folge einer verminderten Knochendichte ist die Verankerungsfestigkeit von konventionellen Implantaten im osteoporotischen Knochen limitiert. Um trotzdem eine übungsstabile Osteosynthese zu erreichen, wurde seit der Mitte des letzten Jahrhunderts die Methode der Verbundosteosynthese eingesetzt. Aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften ist Polymethylmethacrylat (PMMA) bis dato der am häufigsten verwendete Knochenzement in der Rekonstruktionsmedizin. Die Verbundosteosynthese mit PMMA birgt jedoch auch eine Reihe von Nachteilen. Sowohl der exotherme Aushärtungsvorgang als auch die Freisetzung von toxischen Restmonomeren kann zu einer Schädigung führen. Ein weiterer Nachteil ist die fehlende Resorption und die damit verbundene Irreversibilität der Methode. Um die negativen Eigenschaften von PMMA zu umgehen und trotzdem eine ausreichende Verankerung zu gewährleisten, müssen an einen optimalen resorbierbaren Knochenzement eine Reihe hoher Anforderungen gestellt werden. Ein Hauptaugenmerk liegt in der uneingeschränkten biologischen Langzeitverträglichkeit und auf dem synchronen Verlauf der Resorptionsrate des Knochenzementes mit der Wiederherstellung der physiologischen Eigenstabilität des Knochens. Das Ziel der vorliegenden Studie war es, verschiedene Varianten eines neuen, auf der Basis von Ethylenglycol-oligolactid-methacrylat entwickelten, resorbierbaren Knochenzementes auf die Langzeit-Biokompatibilität, das Degradationsverhalten und den mechanischen Verstärkungseffekt im osteoporotischen Großtiermodell zu untersuchen. Desweiteren sollte die Eignung des ovarektomierten Schafes als osteoporotisches Großtiermodell für Untersuchungen von Biomaterialien überprüft werden. In der vorliegenden Untersuchung wurde bei Merinoschafen durch Ovarektomie und einer sechsmonatigen Glukokortikoidgabe eine Osteoporose erzeugt. Unbehandelte Tiere dienten als Kontrollgruppe. Allen Tieren wurden am distalen Femur und an der proximalen Tibia der rechten Gliedmaße jeweils zwei Schrauben in den spongiösen Knochen implantiert. Die Schrauben wurden alternierend mit den neuen Polymeren augmentiert. Als „Positiv“- bzw. „Negativ“-Kontrolle dienten mit PMMA augmentierte bzw. nicht augmentierte Schrauben. Die ovarektomierten Schafe wurden nach acht Wochen Implantationsdauer (Kurzzeit-Gruppe) und die „normalen“ Schafe nach sechs Monaten (Langzeit-Gruppe) getötet. Bei der histologische Untersuchung konnte für die nicht augmentierten und die mit PMMA augmentierten Schrauben nach beiden Implantationszeitpunkten eine gute Biokompatibilität bestätigt werden. Der trabekuläre Knochen war vital und durch physiologische Umbauzonen gekennzeichnet. Die neuen Polymere lagen acht Wochen nach Implantation in homogener Form und ohne Anzeichen einer Degradation im knöchernen Lager. Die Verteilung im spongiösen Knochen war gut, aber es gab keine Anzeichen einer knöchernen Integration des Materials. Entzündliche Zellen lagen nur in geringer Anzahl vor. Nach einer Implantationszeit von sechs Monaten waren dagegen starke histiozytäre Entzündungsreaktionen mit Einwanderung von Makrophagen, Fremdkörperriesenzellen und Erythrozyten zu erkennen. Es zeigten sich massive Osteolysen, die teils mit totalem Substanzverlust des Implantatlagers einher gingen. Als unbefriedigend erwies sich auch die Degradationskinetik der neuen Materialien, die nach dem langen Implantationszeitraum von sechs Monaten zu keiner Volumenverminderung des eingebrachten Implantationsmaterials führte. Letztlich kann die Ursache der beobachteten Unverträglichkeitsreaktionen nicht genau geklärt werden. Möglicherweise spielen mehrere Faktoren, nämlich eine mögliche Zytotoxizität der Degradationsprodukte, der starke partikuläre Zerfall der Polymere und die Erhöhung des osmotischen Drucks im Implantationsgebiet eine Rolle. Mit Sicherheit ist die entzündliche Reaktion und das Auftreten von Osteolysen von der Konzentration der Polymere abhängig. Die makroskopisch und histologisch gesehenen Veränderungen im Implantatlager spiegelten sich in den biomechanischen Untersuchungen wider. Der Verstärkungseffekt durch die Augmentation mit den neuen Polymeren war bei beiden Implantationszeiten signifikant niedriger als bei den Kontrollschrauben (nicht augmentiert und mit PMMA augmentiert). Die neuen Polymere erzielten aufgrund der fehlenden Integration und der schlechten Biokompatibilität sowohl nach acht Wochen als auch nach sechs Monaten Implantationszeit vergleichsweise niedrige Schraubenausreißkräfte. Aufgrund der unbefriedigenden Ergebnisse in der Biokompatibilitätsprüfung und bei der biomechanischen Untersuchung, erfüllen die beiden neuen Polymere in der vorliegenden Form die gestellten Anforderungen für einen klinischen Einsatz nicht. Das osteoporotische Tiermodell am Schaf ist besonders für Untersuchungen von orthopädischen Fragestellungen im osteoporotischen Knochen geeignet. Der trabekuläre Knochen an den Extremitäten war aufgrund der Ovarektomie und Glukokortikoid-Behandlung in seiner Dichte signifikant vermindert.