Biomechanische Makro- und Mikrostabilitätsanalyse bei instabilen proximalen Femurfrakturen

Kassube, Matthias Johannes Ulrich (2026): Biomechanische Makro- und Mikrostabilitätsanalyse bei instabilen proximalen Femurfrakturen. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine

Abstract

Hintergrund: Frakturen des proximalen Femurs sind häufige traumatisch bedingte Verletzungen, insbesondere bei älteren Patienten, die als orthogeriatrisches Patientengut gelten und oft durch Low-Energy-Trauma betroffen sind (1,2). Das hohe Lebensalter stellt einen essenziellen Risikofaktor dar (3). Die Zahl der über 67-Jährigen stieg von 1990 bis 2018 um 54 % auf 15,9 Millionen und wird bis 2050 weiter zunehmen (4). In Deutschland gibt es etwa 90 Fälle pro 100.000 Einwohner, was jährlichen Behandlungskosten von 18.759 Euro pro Patient entspricht (5,6,7,8). Die Ein-Jahres-Mortalität liegt bei 23,3 % (7), und nur 40–60 % der Patienten erreichen ihre frühere Mobilität (13). Die Dissertation untersucht die biomechanische Stabilität zweier Refixierungsmethoden des Trochanter-minor-Fragments Drahtcerclage und Direktverschraubung bei der Implantation einer dynamischen Hüftschraube (DHS). Dabei soll geprüft werden, ob die Direktverschraubung bei geringerem technischem Aufwand eine vergleichbare Stabilität wie die Drahtcerclage bietet. Zusätzlich werden zwei Knochenzemente PMMA und bioresorbierbarer Zement hinsichtlich ihrer Mikrostabilität mittels Nano-CT verglichen. Es wird untersucht, ob der bioresorbierbare Zement durch seine chemischen und pharmakologischen Eigenschaften ein besseres Einwachsen der Trabekel ermöglicht. Die Studie wurde nach positivem Ethikvotum (Ref. Nr: 8-030) und finanzieller Unterstützung durch FÖFOLE durchgeführt. Methodik: Die Methodik der Studie gliedert sich in zwei Abschnitte: Im ersten Teil wird die biomechanische Makrostabilität zweier Osteosyntheseverfahren (Drahtcerclage vs. Direktverschraubung) bei proximalen Femurfrakturen untersucht. Im zweiten Teil wird die Mikrostabilität von PMMA- und bioresorbierbarem Knochenzement mittels Nano-CT anhand der Zement-Trabekel-Interphase beurteilt. Für die Tests wurden 14 Kunstknochen und 16 humanen Femora verwendet, die speziell präpariert und instrumentiert wurden. Zur Messung der biomechanischen Stabilität kamen Materialprüfmaschinen und ein Kamerasystem zum Einsatz. Die radiologische Analyse erfolgte mit Nano-CT und Software-basierten Auswertungen zur quantitativen Erfassung der Zement-Trabekel-Abstände. Die Studie erfüllt die Gütekriterien Objektivität, Reliabilität und Validität. Ergebnisse: Alle Zugtests zeigten keine signifikanten Unterschiede zwischen der Refixierung mittels Direktverschraubung und Drahtcerclage, sowohl bei Kunstknochen als auch bei Humanpräparaten. Die absoluten Werte zeigten jedoch höhere Ausreißkräfte nach Direktverschraubung im Vergleich zur Drahtcerclage. Die Oberflächenspannung war bei Präparaten mit Direktverschraubung geringer als bei solchen mit Drahtcerclage, während bei Kunstknochen der gegenteilige Effekt beobachtet wurde. Beide Effekte waren statistisch nicht signifikant. Im Vergleich der Knochenzemente zeigte der bioresorbierbare Zement eine geringere Frakturspalt-Dislokation und eine höhere axiale Steifigkeit im Vergleich zum PMMA-Zement, jedoch ohne statistische Signifikanz. Der Abstand zwischen Zement und Trabekel verringerte sich beim bioresorbierbaren Zement signifikant um 8,51 %, während er sich beim PMMA-Zement um 12 % vergrößerte. Vor und nach der Belastung war die Verzahnung der Zement-Trabekel-Interphase beim bioresorbierbaren Zement signifikant enger als beim PMMA-Zement, wobei die Differenz nach der Belastung sogar 32,5 % betrug. Schlussfolgerung: Basierend auf den Studienergebnissen wird bei Verwendung einer DHS die Direktverschraubung eines abgesprengten Trochanter-minor-Fragments bei pertrochantären Femurfrakturen empfohlen, da sie die Primärstabilität der Osteosynthese erhöht und potenzielle Komplikationen wie zusätzliche Inzisionen sowie Blutungs- und Infektionsrisiken, die mit Drahtcerclagen verbunden sind, vermeiden kann. Für die Augmentation von Osteosyntheseimplantaten wird der bioresorbierbare Knochenzement als Alternative zu PMMA empfohlen, da er vergleichbare Stabilität bietet und dessen Nachteile eliminiert. Es sind jedoch weitere klinische Studien erforderlich, um eine endgültige Handlungsempfehlung auszusprechen.

Abstract

Background: Fractures of the proximal femur are common traumatic injuries, particularly among elderly patients classified as orthogeriatric, who are frequently affected by low-energy trauma (1,2). Advanced age is a significant risk factor (3). The number of individuals aged over 67 years increased by 54% from 1990 to 2018, reaching 15.9 million, and is expected to continue rising by 2050 (4). In Germany, there are approximately 90 cases per 100,000 inhabitants, resulting in annual treatment costs of €18,759 per patient (5,6,7,8). The one-year mortality rate is 23.3% (7), and only 40–60% of patients regain their pre-fracture mobility (13). This dissertation examines the biomechanical stability of two refixation methods for the Trochanter minor fragment, wire cerclage and direct screw fixation during the implantation of a dynamic hip screw (DHS). The objective is to assess whether direct screw fixation provides comparable stability to wire cerclage with less technical effort. Additionally, two bone cements, PMMA and bioresorbable cement are compared in terms of their micro-stability using Nano-CT. The study investigates whether the bioresorbable cement, due to its chemical and pharmacological properties, facilitates better trabecular integration. The study was conducted following ethical approval (Ref. No.: 8-030) and was financially supported by FÖFOLE. Methods: The methodology of the study is divided into two sections: The first section assesses the biomechanical macro-stability of two osteosynthesis techniques (wire cerclage vs. direct screw fixation) in proximal femur fractures. The second section evaluates the micro-stability of PMMA and bioresorbable bone cements using Nano-CT, focusing on the cement-trabecular interface. Fourteen artificial bones and sixteen human femora, specially prepared and instrumented, were used for testing. Material testing machines and a camera system were employed to measure biomechanical stability. Radiological analysis was performed using Nano-CT and software-based evaluations to quantitatively assess the cement-trabecular distances. The study adhered to the criteria of objectivity, reliability, and validity. Results: All tensile tests revealed no statistically significant differences between direct screw fixation and wire cerclage in both artificial bones and human specimens. However, absolute values indicated higher avulsion forces following direct screw fixation compared to wire cerclage. Surface tension in specimens treated with direct screw fixation was lower than in those treated with wire cerclage, while the opposite effect was observed in artificial bones. Both effects were not statistically significant. In the comparison of bone cements, the bioresorbable cement demonstrated less fracture gap displacement and higher axial stiffness than PMMA cement, though without statistical significance. The distance between cement and trabeculae decreased significantly by 8.51% in the bioresorbable cement group, while it increased by 12% in the PMMA group. Before and after loading, the cement-trabecular interface was significantly closer in the bioresorbable cement than in the PMMA cement, with the post-loading difference reaching 32.5%. Conclusion: Based on the study results, the use of direct screw fixation for a detached Trochanter minor fragment in pertrochanteric femur fractures during DHS implantation is recommended, as it enhances primary stability and reduces potential complications such as additional incisions, bleeding, and infection risks associated with wire cerclage. For the augmentation of osteosynthesis implants, bioresorbable bone cement is recommended as an alternative to PMMA, as it provides comparable stability while eliminating the disadvantages associated with PMMA. However, further clinical studies are necessary to establish definitive clinical recommendations.

• Item Type: Theses (Dissertation, LMU Munich)
• Subjects: 600 Technology, Medicine; 600 Technology, Medicine > 610 Medical sciences and medicine
• Faculties: Faculty of Medicine
• Language: German
• Date of oral examination: 1. April 2026
• 1. Referee: Ehrnthaller, Christian
• Signature of the printed copy: 0700/UMD 22754