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Interface- und Zementmantelanalyse zementierter Hüftendoprothesen unter dem Aspekt der frühzeitigen, aseptischen Prothesenlockerung am Tiermodell Schaf

Zander, Yvonne


Originalveröffentlichung: (2009) Giessen : VVB Laufersweiler
pdf-Format: Dokument 1.pdf (3.053 KB)

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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Veterinäranatomie, -Histologie und –Embryologie; Klinik für Orthopädie u. Unfallchirurgie, RWTH Aachen
Fachgebiet: Veterinärmedizin
DDC-Sachgruppe: Landwirtschaft
Dokumentart: Dissertation
Zeitschrift, Serie: Edition scientifique
ISBN / ISSN: 978-3-8359-5505-9
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 20.11.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 21.12.2009
Kurzfassung auf Deutsch: Im Bereich der zementierten Hüftendoprothetik bleibt das Problem der aseptischen
Implantatlockerung trotz zahlreicher Neuerungen und vielfältiger Forschungsbemühungen bislang ungelöst. Von besonderer Relevanz ist diese Problematik bei der Pfannenimplantation mit erhaltener, sklerotischer, subchondraler Knochenlamelle als biologisch wichtige Knochenstruktur sowie beim zementierten Femurschaftwechsel mit glattem Femurendost. In beiden Situationen ist eine mikro- und makromechanische Zementverankerung im Knochen aufgrund fehlender spongiöser Anteile nahezu unmöglich. Da eine chemische Bindung
zwischen hydrophobem Knochenzement und hydrophilem Knochen nicht stattfindet, kommt es leicht zum hydrolysebedingtem Versagen der Zement-Knochen-Grenzfläche.
Um diese reduzierte Verbundfestigkeit zwischen Knochenzement und Knochen zu
verbessern, wurde ein neuartiger, amphiphiler Knochenhaftvermittler zur
Oberflächenkonditionierung des knöchernen Implantatlagers eingeführt. Dieses
Haftvermittlersystem ermöglicht durch Kopolymerisation seiner Komponenten eine chemisch stabile Bindung zwischen hydrophilem Knochen und hydrophobem Zement. In ex-vivo Versuchen konnte eine erhöhte Haftfestigkeit an der Knochen-Zement-Grenzfläche durch Anwendung des Knochenhaftvermittlers bereits nachgewiesen werden.
Ziel dieser Arbeit war es, die Biokompatibilität und die erhöhte Verbundfestigkeit des Knochenhaftvermittlers unter realen Bedingungen im Organismus und unter physiologischer Belastung im Tierversuch zu überprüfen.
Bei der Selektion des optimal geeigneten Tiermodells wurden im tierartlichen Vergleich Vorund Nachteile der verschiedenen Tierspezies besonders im Bezug auf die Hüftgelenksanatomie und die Knochenstruktur eruiert. Die Wahl des Tiermodells Schaf war zum einen in den Vorteilen der Haltung und der Handhabung, vor allem aber in den strukturell-anatomischen Gegebenheiten begründet. So kann durch das glatte, wenig spongiöse Femurendost des Schafes eine Prothesenwechselsituation simuliert werden.
Außerdem weist das Schaf im Gegensatz zum Schwein eine dicke sklerotische
Knochenlamelle unter dem azetabulären Knorpel auf, was den Gegebenheiten des Menschen entspricht.
Bei insgesamt 20 Schafen wurde eine zementierte Hüfttotalendoprothese eingesetzt, 10 Tiere fungierten als Kontrollgruppe. Bei den anderen 10 Schafen der Verumgruppe erfolgte eine Oberflächenkonditionierung des knöchernen Implantatlagers von Femur und Azetabulum mittels des neuartigen Knochenhaftvermittlers. Um Knochenwachstum und Knochenumbauvorgänge histologisch darzustellen, wurde den Schafen ab dem 21. postoperativen Tag Fluoreszenzfarbstoffe nach einem vorgegebenen Injektionsschema
verabreicht. Nach einer Standzeit von neun Monaten wurden die Tiere euthanasiert. Zur radiologischen Beurteilung wurden postoperativ sowie nach der Euthanasie Röntgenbilder angefertigt. Die Knochenexplantate von Azetabulum und Femur wurden makroskopisch beurteilt und nachfolgend histologisch aufgearbeitet und untersucht.
Eine klinisch erfassbare Prothesenlockerung trat bei keinem der Tiere auf, in der Kontrollgruppe fanden sich jedoch im Gegensatz zur Verumgruppe radiologisch sichtbare progrediente Lysesäume, die als Hinweis einer möglichen Lockerung gewertet werden können. Dies entspricht der makroskopisch besseren Zementanhaftung sowie des histologisch nachweisbaren direkten Kontakts zwischen Zement und Knochen ohne bindegewebige Zwischenschicht bei den Schafen der Verumgruppe mit Anwendung des Knochenhaftvermittlers. In der Fluoreszenzmikroskopie konnte in beiden Gruppen ein vitales Knochenlager mit Knochenumbauvorgängen nachgewiesen werden. In allen erfolgten
Untersuchungen fanden sich keine Hinweise auf eine mögliche Zytotoxizität oder
Kanzerogenität des Knochenhaftvermittlers.
Es ist also gelungen, auch unter physiologischer Belastung im Organismus eine erhöhte Verbundfestigkeit des Zement-Knochen-Interfaces durch Anwendung des amphiphilen Knochenhaftvermittlers nachzuweisen. Auch die Biokompatibilität des
Knochenhaftvermittlers war im Tiermodell Schaf sehr gut. Die Voraussetzungen für den klinischen Einsatz des Knochenhaftvermittlers als Oberflächenkonditionierung des knöchernen Implantatlagers in kontrollierten Langzeitstudien am Menschen sind somit gegeben.
Das Tiermodell Schaf hat sich für die Hüftgelenksendoprothetik als optimal geeignet herausgestellt und hat den Erwartungen vollständig entsprochen. Dies gewährleistet eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den Menschen.
Kurzfassung auf Englisch: Aseptic loosening remains the major problem of cemented total hip arthroplasty, although various innovations and research work were investigated in the past. This problem becomes even more relevant in the acetabular cup implantation without removal of the mechanically important subchondral sclerotic bone and in cemented femoral revisions with a smooth endosteum. Due to the lack of cancellous bone in both situations the micro- and macroretention of bone cement in the osseous bed becomes almost impossible. Because a chemical bond between the hydrophobic cement and the hydrophilic bone cannot be obtained
the bone-cement-interface is likely to fail.
A novel amphiphilic bonding system was developed as a bone surface conditioner in order to prevent hydrolytic debonding in the bone-cement-interface. Owing to the copolymerization of its components the amphiphilic bonder resembles a chemically stable compound between the hydrophilic bone and the hydrophobic bone cement. In former in-vitro test series an improved bonding strength between bone and bone cement was already confirmed with the use of the
novel amphiphilic bonding system.
The goal of the present study was to prove the biocompatibility of the amphiphilic bonder and to certify the improved bonding strength at the bone-cement-interface under physiologic weight bearing conditions in an animal model.
In order to extrapolate results from animal studies to the human situation the most suitable animal model had to be selected. In the interspecies comparison the advantages and disadvantages concerning bone structure and hip joint anatomy of the different animal species were evaluated. The sheep model was chosen due to its ease of housing and handling and even more importantly because of its skeletal anatomy. The smooth endosteum of the sheep
femur with its lack of cancellous bone makes a simulation of a human femoral revision possible. In contrast to pigs the sheep has a thick subchondral sclerotic bone at the acetabular site, which is very similar to the human situation.
A cemented total hip replacement was performed in a total of 20 sheep. In the verum group with 10 sheep (n=10) the surfaces of the femoral and acetabular implant beds were preconditioned with the novel amphiphilic bonding system prior to the prosthesis implantation. The other 10 sheep were referred to as a control group (n=10) without a surface conditioning. After the observation period of nine months all the sheep were euthanized.
Radiographs of the left hip joints were obtained postoperatively and after euthanasia. Bone samples from the acetabular region and the femur were gained and macroscopically and (fluorescent) microscopically evaluated.
Clinically loose implants could not be noticed in any of the used sheep. But the radiographs of the control group showed a higher rate of progredient lytic radiolucent lines in contrast to the verum group. The progredience of radiolucent lines can be valuated as an indicator for aseptic
loosening. These results were consistent with the macroscopic and microscopic findings. In the control group the implants could easily be pulled out of their osseous beds whereas the implants of the verum group with the use of the amphiphilic bonding system revealed a firm bonding. Histologically a direct contact between bone and bone cement without interposition of fibrous tissue was detected in the verum group compared to the control group.
Fluorescence microscopy showed vital osseous beds with bone remodeling in both groups. No indication of cytotoxic or cancerous potential of the amphiphilic bonding system was found.
In the sheep model with its physiologic weight-bearing conditions the higher bonding strength of the bone-cement interface when using the novel amphiphilic bonding system was confirmed. The bonder has shown good biocompatibility. Therefore the requirements are met for the clinical use of the amphiphilic bonding system in controlled long-term studies in humans.
The sheep model was an ideal model for hip joint prosthesis and fully met the expectations. For this reason the results retrieved from sheep can be extrapolated to the human situation.