Optimierung der Plattenosteosynthese mit Hydroxylapatit ... · LCP Locking compression plate LISS...

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Aus der Klinik für Kleine Haustiere der Tierärztlichen Hochschule Hannover ______________________________________________________________ Optimierung der Plattenosteosynthese mit Hydroxylapatit beschichteten AO/ASIF Schrauben nach Defektosteotomie INAUGURAL- DISSERTATION zur Erlangung des Grades einer Doktorin der Veterinärmedizin (Dr. med. vet.) durch die Tierärztliche Hochschule Hannover Vorgelegt von Claudia Melanie Bremer aus Peine Hannover 2004

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Aus der Klinik für Kleine Haustiere

der Tierärztlichen Hochschule Hannover

______________________________________________________________

Optimierung der Plattenosteosynthese

mit Hydroxylapatit beschichteten AO/ASIF Schrauben nach Defektosteotomie

INAUGURAL- DISSERTATION

zur Erlangung des Grades einer

Doktorin der Veterinärmedizin

(Dr. med. vet.)

durch die Tierärztliche Hochschule Hannover

Vorgelegt von Claudia Melanie Bremer

aus Peine

Hannover 2004

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Wissenschaftliche Betreuung: Univ.-Prof. Dr. M. Fehr Tierärztliche Hochschule Hannover

Prof. Dr. B. W. Wippermann

Städtisches Krankenhaus Hildesheim

1. Gutachter: Prof. Dr. M. Fehr

2. Gutachter: Prof. Dr. J. Rehage

Tag der mündlichen Prüfung: 28.05.2004

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Meiner Familie und Philipp

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Abkürzungsverzeichnis

Abb. Abbildung

AG Aktiengesellschaft AISI American Iron and Steel Institute

ANOVA Analysis of Variance

AO Arbeitsgruppe für Osteosynthesefragen

ap anterior posterior

As Arsen

ASIF Arbeitsgruppe zur Studie interner Fixationsmethoden

ASTM American Standard for Testing and Materials

Bdgw. Bindegewebe

bzw. beziehungsweise

ca. circa

Cd Cadmium

cm Zentimeter

cm3 Kubikzentimeter

CO2 Kohlendioxid

DCP Dynamic compression plate

EDXA Energy dispersive x-ray analysis

EKG Elektrokardiogramm

Fa. Firma

F-Wert Wahrscheinlichkeitswert

g Gramm

ggr. geringgradig

GmbH Gemeinschaft mit beschränkter Haftung

Gr. Gruppe

° Grad

°C Grad Celsius

HA Hydroxylapatit

Hg Quecksilber

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hgr. hochgradig

i.m. intramuskulär

i.v. intravenös

ISO International Organization for Standardization

KGW Körpergewicht

KVS Kopfverriegelungsschraube LC-DCP Limited contact dymamic compression plate

LCP Locking compression plate

LISS Limited invasive stability system

M. Musculus

µg Mikrogramm

mA Milliampère

mAs Milliampèresekunde

mg Milligramm

mgr. mittelgradig

min Minute

ml Milliliter

mm Millimeter

mmHg Millimeter Quecksilbersäule

Nm Newtonmeter

nm Nanometer

Nmm Newtonmillimeter

Nr. Nummer

o.b.B. ohne besonderen Befund

OP Operation

P Probe

PC Personal Computer

PC-Fix Point contact fixateur

Pixel Bildpunkte

p. o. post operationem

% Prozent

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® Warenzeichen

Reak. Reaktion

s.c. subcutan

s.o. siehe oben

Tab. Tabelle

UK United Kingdom USA United States of America

V. Vena

Vol % Volumenprozent

wt % weight percent, Gewichtsprozent

z.B. zum Beispiel

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Inhaltsverzeichnis

1 EINLEITUNG 11

2 LITERATUR 13

2.1 Übersicht einiger Osteosyntheseplatten an langen Röhrenknochen 15

2.2 Schrauben 18

2.3 Reaktion von Knochen auf das Implantieren von Schrauben 19

2.4 Beschichtung der Implantate 21

3 MATERIAL UND METHODEN 23

3.1 Versuchstiere 23

3.2 Operationsinstrumentarium und Versuchsgruppen 23

3.3 Operationsvorbereitungen 25

3.4 Narkose 25

3.5 Operationstechnik 26

3.6 Postoperativer Verlauf und Nachsorge 27

3.7 In-vivo-Untersuchungen 28

3.7.1 Klinische Untersuchungen 28

3.7.2 Röntgenuntersuchungen 29

3.8 Ex-vivo-Untersuchungen 29

3.8.1 Biomechanische Prüfungen 31

3.8.1.1 Ausdrehmomente der Schrauben 31

3.8.1.2 Vorbereitung der Tibiae für den Torsionsversuch 32

3.8.1.3 Ablauf des Torsionsversuches 32

3.8.1.4 Auswertung der Messkurven 34

3.8.1.5 Frakturklassifikation nach White und Panjabi 34

3.8.2 Mikroskopische Untersuchungen 35

3.8.2.1 Trenn-Dünnschliff-Technik 35

3.8.2.2 Vorbereitung der Gewebe für die Fixation 36

3.8.2.3 Infiltration 36

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3.8.2.4 Einbettung und Polymerisation 36

3.8.2.5 Erstellung des Dünnschliffs 37

3.9 Histologie 37

3.9.1 Masson-Goldner 37

3.9.2 Toluidin-Blau 38

3.10 Statistik und Datenerfassung 38

4 ERGEBNISSE 39

4.1 Komplikationen im Pilot- und Hauptversuch 39

4.2 Klinische und makroskopische Beurteilung 41

4.3 Makroskopische Beurteilung der Osteotomiebereiche nach Euthanasie 42

4.4 Biomechanische Prüfungen 44

4.4.1 Ergebnisse der Ausdrehmomente der KVS 44

4.4.2 Ergebnisse des Torsionsversuches 47

4.4.2.1 Messwerte 48

4.4.2.2 Wertung und Zuordnung nach White und Panjabi 51

4.5 Röntgen 53

4.5.1 Standardröntgen 53

4.5.2 Röntgenbefunde post operationem 55

4.5.3 Röntgenbefunde zwölf Wochen post operationem 55

4.5.4 Röntgenbilder: Verlauf der Frakturheilung 56

4.6 Ergebnisse der Schraubenuntersuchung 58

4.6.1 Makroskopische Beurteilung der extrahierten Schrauben 58

4.6.2 Histologische Beurteilung der Schrauben 61

4.7 Histologische Ergebnisse der Knochenpräparate 61

5 DISKUSSION 66

5.1 Methode 66

5.2 Diskussion der Ergebnisse 70

6 ZUSAMMENFASSUNG 75

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7 SUMMARY 78

8 LITERATURVERZEICHNIS 80

9 DANKSAGUNG 94

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1. Einleitung 11

1 Einleitung

Seit Ende des 19. Jahrhunderts wurden in der Veterinärmedizin immer wieder Fälle

mit verschiedenen, neuartigen Osteosynthesetechniken beschrieben. Diese

resultierten aus den großen Schwierigkeiten, Brüche mit zufrieden stellendem

Ergebnis konservativ zu versorgen (Prieur, 1982). Seit den vierziger Jahren kommen

beim Kleintier häufig Frakturen aufgrund von Verkehrsunfällen vor. Somit haben alle

neuen Erkenntnisse in der Frakturbehandlung einen hohen Stellenwert in der

Veterinärmedizin (Prieur, 1984).

Die Plattenosteosynthese bzw. interne Fixation, als ein Verfahren zur Stabilisierung

der reponierten Knochenfragmente, ermöglicht mit Hilfe der fixierten Platte eine

ungestörte Frakturheilung. Bei dieser Art von Osteosynthese ist der Verlust der

Stabilität durch vorzeitiges Lockern der verwendeten Schrauben die

Hauptgefährdung des Erfolgs und somit, neben verzögerter Heilung und

Pseudarthrose, eine wichtige Komplikationsmöglichkeit (David et al.1993; Gautier et

Perren, 1992). Mechanische Biegebelastungen, so genannte bendings, auf die

eingedrehten Implantate bewirken deren Lockerung, in dem es bei kritischer

Wechsellast zu Mikrobewegungen im Knochen-Schrauben-Interface mit dort

einhergehender Knochenresorption kommt (Uhthoff u. Germain, 1977). Diese

Erkenntnisse beeinflussen die Entwicklung von den verwendeten Platten und den

dazugehörigen Schrauben. Eine Optimierung der mechanischen Verankerung im

Knochengewebe wird durch die Wahl der Werkstoffe und des Designs der

verwendeten Osteosynthesemittel erreicht. Die Oberflächenbehandlung der Schrauben mit unterschiedlichen Verfahren und Materialien erweist sich als

besonders stabilitätsfördernd. So bewirkt die Beschichtung mit Hydroxylapatit ein

unmittelbares Anwachsen von Knochengewebe an das Schraubengewinde, was zur

knöchernen Einheilung und einer guten mechanischen Haftung im Knochengewebe

führt (Osborn 1985a, b; David et al., 1993, 1994).

Diese Studie soll evaluieren, ob der bessere Knochen-Schrauben-Kontakt bei der

Verwendung von hydroxylapatitbeschichteten Implantaten zu einer höheren Stabilität

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1. Einleitung 12

der Osteosynthese im Frakturmodell unter Vollbelastung führt. Für die Erörterung

wurde ein tierexperimenteller Versuch mit nachfolgenden Vorraussetzungen gewählt:

An den Versuchstieren wurde ein 5 mm langer Tibiasegmentdefekt gesetzt und

nachfolgend mit einer Locking-Compression-Plate (LCP) in Verbindung mit

monokortikalen Kopfverriegelungsschrauben (KVS) überbrückt. Es wurden sowohl

unbeschichtete als auch mit Hydroxylapatit beschichtete Schrauben verwendet. Nach einer 12-wöchigen Beobachtungszeit kam es zur Auswertung der klinisch,

röntgenologisch, morphologisch, biomechanisch und histologisch gewonnenen

Daten.

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2. Literatur 13

2 Literatur

Als Ziel einer korrekten Anwendung von Osteosyntheseplatten und Schrauben gilt

die optimale Stabilität im Frakturbereich, die eine rasche, schmerzfreie Funktion der

Gliedmaße erlaubt (Denny, 1996).

So wurden in den Anfangsjahren der AO (Arbeitsgemeinschaft für

Osteosynthesefragen) 1958/59 von deren Gründern Behandlungsprinzipien für eine

erfolgreiche Frakturbehandlung postuliert. Die Chirurgen dieser Arbeitsgruppe

integrierten dazu biomechanische Maßstäbe zur erfolgreichen Versorgung von

Frakturen durch interne Fixation. Diese sind in der AO/ASIF Methode zur

Wiederherstellung der vollständigen Funktion verletzter Gliedmaßen

zusammengefasst. Auch heute haben die damals aufgestellten vier

Behandlungsprinzipien noch weitgehende Gültigkeit (Müller et. al., 1992). Sie

beinhalten eine atraumatische Operationstechnik, eine optimale Rekonstruktion der

anatomischen Verhältnisse, eine stabile interne Fixation, sowie die Vermeidung von

Weichteilschäden und der Frakturkrankheit durch frühe aktive Mobilisation (Müller et

al., 1977; Brinker et al., 1984).

Während früher die radiologisch kallusfreie primäre Knochenheilung bei allen

Frakturen angestrebt wurde, wird dieses Ziel heute nur bei intraartikulären Frakturen

angestrebt. Bei nur relativer Stabilität wird der radiologische Nachweis von Kallus als

wünschenswert angesehen. Er beweist die erhaltene Blutversorgung, weil damit die

Frakturfragmente langsam miteinander ”verschweißt” werden. Dem Prinzip der

möglichst schonenden atraumatischen Operationstechnik kommt heute mehr denn je

Bedeutung zu, denn die mechanisch weniger stabile, so genannte biologische

Osteosynthese ist weitgehend auf den Erhalt der Blutversorgung angewiesen (Müller

et al., 1992). Die biologische Osteosynthese ist charakterisiert durch ein minimales

chirurgisches Trauma, ein Verzicht auf genaue Reposition der Nebenfragmente und

eine flexible Fixation. Bei der flexiblen Fixation ist die frühe Abstützung der, der

Platte gegenüberliegenden Kortikalis durch Kallusbildung wichtig. Die biologische

Osteosynthese ist, sofern auf absolute Stabilität verzichtet wird, bei einfachen

Frakturen kontraindiziert, da bei einfachen, gut adaptierten Frakturen die geringste

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2. Literatur 14

Beweglichkeit der Fragmente zu nicht tolerierbaren Dehnungen führt (Mast et al.,

1989).

Bei der Plattenosteosynthese kommt es je nach Frakturtyp und verwendetem

Plattentyp entweder zur direkten oder indirekten Knochenbruchheilung. Im Laufe der

Geschichte zeigt sich eine Entwicklung von der reinen Schienung (Hansmann 1886;

Venable et al. 1947) mittels einer Platte hin zur interfragmentären Kompression als stabilitätserhöhendes Prinzip (Eggers, 1948; Venable, 1951; Müller et al., 1963;

Algöwer et al., 1969).

Bei der direkten Knochenheilung, wird im Vergleich zur indirekten, radiologisch keine

relevante Kallusbildung sichtbar (Müller et. al., 1992). Sowohl die Kontaktheilung, bei

der der Frakturspalt mittels spezialisierter Zellen über die Haverschen Systeme

überbrückt wird, als auch die Spaltheilung, welche sich durch in den Frakturspalt

einsprossende Kapillaren auszeichnet, gelten als Formen der primären

Frakturheilung (Schink, 1969). Durch Kompression auf eine Fraktur wird eine primäre

bzw. kortikale Knochenvereinigung erreicht, bei der eine direkte Rekonstruktion in

der Längsachse erfolgt und bei der röntgenologisch keine periostale oder endostale

Kallusbildung sichtbar ist (Müller et al., 1970). Die absolute Ruhigstellung einer

Fraktur ist durch interne Fixation und Kompression auf den Frakturspalt zu erzielen.

Die indirekte Knochenheilung wird radiologisch charakterisiert durch Kallusbildung,

Vergrößerung des Frakturspaltes und später durch das Auffüllen des Frakturspalts

mit neu gebildetem Knochen, welcher anfangs eine unregelmäßige, später eine klar

erkennbare, dichte Struktur aufweist. Diese Struktur ergibt sich aus dem inneren

Umbau des Havers-Systems. Dieser Umbau kann jahrelang dauern (Müller et al

1992).

Neue Erkenntnisse in der Knochenbiologie führen zu einer angepassten

Osteosynthesetechnik, in der der Erhaltung der Knochen- und Fragmentvitalität

höchste Bedeutung zukommt. Dabei ist die anatomische Reposition

multifragmentärer Frakturen weitgehend verlassen worden. Ein erster

Entwicklungsschritt dazu, stellt zunächst die Entwicklung der LC-DCP (Limited

contact dynamic compression plate), welche die implantatbedingte vaskuläre

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2. Literatur 15

Schädigung des Kochens verkleinert, dar (Gautier u. Perren, 1992). Um den

negativen Effekt der Kompressionskräfte am Periost zu überwinden, wurde später

der Fixateur interne entwickelt. Bei diesem System liegt der Schlüssel zum Erfolg in

der winkelstabilen Verriegelung der Schrauben im Implantat, welche dafür sorgt,

dass die Kompressionskraft vom Implantat (Platte) an der Knochenoberfläche nicht

mehr notwendig ist, um eine ausreichende Stabilität am Knochen-Implantat-Konstrukt zu erlangen. Sie verbessert die Frakturheilung und bewirkt eine exzellente

Haltekraft sogar in osteoporotischen Knochen (Frigg, 2001; Perren 2002; Schütz u.

Südkamp, 2003;).

2.1 Übersicht einiger Osteosyntheseplatten an langen Röhrenknochen

Platten unterscheiden sich im Design und äußerer Form (einschließlich der Löcher)

sowie in ihrer Funktion. Eine Neutralisationsplatte wird nach interfragmentärer Kompression z. B. mittels

Zugschraube(n) an der Zugseite des Knochens angebracht. Sie entlastet die fixierten

Fragmente von übermäßiger Belastung durch Druck, Biegung und Torsion und

neutralisiert deren Kräfte (Schebitz et al., 1993). Es besteht die Möglichkeit, jede Art

von Platte als Neutralisationsplatte bzw. Sicherheitsplatte zu verwenden, solange

durch sie keine Kompression erzeugt wird (Denny, 1996). Die Abstützplatte dient der Knochenschienung, indem sie die einwirkenden Kräfte

von einem zum anderen Hauptfragment überträgt und dazwischen liegende

Trümmerbrüche, die nicht ausreichend durch Zugschrauben fixiert werden können,

sowie Einlagerungen von autologer Spongiosa absichert (Schebitz et al., 1993).

Platten mit Kompressionswirkung ermöglichen durch eine Kombination von

Schraubenlochgeometrie und exzentrischer Schraubenlage die Erzeugung von

axialer Kompression auf den Frakturspalt.

Die erste von der AO konzipierte Platte mit eingebauter Kompressionsmöglichkeit war die Halbrohrplatte. Durch exzentrisches Platzieren der Schrauben im ovalen

Plattenloch kann eine Kompression aufgebaut werden. Voraussetzung für die axiale

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2. Literatur 16

Kompression ist die perfekte Adaption der Fragmente im Frakturbereich. Drittelrohrplatten finden ihren Anwendungsbereich in der Behandlung von

Malleolar- und Metatarsalfrakturen. Viertelrohrplättchen werden in der

Handchirurgie eingesetzt (Denny, 1996; Müller et al., 1992). Die Spann-Gleitloch-Platte oder Dynamische Kompressionsplatte (DCP) stellt eine

Weiterentwicklung der herkömmlichen Rundlochplatte dar. Das Hauptmerkmal der DCP ist das Design des Schraubenloches, welches auf dem sphärischen Gleitprinzip

basiert. Diese selbstkomprimierende Platte besitzt die Fähigkeit, die Verschiebung

der Fragmente gegen die Frakturebene zu erzielen. Beim Eindrehen der Schraube

legt sich der Schraubenkopf so eng der hemizylindrischen Form des

Schraubenloches an, dass sich die Platte verschiebt und damit den Frakturspalt

komprimiert (Prieur, 1984; Gautier u. Perren, 1992; Müller et. al., 1992; Schebitz et

al., 1993).

Zur Reduzierung der kortikalen Durchblutungsstörung aufgrund des unmittelbaren Platten-Knochen-Kontakts in voller Fläche wurde die LC-DCP (Limited Contact Dynamic Compression Plate) entwickelt, welche einen 50% geringeren Platten-

Knochen-Kontakt (Hertel et al., 2001) im Vergleich zur DCP aufweist (Schütz u.

Südkamp, 2003). Sie besteht aus Reintitan, welches als Implantat eine besonders

gute Verträglichkeit aufweist. Die unterschnittenen Plattenlöcher erlauben eine

größere Neigung der Plattenschrauben in Plattenlängsrichtung auf bis zu 40 Grad,

was das Einbringen von Plattenzugschrauben erleichtert. Das sphärische Gleitprinzip

ist bei der LC-DCP an beiden Enden der Plattenlöcher möglich. Somit können durch

das Selbstspannprinzip mehrere Frakturebenen bei Mehretagenfrakturen

miteinander komprimiert werden. Die reduzierte Plattenauflage trägt im Hinblick auf

die biologische Osteosynthese erheblich zur Erhaltung der intrakortikalen

Gewebeperfusion bei. Der trapezförmige Plattenquerschnitt erleichtert zudem die

spätere Implantatentfernung (Perren und Gautier, 1992). Der Point Contact Fixateur (PC-Fix) ist die erste Fixationsplatte, bei der die

Winkelstabilität durch die konische Verbindung von Schraubenköpfen mit den

Schraubenlöchern in der Platte erreicht wurde (Schütz u. Südkamp, 2003). Die

Entwicklung des PC-Fix bedeutete eine Reduzierung des Kontaktbereichs (Knochen-

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2. Literatur 17

Platte) auf nur ein paar kleine einzelne Punkte (Hertel et al., 2001). Das neu

entwickelte Plattendesign bewirkt eine Verbesserung der Durchblutungsverhältnisse

in der implantatnahen Kortikalis und damit die Erhaltung des vitalen und

reaktionsfähigen Knochengewebes mit verbesserter Heilungstendenz in der

kritischen Zone unter der Platte (Gautier et al., 1995). Der PC-Fix kann funktionell als

ein komplett implantierter Fixateur externe aufgefasst werden (Perren u. Buchanan, 1995). Eine weitere Reduzierung der Knochenschädigung lässt sich durch die

Möglichkeit der Verwendung monokortikaler Schrauben erzielen (Tepic u. Perren,

1995). Beschränkungen ergaben sich für den PC-Fix in den epi- und metaphysären Bereichen. Deshalb wurde für diese Regionen das LISS (Limited Invasive Stability System), erst für den distalen Femur und später für die proximale Tibia, entwickelt

(Dell Oca u. Regazzoni, 2000). Diese beiden so genannten "Locked Internal Fixators"

bestehen aus Platten- und Schraubensystemen, bei denen die Schrauben in der

Platte verriegelt werden. Diese Verriegelung minimiert die kompressiven Kräfte, die

von der Platte auf den Knochen ausgeübt werden (Wagner, 2003). Untersuchungen

haben gezeigt, dass die LC-DCP und der PC-Fix weniger traumatisch auf die

Blutzirkulation der Kortex einwirken als die herkömmliche DCP (Moroni et al., 2003). Die Locking Compression Plate (LCP) der AO/ASIF baut auf den großen

Erfahrungen mit Standardplatten und -schrauben sowie dem Fixateur interne auf. Sie

erlaubt sowohl die Anwendung der Standardplattentechnik und des Fixateur interne

Prinzips, als auch die gezielte Kombination beider Methoden (Frigg, 2001). Die

Entwicklung der LCP war nur auf Grundlage der mit dem PC-Fix und des LISS

gewonnenen Erfahrung möglich. Hinsichtlich mechanischer, biomechanischer und

klinischer Ergebnisse kann die neue LCP mit Kombinationslöchern in Abhängigkeit

von der Frakturlage als Kompressionsplatte, verriegelter Fixateur interne oder als

inneres Fixationssystem unter Kombination beider Techniken verwendet werden. Für

die Minimal Invasive Perkutane Osteosynthese (MIPO) ist es besonders von Vorteil,

dass bei dieser neuen Fixationsmethode keine Notwendigkeit mehr besteht, dass die

Platte den Knochen überhaupt noch berührt. Ein präzises anatomisches Anpassen

einer Platte ist aufgrund der neuen Schrauben sowie dadurch, dass die Platte nicht

mehr auf den Knochen gepresst werden muss, um Stabilität zu erreichen, nicht mehr

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2. Literatur 18

erforderlich. Dies beugt der primären Dislokation vor, welche durch inexaktes

Anpassen einer Platte verursacht wird (Wagner, 2003). Die neue Geometrie des

Kombinationslochs ermöglicht die Verwendung von vier verschiedenen Schrauben,

der Standardspongiosaschraube, der Kortikalisschraube, sowie der

selbstschneidenden und selbstbohrenden, monokortikalen oder bikortikalen

Kopfverriegelungsschraube (Schütz u. Südkamp, 2003; Gautier et al., 2003).

2.2 Schrauben

Schrauben werden entweder als Zugschrauben zur stabilen Fixation von

Knochenfragmenten, oder aber zur Befestigung von Platten oder ähnlichen

Vorrichtungen am Knochen verwendet (Müller et. al.1992).

Die Haltekraft von Schrauben beruht nicht nur auf ihrem Design, sondern auch auf

dem durch die Insertion in den Knochen gesetzten Trauma, der Reaktion des

Knochens auf das Implantat und seiner Resorption sowie Wiederherstellung als ein

Ergebnis der Heilung (Schatzker, 1975 b).

Von der AO/ASIF wurden zunächst zwei Schraubentypen entwickelt, die

Kortikalisschraube für die harte Kompakta der Diaphyse und die Spongiosaschraube

für die weichere Spongiosa der Meta- und Epiphyse (Denny, 1996). Diese

Schrauben, entwickelt für den Einsatz an konventionellen Platten, haben die

Funktion die Platte auf die Knochenoberfläche zu pressen (Perren, 2001), bzw.

interfragmentäre Kompression auszuüben (Müller, 1992). Das Gewinde der

Kortikalisschraube weist einen großen Kerndurchmesser, bei geringer Gewindetiefe

auf. Im Gegensatz dazu ist die Gewindetiefe und –steigung bei der

Spongiosaschraube größer, jedoch ist der Kerndurchmesser geringer im Vergleich

zur Kortikalisschraube (Neumann et al., 1993).

Während konventionelle Plattenschrauben die Platte auf die Knochenoberfläche

pressen, entsteht an der Kontaktfläche von Knochen und Implantat Reibung. Diese

Reibung überträgt die tangentiale Kraft zwischen den Oberflächen von Implantat und

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2. Literatur 19

Knochen. Standardschrauben sind somit für minimale Biegekräfte anfällig (Perren,

2001).

Die neu entwickelten Kopfverriegelungsschrauben (KVS) für PC- Fix, LISS sowie die

LCP sind in ihrer Funktion eher als Bolzen mit Gewinde an zu sehen. Sie pressen die

Platte jedoch nicht auf den Knochen. Des Weiteren übertragen sie mehr

Biegebelastung als konventionelle Schrauben. Aus diesem Grund ist ihr Schraubenkörper wesentlich dicker und kompakter. Das flache Gewinde muss nur

Zugkräften widerstehen und nicht selbst auch eine Kompression von Platte und

Knochen erzeugen (Perren, 2001). Diese veränderte Form der Kraft- und

Momentübertragung, welche nicht mehr gemischt über Reibung und Schrauben,

sondern nur über die Schraube allein erfolgt, erfüllt den Wunsch nach einer

Implantatkonfiguration mit minimalen Perfusionsstörungen und geringerer Porosität

unter der Platte. Erreicht wird dies über die winkelstabile Verriegelung des

Schraubenkopfes in der Platte (Tepic u. Perren 1995). Diese Form der Fixierung

macht einen Platten-Knochen-Kontakt überflüssig. Durch Verwenden monokortikaler

Schrauben wird die schraubenbedingte intramedulläre Durchblutungsstörung

zusätzlich minimiert (Tepic u. Perren 1995). Die KVS als selbstbohrende,

monokortikale Variante wird hauptsächlich an der Diaphyse mit vorliegender

optimaler Knochenqualität verwendet. Die selbstschneidende KVS wird in der Epi-,

Meta- und Diaphyse bikortikal verwendet (Gautier et al., 2003). Im Zuge der

Entwicklung der PC-Fix II wurde der konische Schraubenkopf, welcher sich

kompromisslos in das Plattenloch fügt, mit einem konischen Doppelgewinde

versehen, welches wiederum in Verbindung mit dem Gegengewinde in der Platte

eine winkelstabile Einheit bildet (Frigg, 2001). Die Entwicklung des

Kombinationsloches in der LCP war erst aufgrund der Erfahrungen der

unterschiedlichen KVS im LISS-System und im PC-Fix möglich.

2.3 Reaktion von Knochen auf das Implantieren von Schrauben

Die Schraube erhält ihre primäre Fixierung durch die Kompressionskräfte des

kortikalen Knochens (Perren et al., 1978; Bähr 1989). Das Gewinde von frisch

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2. Literatur 20

eingedrehten Schrauben steht, bis auf die lasttragenden Teile, nicht in direktem

Kontakt mit dem umgebenden Kompaktknochen. Die restlichen Teile der in den

Knochen eingedrehten Schrauben, sind gelegentlich bis zu 150 µm vom

Knochengewebe entfernt (Uhthoff u. Germain, 1977). Dieser mechanisch bedingte

Zwischenraum zwischen Schraubengewinde und Knochen füllt sich direkt nach dem

Eindrehen mit Granulationsgewebe (Orten et al. 1986). Dies stellt die Vorraussetzung dar, dass sich innerhalb von zwei Wochen nach der Implantation um

das Schraubengewinde endostaler und periostaler Kallus bildet.

Besteht im Frakturbereich eine ausreichende Stabilität unter Ausschluss von

Mikrobewegungen, kommt es in der Grenzschicht zur Ansammlung mesenchymaler

Zellen, welche sich nachträglich zu Zellen mit osteogenetischer Kapazität

differenzieren (Uhthoff u. Germain, 1977). Mit der Produktion von Geflechtknochen

wird das vorhandene Granulationsgewebe ersetzt. Vier Wochen post operationem

kommt es zur Neubildung von Osteonen, welche den avitalen Knochen im Bereich

der Berührungszone von Gewinde und Kortex ersetzen. Weiterhin tritt eine

Reduzierung des Kallus im weiteren Verlauf der Knochenwiederherstellung auf.

Zwölf Wochen nach der Implantation ist der kortikale Knochen im Bereich der

eingedrehten Schraube gereift und der avitale durch lamellären Knochen ersetzt

(Clary u. Roe, 1995).

Mikrobewegungen zwischen Schraubengewinde und Knochen verursachen eine

kortikale Knochendeformation. Durch ausbleibende Revaskularisation tritt keine

Wiederherstellung des avitalen Knochens auf. Bei der Differenzierung

mesenchymaler Zellen werden vermehrt Osteoklasten und Fibroblasten gebildet,

welche zu einem vorherrschenden Resorptionsprozess führen. Dies bewirkt eine

völlige Ummantelung der Schraube mit dichtem fibrösem Bindegewebe und einem

daraus resultierenden Verlust der Haltekraft (Schatzker et al., 1975 a). Die vorzeitige

Lockerung von Osteosyntheseschrauben führt nach Frakturversorgung nicht selten

zu einem Verlust der primär erzielten Stabilität und gefährdet damit den Erfolg der

Osteosynthese selbst (Dávid et al., 1993). Diese Erkenntnisse haben dazu geführt,

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2. Literatur 21

Schrauben mit hoher Zugfestigkeit und optimaler mechanischer Verankerung im

Knochen zu entwickeln (Hutzschenreuter u. Brümmer, 1984; Wilke et al. 1990).

2.4 Beschichtung der Implantate

Untersuchungen zeigen, dass die Beschichtung von Metallimplantaten

erwiesenermaßen nachhaltig die Osteointegration fördert. Hierfür wurden bisher die

unterschiedlichsten Werkstoffe wie organische Materialien, poröse Metalle, Polymere

sowie Keramiken verwendet (Simske et al. 1997). Als stark biokompatibel mit einer

vergleichbaren Struktur von Knochen hat sich das zu den keramischen Werkstoffen

gehörende Hydroxylapatit [(Ca10(PO4)6(OH)2)] herausgestellt. Bis auf die wesentlich

höhere Kristallgröße im Vergleich zu biologischem Apatit (Cooke, 1992), weist es

dieselbe chemische und kristallographische Zusammensetzung auf (Osborn et al.

1980; Jarcho 1981).

Eine Oberflächenbehandlung, der bei der internen Plattenfixation verwendeten

Schrauben, erlaubt ein verbessertes Einwachsverhalten und somit eine bessere

Stabilität des gesamten Implantats. Das sehr spröde Hydroxylapatit ist keinen großen

mechanischen Belastungen gewachsen, es wird insbesondere bei Beschichtungen

von Metallen verwendet (Gosain et al. 2002). In diesem meist durch

Plasmasprayverfahren (Klein et al., 1994) erreichten Zustand ist Hydroxylapatit in der

Lage, seine osteoinduktive und –konduktive Wirkung mit der mechanischen Stabilität

von Metallen zu verknüpfen (Gosain et al., 2002). Bei den Schrauben, die in der

Osteosynthese verwendet werden, sollte die HA- Schichtdicke auf einen Bereich von

30-90 µm (Optimum 50 µm) eingestellt werden (Geesink et al. 1987,1988).

Die HA-Beschichtung kann nach Untersuchungen eine Knochenneubildung

induzieren, die die HA-Oberfläche der Schraube erreicht, ohne eine bindegewebige

Zwischenschicht auszubilden. Dies führt zu einer stabilen, mechanisch stark

belastbaren Verbindung (Osborn, 1985; David et al., 1993).

Ungeachtet des Plattendesigns ist die Fläche zwischen Knochen und implantierter

Schraube der schwächste Teil (Miclau et al., 1995). Bei jedem lang dauernden

Kontakt von Metall und Knochen kommt es zu einer Bildung von Bindegewebe

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2. Literatur 22

(Burnstein et al., 1972). Vor allem interne Fixationen, die nicht stabil sind, zeigten die

Bildung von einer dicken fibrösen Bindegewebsschicht und demzufolge einen

limitierten Knochen-Schrauben-Kontakt (Uhthoff 1973). Kommt es zu einem

schnellen Abfall der Kompression zwischen Schraubengewinde und Knochen,

verliert die Konstruktion ihre Steifheit, es kommt zum Verlust der Komplexität und

möglicherweise zu einem Versagen der Fixierung (Schatzker et al. 1975 a). Aus diesem Grunde konnten die klinischen Ergebnisse, mit einer optimierten

beschichteten Schrauben-Knochen-Fixation ohne die Einkapselung von

Bindegewebe im Bereich des Gewindes, verbessert werden.

Bisherige Untersuchungen zeigten, dass HA-beschichtete AO/ASIF Schrauben im

Gegensatz zu normalen Standardschrauben erwiesenermaßen für die höhere

Stabilität und Fixierungsstärke verantwortlich sind (Moroni et al., 2003). Die

fluoreszenzoptischen und histomorphometrischen Daten lassen unter den Gewinden

der HA-beschichteten Schrauben eine erhebliche Knochenneubildung erkennen,

während unter den polierten AO/ASIF Schrauben große Resorptionszonen zu

beobachten sind (Dávid et al., 1993).

Der klinische Einsatz von HA-beschichteten Schrauben ist daher vor allem bei

befürchteter potentieller Schraubenlockerung sowie einer nicht vorgesehenen

Entfernung des Implantats indiziert (Dávid et al., 1993).

Die vorliegende tierexperimentelle Untersuchung soll prüfen, ob in Verbindung mit

der neuen AO/ASIF Entwicklung der LCP in Verbindung mit

Kopfverriegelungsschrauben, die Osteosynthese unter Belastung durch eine HA-

Beschichtung der Schrauben optimiert werden kann.

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3. Material und Methoden 23

3 Material und Methoden

3.1 Versuchstiere

Vor Beginn dieser Versuchsreihe wurde bei der Bezirksregierung Hannover eine

Genehmigung für die Beschaffung der Versuchstiere und die Durchführung der

Versuche eingeholt (AZ 42579-02/579).

Als Versuchstiere wurden weibliche, mindestens 2-jährige ausgewachsene

Mutterschafe der Rasse Deutsches Schwarzköpfiges Fleischschaf ausgewählt. Alle

Tiere wurden von der Niedersächsischen Schafverwertung, Hannover, bezogen. Das

durchschnittliche Körpergewicht bei diesen Tieren lag bei 61 kg (55-82 kg).

Einschließlich dreier Pilottiere wurden insgesamt 11 Tiere operiert. Die operativen

Eingriffe an den Schafen fanden im Zeitraum von August 2002 bis April 2003 statt.

Die Tiere wurden über einen Zeitraum von 12 Wochen beobachtet. Im Juli 2003

erfolgte die Tötung der letzten zwei Tiere.

3.2 Operationsinstrumentarium und Versuchsgruppen

In dieser Studie wurden die Tiere im Hinblick auf die verwendeten Schrauben in zwei

Gruppen eingeteilt. In Gruppe A wurden monokortikale selbstschneidende 5 mm

Kopfverriegelungsschrauben (Firma Mathys, Am Bergbaumuseum 31, 47791

Bochum) mit einer Länge von 16 mm verwendet. In der Gruppe B hingegen wurden

Schrauben verwendet, welche im Gewindeteil mit Hydroxylapatit (JRL Ceramics Ltd.,

117 Leigh Street, Attercliffe Common, Sheffield, South Yorkshire, S9 2Pr England)

beschichtet waren. Die durch ein Plasmasprayverfahren aufgetragene

Hydroxylapatitschicht betrug 50 µm. Bei den zur Osteosynthese benutzten Platten,

handelte es sich um "Locking Compression Plates" (LCP, 4,5/5,0; Fa. Synthes) aus

Titan. Die Platten besaßen neun Kombinationsschraubenlöcher. Bei den Pilottieren

wurden zunächst Platten mit acht Schraubenlöchern verwendet. Die folgenden

Abbildungen (Abb 3.1-3.5) zeigen, die bei diesem Versuch verwendeten Implantate.

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3. Material und Methoden 24

Abb. 3-1 links: KVS unbeschichtet, rechts: KVS beschichtet

Abb. 3-2 LCP von oben

Abb. 3-3 LCP von unten

Abb. 3-4 Abb. 3-5

Abb. 3-4,5 Kombinationsloch der LCP

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3. Material und Methoden 25

Für die Operationen wurde ein Grundsieb mit Standardinstrumenten sowie das AO-

Instrumentarium (Fa. Synthes, Bochum) verwendet. Die Defektosteotomie an der

Schaftibia erfolgte mit Hilfe einer oszillierenden Säge der Fa. Synthes.

3.3 Operationsvorbereitungen

Jeweils einen Tag vor dem operativen Eingriff wurden die dafür vorgesehenen

Schafe in einem Auslauf ohne Futter untergebracht, um eine 24-stündige

Nahrungskarenz sicherzustellen. Wasser stand den Schafen ad libitum zur

Verfügung. Unmittelbar vor der Narkoseeinleitung wurde nach Schur und

Hautdesinfektion einer Halsseite ein Venenkatheter in die Vena jugularis gelegt.

3.4 Narkose

Die Narkoseeinleitung erfolgte durch Gabe von Midazolam (Curamed®, 5 mg/ml,

CuraMED Pharma GmbH, Karlsruhe, Deutschland) mit einer Dosierung von 0,2

mg/kg KGW und Propofol (Propofol®- Lipuro 1%, Fa. Braun Melsungen AG,

Deutschland), welches über den Venenkatheter injiziert wurde. Danach wurden die

Tiere mit einem blockbaren Endotracheltubus intubiert. Zur Vermeidung einer

Pansentympanie wurde eine Magensonde bis in den Pansen vorgeschoben.

Perioperativ wurde eine Antibiotikaprophylaxe mit einer Gabe von 1 ml/10 kg

Körpergewicht Tardomycel® (Depot Penicillin- Streptomycin-Kombination, Fa. Bayer,

Leverkusen) intramuskulär in die Oberschenkelmuskulatur durchgeführt. Eine Gabe

von 4 mg/kg Körpergewicht Rimadyl® (Carprofen, Fa. Pfizer, Karlsruhe) wurde zur

Entzündungshemmung und Schmerztherapie intravenös appliziert. Im Anschluss

erfolgte die Schur, Reinigung und Desinfektion der rechten Hinterextremität.

Nachdem die Tiere auf dem Operationstisch gelagert und fixiert wurden, erfolgte die

Einleitung der Inhalationsnarkose mit Isofluran. Während des operativen Eingriffs war

eine Isoflurankonzentration von 2,0-2,4 Vol % nötig. Die Tiere wurden mit einer

Atemfrequenz von 8-12 Atemzügen pro Minute und einem Atemzugvolumen von

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3. Material und Methoden 26

10 ml/kg KGW kontrolliert beatmet. Während der Operation wurden die Schafe mit

Ringer-Laktatlösung (10 ml/kg/min) über den Venenkatheter infundiert. Außerdem

wurde kurz vor Operationsbeginn, sowie vor der Osteotomie Fentanyl®

(Fentanyldihydrogencitrat, Janssen-Cilag GmbH, Neuss) in einer Dosierung von 2

µg/kg KGW als Schmerztherapeutikum über den Katheter verabreicht. Während der

Narkoseausleitung wurde den Tieren Temgesic® (Buprenorphinhydrochlorid, Fa. Essex Pharma GmbH, München) in einer Dosierung von 10 µg/kg KGW zur

ergänzenden Schmerztherapie intravenös verabreicht. Die Narkosetiefe wurde unter

anderem mittels Mehrfunktions-EKG-Gerät überwacht. Die Anästhesie und die

Kontrolle der Vitalfunktionen oblagen einer Tierärztin.

3.5 Operationstechnik

Alle operativen Eingriffe wurden an der rechten Tibia durchgeführt. Die Schafe

wurden in Rückenlage auf dem Operationstisch fixiert. Anschließend erfolgte die

Desinfektion der rechten Hintergliedmaße mit Braunoderm® (alkoholische

povidonhaltige Lösung, Fa. Braun, Melsungen, Deutschland). Danach wurde das

Operationsgebiet nach streng sterilen Kautelen abgedeckt. Ein ca. 15 cm langer

Hautschnitt erfolgte an der Kranialfläche der Tibia. Mit dem Skalpell wurde das

subkutane Bindegewebe sowie das Periost scharf durchtrennt und die latero-

craniale Tibiafläche für die Plattenimplantation vollständig freipräpariert. In der Mitte

des Tibiaschaftes wurde der Bereich markiert, in dem später der Defekt gesetzt

werden sollte. Unter Zuhilfenahme des AO- Instrumentariums (Schränkeisen) erfolgte

die Anpassung der LCP an die latro- craniale Fläche der Tibia. Neben einer Biegung

der Platte wurde auch eine Torsion durchgeführt.

Bei den drei Pilottieren im Vorversuch wurde ein 2 cm langer Metallwürfel mit einer

Repositionszange an der Tibia fixiert, um das Ausmaß und die Parallelität der

Osteotomie sicherzustellen. Proximal und distal des Würfels wurden zwei parallele

Osteotomien mit der oszillierenden Säge durchgeführt. Um eine Überhitzung zu

vermeiden, wurde während der Osteotomie mit 0,9 % iger NaCl-Lösung (Fa. Braun)

gespült.

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3. Material und Methoden 27

Für die weiteren acht Versuchstiere im Hauptversuch wurde der Tibiadefekt, bei

sonst identischer Operationstechnik, auf 5 mm Länge reduziert. Die LCP wurde mit

Hilfe von zwei Verbrügge-Zangen fixiert. Mit einem 4,3 mm Spiralbohrer wurden

unter Zuhilfenahme einer Bohrbüchse jeweils acht Schraubenlöcher gebohrt. In

Gruppe A wurden selbstschneidende unbeschichtete und in Gruppe B

selbstschneidende mit Hydroxylapatit beschichtete 5 mm Kopfverriegelungsschrauben verwendet. Bei den Pilottieren wurden jeweils nur sechs

Schraubenlöcher gebohrt. Die Schrauben wurden mit einem

Sechskantschraubenzieher eingedreht. Im Anschluss wurde eine komplette

Achillotenotomie durchgeführt. Der Verschluss der Wunde erfolgte mit

resorbierbarem Nahtmaterial (Dexon®, Fa. B. Braun-Dexon GmbH, Spangenberg,

Deutschland), wobei die Subkutannaht in Einzelknopftechnik und die Intrakutannaht

als fortlaufende Naht gesetzt wurde. Anschließend wurde eine Röntgenkontrolle mit

Hilfe eines C-Bogens (Model 9600 Mobile Imaging System Utah, USA) durchgeführt

und zum Abschluss wurde ein Sprühverband (Nobecutan® Spray, Fa. Astra

Chemicals GmbH) auf die Wunde auftragen.

3.6 Postoperativer Verlauf und Nachsorge

Während der Narkoseausleitung wurde der während des operativen Eingriffs

produzierte Speichel und Schleim aus den Nasenhöhlen und der Maulhöhle mit Hilfe

eines Absauggerätes (Absauggerät Typ GF 200/GF210, Aesculap AG, Tuttlingen,

Deutschland) entfernt. Nach Wiedereinsetzen der Spontanatmung wurde die

Magensonde entfernt. Mit Einsetzen des Schluckreflexes wurde der

Endotrachealtubus entnommen und die Tiere in die mit Stroh eingestreuten Boxen

verbracht. Die Tiere erhielten beim ersten Aufstehversuch von zwei Hilfspersonen

Unterstützung, um postoperativen Komplikationen vorzubeugen. Stroh und Wasser

standen den Schafen zur freien Verfügung. Heu wurde erst am nächsten Tag

gefüttert. Als Schmerztherapeutika wurden nach Bedarf Buprenorphinhydrochlorid

(Temgesic®, Fa. Essex Pharma GmbH, München, Deutschland) in einer Dosierung

10 µg/kg KGW und Carprofen (Rimadyl®, Fa. Pfizer, Karlsruhe, Deutschland)

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3. Material und Methoden 28

subkutan in einer Menge von 4 mg/kg KGW initial, weiterführend mit halber Dosis,

eingesetzt. Während der 12-wöchigen Beobachtungszeit post operationem wurden

die Schafe in Gruppen von drei bis vier Tieren im Großstall des Zentralen

Tierlaboratoriums der Medizinischen Hochschule Hannover in einem Laufstall

gehalten und waren in dieser Zeit unter regelmäßiger veterinärmedizinischer

Kontrolle.

3.7 In-vivo-Untersuchungen

3.7.1 Klinische Untersuchungen

In den ersten drei Wochen nach den operativen Eingriffen wurden die Tiere zweimal

täglich kontrolliert, danach erfolgte die Kontrolle in einem ein- bis zweitägigen

Abstand. Bei den Kontrollbesuchen wurde auf den Habitus

(Körpergewichtsentwicklung), das Verhalten (Schmerzäußerung, Hyperaktivität,

Teilnahmslosigkeit, Desorientierung), die Haltung (aufgezogene Bauchdecke,

Rückenkrümmung), die Atmung (Frequenzänderung) und die Fortbewegung

(Beweglichkeit, Grad der Lahmheit) geachtet. Besonderen Wert wurde auf die

Belastung der operierten Gliedmaße und die Wundheilung gelegt.

Das Lahmheitsgradierungssystem in Anlehnung an OTTO et al. (2000) wurde

übernommen, da dieses Schema auf die Verhältnisse unter Boxenhaltung

anwendbar erschien. Die Gradierung erfolgte dabei nach folgendem Schema:

Grad 0 Das Tier steht und läuft normal

Grad 1 Der Stand des Tieres zeigt keine Abweichung, beim Laufen wird eine

leichte Lahmheit deutlich

Grad 2 Stand normal, schwere Lahmheit in der Fortbewegung

Grad 3 Abnormale Positur beim Stehen, schwere Lahmheit beim Laufen

Grad 4 Keine Gewichtsbelastung der operierten Gliedmaße im Stand oder in

der Fortbewegung

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3. Material und Methoden 29

War die Lahmheit nicht klar einem Grad zuzuordnen, konnten Zwischenstufen

verwendet werden.

3.7.2 Röntgenuntersuchungen

Für die radiologische Untersuchung wurde ein Röntgengerät vom Typ Super

Rotature S100 der Firma Philips verwendet. Die Belichtung der Röntgenfilme erfolgte

mit 20 mAs und 66 kV. Postoperativ wurden zwei Röntgenkontrollen in zwei Ebenen

(im kraniokaudalen sowie seitlichen Strahlengang), die Erste unmittelbar post

operationem und die Zweite in der 12. Woche angefertigt.

3.8 Ex-vivo-Untersuchungen

Nach Ablauf der 12-wöchigen Beobachtungszeit erfolgte die Euthanasie der Tiere

durch intravenöse Injektion von ca. 20 ml Propofol® Lipuro 1% (B. Braun Melsungen

AG, Melsungen Deutschland) und ca. 35 ml Eutha 77® (Pentobarbital-Natrium Fa.

Essex Tierarznei, München, Deutschland). Dann folgte die Exartikulation beider

Hintergliedmaßen im Hüftgelenk und die Präparation der Tibia. Mit Hilfe einer Säge

wurde die LCP vom Knochen und den darin befindlichen

Kopfverriegelungsschrauben befreit, ohne die Schrauben und den Knochen zu

beschädigen. Nach Entfernen der LCP wurde das Ausdrehmoment jeder einzelnen

Schraube gemessen und dokumentiert.

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3. Material und Methoden 30

Abb. 3-6 Präparation der osteotomierten und mit LCP und unbeschichteten KVS versorgter Tibia eines Schafes (Schaf-Nr. 2841) nach Euthanasie

Abb. 3-7 Entfernung der LCP von der Tibia mittels Abb. 3-8 Schaftibia (Schaf-Nr. 2841) Säge (Schaf-Nr. 2841, unbeschichtete KVS) mit unbeschichteten KVS nach Entfernen der LCP

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3. Material und Methoden 31

3.8.1 Biomechanische Prüfungen

3.8.1.1 Ausdrehmomente der Schrauben

Die Messung der Ausdrehmomente mit Hilfe eines Drehmomentschlüssels (S.T.A.R.

90, Citieffe, Bologna Italien) erfolgte nach Euthanasie der Tiere. Zur Messung des

Ausdrehmomentes wurde die erste Vierteldrehung herangezogen. Die Messwerte der einzelnen Schrauben wurden im Hinblick auf unterschiedliche Positionen

miteinander verglichen. Anschließend wurden die beiden Gruppen A und B

verglichen.

Abb. 3-9 Citieffe S.T.A.R. 90 Messgerät zur Erfassung der Ausdrehmomente der KVS

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3. Material und Methoden 32

3.8.1.2 Vorbereitung der Tibiae für den Torsionsversuch

Für die biomechanische Prüfung wurden die Tibiae von Weichteilen und

Osteosynthesematerial befreit. Nachfolgend wurde zunächst das proximale

Fragment der Tibia in ein mit Zahnmodellgips (Vel Mix Stone, Fa. Kerr) gefülltes

quadratisches Kunststoffbehältnis eingebettet. Der gleiche Vorgang wurde nach

Aushärten des Gipses mit dem distalen Tibiaabschnitt wiederholt. Hierbei musste

streng auf Parallelität der Behältnisse und Zentralität der Tibia zur Drehachse des

Prüfgerätes geachtet werden. Die Gipseinbettung wurde so vorgenommen, dass der

Defektbereich jeweils 1 cm proximal und distal nicht von Gips eingeschlossen war.

Mit der Kontrolltibia der linken hinteren Gliedmaße eines jeden Tieres wurde zu

Vergleichszwecken identisch verfahren.

3.8.1.3 Ablauf des Torsionsversuches

Mit einer vom Institut für Materialprüfung der Universität Hannover hergestellten

Maschine wurde eine mechanische Torsionsprüfung der Schaftibiae bis zum

Versagen durchgeführt. Zur Aufnahme der verschiedenen Befestigungspunkte und

des für den Versuch entscheidenden Drehtellers diente ein ca. 1 m hohes

Viersäulenprüfgestell. Der Drehteller wurde von einem Antriebsmotor mit dazwischen

geschaltetem Übersetzungsgetriebe mit wählbarer Drehzahl angetrieben. Für diesen

Versuch war eine konstante Winkelgeschwindigkeit zwingend notwendig. Aus

diesem Grund waren der Elektromotor sowie die Kraftübersetzung für wechselnde

und hohe Drehmomente ausgelegt. Der obere Aufnahmepunkt, in den das Prüfobjekt

eingespannt wurde, war zum Monitoring der auftretenden Drehmomente mit einer

Kraftmessdose verbunden. Nach Einspannen des Prüfobjekts in die zwei

Haltevorrichtungen wurde mit Hilfe des Drehtellers eine vertikale Torsion auf die

Tibiae mit einer Winkelgeschwindigkeit von 20°/min durchgeführt. Zur Dokumentation

der Daten des maximalen Drehmoments in Abhängigkeit zum Torsionswinkel wurde

ein vorher justierter und geeichter x/y- Schreiber verwendet.

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3. Material und Methoden 33

Abb. 3-11 Abb. 3-12 Abb. 3-11 und 3-12: Präparierte Schaftibia (Nr. 2917 unbeschichtete KVS) während und nach dem Torsionsversuch

Abb. 3-10 Viersäulenprüfgestell zur biomechanischen Torsionsprüfung der präparierten Schaftibia

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3. Material und Methoden 34

3.8.1.4 Auswertung der Messkurven

Nach Eichung der Messeinheit mit Hilfe eines Drehmomentschlüssels auf maximal

100 Nm, konnte aus der Höhe des Graphen das maximale Drehmoment in

Newtonmeter ermittelt werden. Zur Erörterung der Festigkeit der Tibiae wurden im

linearen Kurvenbereich Tangenten angelegt, deren Steigungen die durchschnittliche

Steifheit widerspiegelten. Außerdem konnte der Torsionswinkel zwischen Beginn und

Ende der Kraftaufnahme bestimmt werden. Um vergleichsrelevante Schlüsse ziehen

zu können, wurden die intakten Gegentibiae ebenfalls der Messung unterzogen. Dies

ermöglichte individuelle tierspezifische Einflüsse wie z.B. Alter, Körpergewicht und

Konstitution des Versuchstiers auszuschließen.

3.8.1.5 Frakturklassifikation nach White und Panjabi

Mit der Klassifikation nach White und Panjabi (White et al. 1977) konnte das

Heilungsstadium des Tibiadefektes charakterisiert werden. Hierbei wurde die Fraktur,

welche durch die biomechanische Prüfung verursacht wurde, im Hinblick auf ihre

Lokalisation in vier Gruppen unterteilt:

Typ 1: Der Knochen bricht durch den ursprünglichen Defektbereich mit

niedriger Steifigkeit (gummiartig).

Typ 2: Der Knochen bricht durch den ursprünglichen Defektbereich mit großer

Steifigkeit (wie Knochengewebe).

Typ 3: Die Frakturlinie verläuft sowohl durch den Defektbereich, als auch durch

den angrenzenden, ursprünglichen, intakten Knochen. Das Gewebe

weist eine hohe Steifigkeit auf (wie Knochengewebe).

Typ 4: Die Fraktur befindet sich ausschließlich im ursprünglich gesunden

Knochen. Der Defektbereich bleibt intakt (wie Knochengewebe).

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3. Material und Methoden 35

3.8.2 Mikroskopische Untersuchungen

3.8.2.1 Trenn-Dünnschliff-Technik

Mit der Trenn-Dünnschliff-Technik werden Schliffe bis zu Schichtdicken von 10 µm

erstellt. Insbesondere gilt dieses für nicht schneidbare Gewebe, um auch für diese

Gewebe histologische, mikroradiologische und fluoreszenzmikroskopische Untersuchungen durchführen zu können (Donath, 1988, 1989).

Für die Herstellung der Dünnschliffe wurden folgende Maschinen, Geräte und

Verbrauchsmaterialien eingesetzt:

Maschinen: EXAKT-Trennsystem

EXAKT-Mikroschleifsystem

Hilfsgeräte: EXAKT-Vakuum-Klebevorrichtung zur planparallelen

Aufblockung

EXAKT-Präzisionsklebepresse für die eigentliche

Objektträgermontage

Kulzer-EXAKT Lichtpolymerisationsgerät

Mikrometerschraube mit Digitalanzeige

Haarlineal

Verbrauchsmaterialien: Einbettmedium (Technovit 7200 VLC)

Technovit 4000

Präzisionskleber (lichthärtend)

Technovit 7210 VLC

Einbettmulden (lichtdurchlässig)

Plexiglasobjektträger.

Schleifpapier (verschiedene Körnungen)

Aceton

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3. Material und Methoden 36

3.8.2.2 Vorbereitung der Gewebe für die Fixation

Im Anschluss an die biomechanischen Prüfungen wurden die operierten Tibiae für

die Trenn-Dünnschliff-Technik vorbereitet. Die Tibiae wurden mittels des Exakt-

Trenn-Schleif-System so gesägt, dass die Schnittebene jeweils ein 1 cm proximal

sowie 1 cm distal der Bohrlöcher lag. Die einzelnen Segmente waren durchschnittlich

2-3 cm lang. Für die Entfettung der Proben wurden die Präparate jeweils fünf Tage in

einer aufsteigenden Alkoholreihe (Alkoholkonzentration aufsteigend: 70, 80, 90, 96,

98, 100 %) eingebettet.

3.8.2.3 Infiltration

Die Kunststoffinfiltration erfolgte in zwei Stufen, wobei in Stufe 1 ein Gemisch aus

100%igem Alkohol und Technovit 7200 VLC im Verhältnis 1:1 angesetzt wurde. In

dieses wurden die Proben für weitere fünf Tage eingebettet. Technovit 7200 VLC

Infiltrationslösung ist ein lichthärtendes Einkomponenten-Kunststoff-Präparat auf

Methacrylat-Basis. Anschließend wurden die Proben für weitere fünf Tage in reinem

Technovit 7200 VLC eingebettet. Dieser Arbeitsschritt wurde 2 x durchgeführt. Die

gesamte Kunststoffinfiltration fand unter Ausschluss von Licht statt. Um die Infiltration

zu beschleunigen, wurden die Präparate in einem Vakuumschrank der Firma

Heraeus gelagert.

3.8.2.4 Einbettung und Polymerisation

Die vorbereiteten Präparate wurden in Polymerisationsmulden verbracht und dort mit

dem Einbettkunststoff bedeckt. Zur Polymerisation wurden die Proben in zwei

Phasen Lampenlicht mit einer Stärke von 400-500 nm ausgesetzt. Die erste Phase

mit einem größeren Lampenabstand, zur Vorbeugung von Spannungsrissen im

Kunststoff, dauerte fünf Stunden. Die nachfolgende Beleuchtungsphase mit sehr

geringem Abstand zur endgültigen Aushärtung dauerte acht Stunden.

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3. Material und Methoden 37

3.8.2.5 Erstellung des Dünnschliffs

Zur weiteren Verarbeitung wurden die nun in einem Kunststoffblock ausgehärteten

Präparate geschnitten und mit der zu betrachtenden Seite mittels Technovit 4000

horizontal zur Knochenlängsachse auf einem Objektträger fixiert (Klebepresse der

Fa. Exakt). Nachfolgend kam es zum Abschleifen der Blöcke bis zur

Mikroplanparallelität mittels Mikroschleifsystem der Firma Exakt.

3.9 Histologie

Nach Auswertung und Monitoring der Befunde wurden die Präparate histologisch

begutachtet. Es wurden zwei Serien unterschiedlich bearbeitet und ausgewertet.

Zur histologischen Diagnostik wurden die Präparate in der 1. Serie nach Masson-

Goldner gefärbt. Zur Feststellung der Art und des Grades der Knochenneubildung

wurde eine weitere Präparatserie mit Toluidin-Blau angefärbt. Hierbei konnte man

dann einen Überblick zur Knochenneubildung und deren Verteilung gewinnen. Die

beiden unterschiedlichen Färbungen detailliert:

3.9.1 Masson-Goldner

Um eine gute Differenzierung von Knochen, Bindegewebe und Osteoid zu

ermöglichen, ist die Masson-Goldner-Färbung am besten geeignet. Hierbei können

zusätzlich die verschiedenen Knochenzellen hinreichend gut dargestellt werden.

Jedoch wurde die Färbung nach Donath (1989) dahingehend verändert, dass die

Konzentration des Lichtgrüns in dem Maße reduziert wurde, um sie der Methacrylat -

Trenn-Dünnschlifftechnik anzupassen. Weiterhin kam es zum völligen Verzicht der

Inkubation bei 60 �C. Eine Färbung nach Originalvorschrift hätte zu einer

Überfärbung des Bindegewebes geführt. Das Färbeergebnis zeigte ziegelrotes

Zytoplasma, braun-schwarze Zellkerne, grünes Bindegewebe und gelb-orange

Erythrozyten.

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3. Material und Methoden 38

3.9.2 Toluidin-Blau

Zur weiteren Betrachtung, speziell in Bezug auf neu gebildeten Knochen und

Osteoid, kam die Färbung mit Toluidinblau in Originalvorschrift, bis auf die zur

Entwässerung notwendige abschließende aufsteigende Alkoholreihe, zur

Anwendung. Die Modifikation wurde aus Rücksicht vor möglicher Destruktion der

Präparate vorgenommen.

3.10 Statistik und Datenerfassung

Zur Statistik und Datenerfassung wurden die gemessenen Werte in Exceldateien auf

einem PC- kompatiblen Rechner aufgenommen und anschließend mit dem

Programm SAS 8.2 der Firma Microsoft verarbeitet. Es wurden jeweils Prozentwerte,

arithmetische Mittel und Standardabweichungen zur statistischen Varianzanalyse

errechnet.

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4. Ergebnisse 39

4 Ergebnisse

4.1 Komplikationen im Pilot- und Hauptversuch

Zwei der drei Piliottiere (Nr.1760, 0471) wurden bereits 13 Tage post operationem

aufgrund eines proximalen Schraubenausrisses durch Injektion von Eutha 77®

(Pentobarbital, Fa. ESSEX-Tierarznei, München) euthanasiert. Die Kopfverriegelungsschrauben waren fest im konischen Gewinde der Locking

Compression Plate verriegelt. Die Diagnose wurde vor der Euthanasie

röntgenologisch abgesichert.

Abb. 4-1 Abb. 4-2

Abb. 4.1, Abb. 4.2. Implantatausriss im proximalen Fragment 13 Tage p.o. von Pilottier (Schaf-Nr.1760) mit unbeschichteten KVS

Aufgrund dieses Ergebnisses wurden nachfolgend statt sechs Schrauben acht

verwendet. Die vorher verwendete 8-Loch-Platte wurde durch eine 9-Loch-LCP

ersetzt. Weiterhin wurde die Defektosteotomie von 2 cm auf 0,5 cm reduziert.

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4. Ergebnisse 40

Diese Modifikation der Operationsmethode sollte zur Folge haben, dass eine höhere

Stabilität gewährleistet sei. Um die Belastung der operierten Gliedmaße in den ersten

Wochen post operationem zu reduzieren, wurde bei allen Schafen eine Tenotomie

der Achillessehnen durchgeführt. Doch auch diese Präventionsmaßnahme konnte

nicht verhindern, dass einige Tiere auf der Kaudalfläche des Metatarsalknochens

fußten und somit starke Kräfte auf die Implantate einwirkten.

Ursprünglich sollten 16 Tiere operiert werden. Nachdem weitere acht Schafe nach

der modifizierten Operationsmethode operiert wurden, mussten zwei Tiere aus

Gruppe B nach bereits ein bzw. zwei Tagen und ein Tier aus Gruppe A nach sieben

Tagen aufgrund proximaler Schraubenausrisse euthanasiert werden. Da erneut

dieselben Komplikationen auftraten, wie im Pilotversuch, wurde der Hauptversuch

aus ethischen Gründen abgebrochen. Die folgende Abbildung (Abb. 4-3) zeigt den

Vergleich der Schraubenlöcher im proximalen und distalen Fragment nach

Implantatversagen.

Abb. 4-3 Präparierte Tibia unmittelbar nach Euthanasie des Tieres (Schaf-Nr. 2851 beschichtete

KVS) aufgrund proximalen Ausrisses des Implantats 1 Tag p.o. (links: distales Knochenfragment; rechts: proximales Fagment)

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4. Ergebnisse 41

Bei keinem der operierten Tiere traten postoperative Wundheilungsstörungen oder

Infektionen auf.

Zur Beurteilung und Auswertung der Ergebnisse werden in dieser Arbeit fünf Tiere

herangezogen, welche sich auf zwei Untersuchungsgruppen mit je zwei und drei

Tieren verteilen. In Gruppe A (n=3) wurden Schrauben ohne Beschichtung, in

Gruppe B (n=2) wurden Schrauben mit Hydroxylapatitbeschichtung eingesetzt.

4.2 Klinische und makroskopische Beurteilung

Bereits einige Stunden post operationem waren die Tiere in der Lage sich

selbständig zu erheben. Zur Vermeidung unkoordinierter Bewegungen wurden die

ersten Aufstehversuche der Schafe von einer Hilfsperson unterstützt. Alle Tiere

zeigten am ersten Tag nach dem operativen Eingriff eine vollständige Entlastung der

operierten Gliedmaße (höchstgradige Lahmheit, Grad 4). Bereits am zweiten Tag

nach der Operation belasteten die Schafe bereits kurzfristig die operierte

Hintergliedmaße (hochgradige Lahmheit, Grad 3). Zu Beginn traten die Tiere mit der

Klauenspitze auf. Aufgrund der Tenotomie der Achillessehne war es den Tieren nicht

möglich, das Bein im oberen Sprunggelenk zu strecken. Dadurch kam es zu einer

starken Hyperflexion der operierten Hintergliedmaße bei Belastung, wobei einige

Schafe zeitweise auf der Kaudalfläche des Metatarsalknochens fußten. Auch bei den

Aufstehversuchen stützten sich einige Tiere auf der kaudalen Fläche des

Metatarsalknochens ab. Vier Wochen post operationem wurde die operierte

Hintergliedmaße nur kurzfristig belastet (Lahmheitsgrad 3). Nach acht Wochen war

bei allen Tieren eine mittelgradige Lahmheit (Grad 2) vorhanden. Die Schafe zeigten

eine Lahmheit, welche schon im Schritt erkennbar war, im Trab aber noch deutlicher

wurde. Zwölf Wochen nach dem operativen Eingriff zeigten die Schafe eine Lahmheit

(Grad 1), welche im Schritt überhaupt nicht bzw. kaum, im Trab aber noch leicht

erkennbar war (Tab. 4.1).

Zur Schmerzlinderung erhielten die Schafe in der ersten Woche post operationem

zweimal täglich 2 ml Temgesic®, in der zweiten Woche zweimal täglich 1 ml und in

der dritten Woche 1 ml Temgesic® pro Tag.

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4. Ergebnisse 42

Tab. 4-1 Übersicht über die Lahmheitsgrade innerhalb der Beobachtungszeit: Schafe mit unbeschichteten und HA-beschichteten KVS im Vergleich

Tier-Nr. 2841 2917 2856 2851 HA 2824 HA

1. Woche 4 4 4 4 4

2. Woche 3 3 3 3 3

4. Woche 3 3 3 3,5 3

6. Woche 2 2 2 2,5 2,5

8. Woche 2 2 2 2 2

10. Woche 1 1 1 1 1

12. Woche 0,5 0,5 0,5 0,5 1

0 = steht und läuft normal,

1 = Stand o.b.B., leichte Lahmheit in der Fortbewegung,

2 = Stand normal, schwere Lahmheit in der Fortbewegung,

3 = Abnormale Positur beim Stehen, schwere Lahmheit in der Fortbewegung,

4 = Keine Gewichtsbelastung der Gliedmaße im Stand oder in der Fortbewegung

4.3 Makroskopische Beurteilung der Osteotomiebereiche nach Euthanasie

Zur Beurteilung wurden die Tibiae der operierten rechten Hintergliedmaße von allen

Weichteilen befreit.

Abb. 4-4 Präparation der Tibia nach Euthanasie 12 Wochen post operationem

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4. Ergebnisse 43

Hierbei konnte festgestellt werden, dass der 12 Wochen zuvor operativ gesetzte

Defekt sowohl bei den Tieren mit Hydroxylapatit beschichteten Schrauben, als auch

bei denen mit unbeschichteten Schrauben makroskopisch vollständig durchbaut

erschien. Hinweise auf die exakte Zusammensetzung der Defekte ergaben erst die

später durchgeführten histologischen und mikroskopischen Untersuchungen.

Auffällig war jedoch die vermehrte Kallusbildung im kaudomedialen der Platte gegenüberliegenden Defektbereich. Die LCP sowie die Bereiche der

Kopfverriegelungsschrauben waren mit straffem Bindegewebe bedeckt. Bei einem

Tier aus Gruppe A war die Platte stellenweise von Kallus überbaut. Es konnte bei

keinem der Tiere weder eine Pseudarthrose, noch eine Lockerung der implantierten

Platte festgestellt werden. Nachfolgend wurde die LCP mit Hilfe einer Säge vom

Knochen und den darin befindlichen Kopfveriegelungsschrauben entfernt, ohne die

Schrauben und den Knochen zu beschädigen. Nach Entfernung der LCP wurde das

Ausdrehmoment jeder einzelnen Schraube gemessen und dokumentiert. Beim

Herausdrehen wurden weder ein potenzieller Schraubenbruch noch eine knöcherne

Verletzung festgestellt. Bei den Präparaten mit HA-beschichteten Schrauben trat

beim Entfernen lediglich ein teilweises Abdrehen der Beschichtung, welche im

Schraubenkanal verblieb, auf.

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4. Ergebnisse 44

4.4 Biomechanische Prüfungen

Drei Monate post operationem wurden die Tibiae der Probanden nach Euthanasie

und Exartikulation für die Prüfungen präpariert.

4.4.1 Ergebnisse der Ausdrehmomente der KVS

Tab. 4-2: Messwerte der Ausdrehmomente in Nm Nach Präparation und Entfernung der LCP von der Schaftibia wurden die Ausdrehmomente der einzelnen KVS bestimmt.

Schaf-Nr. 2841 2917 2856 2851 2824

Beschichtungnicht

beschichtetnicht

beschichtetnicht

beschichtetHA-

beschichtetHA-

beschichtet

P1 0,637 0,844 0,187 2,308 2,503P2 0,661 0,567 0,323 2,221 2,499P3 0,752 0,318 0,216 2,403 2,617P4 0,281 0,497 0,034 3,843 3,261D1 0,856 0,446 0,706 2,344 2,061D2 0,262 0,175 0,734 2,998 1,761D3 0,091 0,288 1,062 1,766 2,332D4 0,301 0,323 0,264 0,752 2,862

Mittelwert 0,549 0,432 0,441 2,329 2,487

Ausdrehmomente [Nm]

P1-P4: Schraubenpositionen im proximalen Fragment

D1-D4: Schraubenpositionen im distalen Fragment

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4. Ergebnisse 45

Diagramm 4-1 Darstellung der Ausdrehmomente in Nm Beschichtete und unbeschichtete KVS im Vergleich

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

Nm

P1 P2 P3 P4 D1 D2 D3 D4Positionen

Extraktionsdrehmomente

beschichtet

unbeschichtet

P1-P4: Schraubenpositionen im proximalen Fragment

D1-D4: Schraubenpositionen im distalen Fragment

Tab. 4-3 Mittelwert und Standardabweichung der Ausdrehmomente der HA- beschichteten Schrauben (Gruppe B)

Position Minimum Maximum Mittelwert Standard- abweichung

P1 2,308 2,503 2,406 0,138P2 2,221 2,499 2,360 0,197P3 2,403 2,617 2,510 0,151P4 3,260 3,843 3,552 0,412D1 2,060 2,344 2,202 0,201D2 1,760 2,998 2,379 0,875D3 1,766 2,332 2,049 0,400D4 0,752 2,862 1,807 1,492

P1-P4: Schraubenpositionen im proximalen Fragment

D1-D4: Schraubenpositionen im distalen Fragment

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4. Ergebnisse 46

Tab. 4-4 Mittelwert und Standardabweichung der Ausdrehmomente der unbeschichteten Schrauben (Gruppe A)

Position Minimum Maximum Mittelwert Standard- abweichung

P1 0,187 0,844 0,556 0,336P2 0,323 0,661 0,517 0,174P3 0,216 0,752 0,429 0,285P4 0,034 0,497 0,270 0,232D1 0,446 0,856 0,669 0,207D2 0,175 0,734 0,390 0,301D3 0,091 1,062 0,480 0,513D4 0,264 0,323 0,296 0,030

P1-P4: Schraubenpositionen im proximalen Fragment

D1-D4: Schraubenpositionen im distalen Fragment

Die Messungen der Ausdrehmomente der Schrauben ergaben bei allen Tieren der

Gruppe B im Vergleich zu Gruppe A deutlich höhere Messergebnisse.

Bei der statistischen Auswertung der Ergebnisse, welche beim Analysieren der

Ausdrehmomente beider Gruppen dokumentiert wurden (siehe Tabelle 4-2), konnte

auf Grund der geringen Anzahl von Stichproben, der Wilcoxon Test zur

Signifikanzdarstellung nicht verwendet werden. Zur Prüfung der Testergebnisse

wurde deshalb die Varianzanalyse für unabhängige Stichproben mit den beiden

Faktoren Material und Position der Schrauben angewandt. Die Auswertung ergab

keine Interaktion zwischen den Positionen der Schrauben distal sowie proximal des

Defektes. Jedoch konnte bei den Ausdrehmomenten der beiden unterschiedlichen

Schraubentypen eine hohe Signifikanz (p< 0,0001) beobachtet werden. Wie in den

Tabellen 4-2, 4-3 und 4-4 und den Diagrammen 4-1 und 4-2 deutlich ersichtlich ist,

liegen die Mittelwerte der HA- beschichteten Schrauben um das ca. 5-fache höher

als die der unbeschichteten Schrauben.

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4. Ergebnisse 47

Diagramm 4-2 Graphische Darstellung des Mittelwertes der Ausdrehmomente in Nm

4.4.2 Ergebnisse des Torsionsversuches

Bei der biomechanischen Torsionsprüfung wurden zu Vergleichszwecken auch die

jeweiligen intakten Gegentibiae einer Torsionsprüfung unterzogen. Diese

Torsionsprüfung bis hin zum Versagen, ergab bei allen Kontrolltibiae eine

Spiralfraktur im nicht fixierten Bereich zwischen den Gipsblöcken. Der

Versagensmodus bei den operierten Defekttibiae dagegen bestand bei vier Schafen

in einer Fraktur durch den neu gebildeten Kallus und angrenzenden Knochen

(entsprechend Typ III nach White und Panjabi). Bei einem Tier lag der

Versagensmodus Typ I vor.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

Nm

Ausdrehmoment

beschichtetunbeschichtet

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4. Ergebnisse 48

Abb. 4-5 Spiralfraktur einer Kontrolltibia (Schaf-Nr. 2851) nach Torsionsversuch

4.4.2.1 Messwerte

Die folgenden Graphiken (Abb. 4.6-4.9) und Tabellen (Tab. 4.5-4.7) fassen die

Ergebnisse der biomechanischen Prüfung zusammen. Die

Deformationssteigungskurven zeigen jeweils graphisch die Torsion einer operierten

Tibia 12 Wochen p.o. und einer Kontrolltibia. Auf der x-Achse ist die Zeit/Winkelgrad

und auf der y-Achse ist das Drehmoment in Nm dargestellt.

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4. Ergebnisse 49

Abb. 4-6, 7, 8 u. 9: Drehmomentdeformationskurven, welche während des Torsionsversuches an den Schaftibiae gemessen wurden

Auf der x-Achse ist der Winkel und auf der y-Achse das Drehmoment dargestellt

Abb. 4-6: Kontrolltibia, Gruppe A Abb. 4-7: Defekttibia, Gruppe A (unbeschichtete KVS) (unbeschichtete KVS)

Abb. 4-8: Kontrolltibia, Gruppe B Abb. 4-9: Defekttibia, Gruppe B (beschichtete KVS) (beschichtete KVS)

Die Kontrolltibiae weisen jeweils einen steileren Anstieg und ein höheres maximales

Drehmoment gegenüber den operierten Tibiae auf.

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4. Ergebnisse 50

Tab. 4-5 Messwerte des Torsionsversuches der osteotomierten und mit LCP und KVS versorgten Schaftibiae nach Implantatentfernung (12 Wo. p.o.)

Stei

fhei

t

[Nm

/ Gra

d]

inta

kte

Tibi

a

1,88

2,24

2,91

2,37

2,44

Stei

fhei

t

[Nm

/ Gra

d]

oper

ierte

Tibi

a

1,26

2,95

1,71

2,24

1,83

Bru

chw

inke

l [G

rad]

inta

kte

Tibi

a

28,2

2

25,3

19,1

7

22,9

6

19,3

7

Bru

chw

inke

l [G

rad]

oper

ierte

Tibi

a

14,1

2

11,8

6

12,3

6

14,8

6

15,2

Bru

chkr

aft

[Nm

]

inta

kte

Tibi

a

53,2

8

56,6

1

57,1

7

54,3

9

47,1

8

Bru

chkr

aft

[Nm

]

oper

ierte

Tibi

a

17,7

6

34,9

7

21,0

9

33,3

27,7

5

Gew

icht

[k

g]

58

74

61

76

69

Scha

f-Nr.

2841

2917

2856

2851

HA

2824

HA

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4. Ergebnisse 51

Tab. 4-6: Darstellung der Messparameter in % gegenüber der intakten Tibia (unbeschichtete KVS, Gruppe A) nach Torsionsversuch

Schaf-Nr. Bruchkraft [%] Bruchwinkel [%] Steifheit [%]

2841 33 50 67

2917 62 47 131

2856 37 64 59

Tab. 4-7 : Darstellung der Messparameter in % gegenüber der intakten Tibia (beschichtete KVS, Gruppe B) nach Torsionsversuch

Schaf-Nr. Bruchkraft [%] Bruchwinkel [%] Steifheit [%]

2851 61 65 95

2824 59 79 75

Aus den Tabellen 4-6 und 4-7 geht hervor, dass die nicht operierten Kontrolltibiae

jeweils im direkten Vergleich zu den operierten Tibiae stabiler sind. Bei der

statistischen Auswertung konnte aufgrund zu geringer Stichprobenzahlen nur auf die

Varianzanalyse zurückgegriffen werden.

Das Ergebnis zeigt deutlich auf, dass keine Interaktion zwischen den Gruppen A und

B existiert, sondern jeweils nur eine hohe Signifikanz bei den operierten Tibiae im

Vergleich zu den intakten Kontrolltibiae ( p < 0,01) besteht.

4.4.2.2 Wertung und Zuordnung nach White und Panjabi

Die Art des Versagens bei der biomechanischen Prüfung lässt nach White et al.,

(1977) Rückschlüsse auf das Heilungsstadium des Defektbereiches bzw. den

Heilungsfortschritt ziehen. Demnach ist bei den Präparaten, welche dem Typ I

zugeordnet wurden, eine schlechtere Heilung als solche Präparate die bei der

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4. Ergebnisse 52

Torsionsprüfung ein Versagen durch den Defektbereich als auch durch den

angrenzenden, ursprünglichen intakten Knochen zeigen (Typ III, siehe 3.8.1.5).

In Tabelle 4-8 sind für jedes Einzeltier die Gruppenzugehörigkeit, das Gewicht, Art

der Fraktur, die Klassifikation nach White et al. sowie das maximale Drehmoment in

Prozent der intakten Gegenseite dargestellt.

Tab. 4-8: Zusammenfassung der Heilungsergebnisse und des Frakturverhaltens der Schaftibiae nach Torsionsversuch

Schaf-Nr. Gruppe Körpergewicht

(kg)

Maximales

Drehmoment

(%)

Frakturtyp nach

White et al.

2841 unbeschichtet 58 33 III

2917 unbeschichtet 74 62 III

2856 unbeschichtet 61 37 I

2851 HA- beschichtet 76 61 III

2824 HA- beschichtet 69 59 III

Die Tabelle 4-8 zeigt, dass bei der Zuordnung des Heilungsstadiums im

Defektbereich anhand des Verhaltens des Heilgewebes bzw. des angrenzenden

Knochens bei der Torsionsprüfung nur bei einem Tier aus Gruppe A (2856) eine

schlechtere Frakturheilung festgestellt wurde, da bei diesem Tier die Frakturlinie

durch den ursprünglichen Defektbereich verläuft.

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4. Ergebnisse 53

4.5 Röntgen

4.5.1 Standardröntgen

Die erste Röntgenaufnahme der operierten Tibia in zwei Ebenen wurde unmittelbar

postoperativ aufgenommen. Hiermit sollte sichergestellt werden, dass die

Frakturenden achsengerecht adaptiert worden waren. Die röntgenologischen Beobachtungen der Gruppe A und B sind in den nachfolgenden Tabellen (4-9, 4-10)

zusammengefasst.

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4. Ergebnisse 54

Tab. 4-9 Röntgenbefunde der Schaftibiae von Gruppe A mit unbeschichteten KVS im Verlauf und makroskopische Beurteilung nach Implantatentfernung

Nac

h En

tfern

ung

der

Impl

anta

te

Def

ektb

erei

ch b

is a

uf B

erei

ch

dire

kt a

n de

r Pla

tte v

olls

tänd

ig

mit

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s au

sgef

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Def

ektb

erei

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olls

tänd

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d

Def

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erei

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it

Kallu

s au

sgeb

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, kau

dom

edia

l

über

schi

eßen

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Kallu

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P

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it Au

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roxi

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chra

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zap

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allu

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ial

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er

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t

Frak

ture

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in d

er

Läng

sach

se u

m c

a. 1

mm

ver

setz

t

Tier

-Nr.

2841

2917

2856

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4. Ergebnisse 55

Tab. 4-10 Röntgenbefunde der Gruppe B mit beschichteten KVS im Verlauf und makroskopische Beurteilung nach Implantatentfernung

Tier-Nr. Postoperativ 12 Wochen post OP Nach Entfernung der Implantate

2851

Frakturenden

achsengerecht

adaptiert

Überbrückende

Kallusbildung,

kaudomedial ggr.

überschießend,

strukturiert,

beginnende

Kortikalisierung

Defektbereich

vollständig mit Kallus

ausgefüllt,

kaudomedial ggr.

überschießend

2824

Frakturenden

achsengerecht

adaptiert

Überbrückende

Kallusbildung,

kaudomedial ggr.

überschießend, nicht

strukturiert, ggr. Kallus

am Gewinde der

proximalen Schrauben

zapfenförmig bis in

Markkanal reichend

Defektbereich

vollständig mit Kallus

ausgefüllt,

kaudomedial ggr.

überschießend

4.5.2 Röntgenbefunde post operationem

In Gruppe A waren die Frakturenden bei zwei Tieren nicht achsengerecht adaptiert

und wiesen eine Verschiebung in der Längsachse um 1-2 mm auf.

4.5.3 Röntgenbefunde zwölf Wochen post operationem

Aus den Aufzeichnungen geht hervor, dass mit Ausnahme eines Schafes (2841) mit

unbeschichteten Schrauben (Gruppe A) der Defekt 12 Wochen post operationem

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4. Ergebnisse 56

vollständig mit Kallus überbrückt wurde. Außer bei einem Schaf aus Gruppe A zeigte

sich bei allen Versuchstieren eine vermehrte Kallusbildung, die sich im

kaudomedialen Bereich dominierend bis überschießend darstellte. Eine beginnende

Kortikalisierung konnte bei jeweils einem Tier in Gruppe A und B beobachtet werden.

Im proximalen Fragment zeigte sich bei allen Probanden eine bis in den Markkanal

reichende zapfenförmige Kallusbildung entlang der Schraubengewinde. Tendenziell erschienen diese jedoch bei den Tieren aus Gruppe A deutlicher ausgeprägt.

4.5.4 Röntgenbilder: Verlauf der Frakturheilung

Die Abbildungen 4-10 bis 4-16 zeigen einige Röntgenbeobachtungen im Verlauf.

Abb. 4-10 Abb. 4-11 Abb. 4-12 Abb. 4-13

Abb. 4-10, 11: Röntgenaufnahme ap, und seitlich, unmittelbar p.o.; Abb 4.12, 13 zwölf Wochen p.o. bei einem Tier (Schaf-Nr. 2841) mit unbeschichteten KVS

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4. Ergebnisse 57

Abb. 4-14 Abb. 4-15 Abb. 4-16 Abb. 4-17

Abb. 4-14, 15: Röntgenaufnahme ap, und seitlich, unmittelbar p.o.; Abb. 4-16, 17; zwölf Wochen p.o. bei einem Tier (Schaf-Nr. 2851) mit HA-beschichteten KVS

Abb. 4-18 Abb. 4-19 Abb. 4-18 Ausschnittsvergrößerungen des Defekts 12 Wo. p.o. bei einem Tier (Schaf-Nr. 2917) mit unbeschichteten und Abb. 4-19 einem mit HA-beschichteten KVS

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4. Ergebnisse 58

4.6 Ergebnisse der Schraubenuntersuchung

4.6.1 Makroskopische Beurteilung der extrahierten Schrauben

Bereits bei makroskopischer Betrachtung der entfernten Schrauben fiel auf, dass bei

den HA-beschichteten KVS der Gruppe B am gesamten Gewindebereich Material

anhaftete. Bei den unbeschichteten Schrauben aus der Kontrollgruppe A waren makroskopisch nur im Bereich der Spitze vereinzelt anhaftende Gewebeteile zu

erkennen. Die Position der Schrauben, proximal oder distal der osteotomierten

Tibiae, hatte keinen Einfluss auf die anhaftenden Gewebestücke. Ein

Schraubenbruch oder eine knöcherne Verletzung beim Entfernen der Schrauben

traten nicht auf.

Die nachfolgenden Abbildungen (Abb. 4.20-24) zeigen die Unterschiede der beiden

Schraubentypen vor Beginn des Versuchs und nach der Extraktion.

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4. Ergebnisse 59

Abb. 4-20 unbeschichtete KVS vor Implantation in die Schaftibia

Abb. 4-21 unbeschichtete KVS 12 Wochen p.o. nach Extraktion aus der Tibia (Schaf-Nr. 2841)

mit anhaftenden Gewebeteilen im Bereich der Schraubenspitze

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4. Ergebnisse 60

Abb. 4-22 HA-beschichtete KVS vor Implantation in die Schaftibia

Abb. 4-23 HA-beschichtete KVS 12 Wochen p.o. nach Extraktion aus der Tibia (Schaf-Nr. 2851)

mit anhaftendem Gewebe am gesamten Gewindebereich

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4. Ergebnisse 61

4.6.2 Histologische Beurteilung der Schrauben

Nach Entfernen der Schrauben wurden von der Oberfläche Gewebeproben

entnommen. Bei der histologischen Untersuchung der beschichteten Schrauben

wurde fibröses Bindegewebe und Knochengewebe festgestellt. An den

unbeschichteten Schrauben haftete jedoch ausschließlich Bindegewebe

4.7 Histologische Ergebnisse der Knochenpräparate

Nach zwölfwöchiger Beobachtungszeit und anschließender Euthanasie der Schafe

erfolgte die Auswertung der histologischen Präparate deskriptiv. Die histologische

Untersuchung zeigte an der Implantat-Knochen-Grenze um die HA-beschichteten

Schrauben kein Bindegewebe. Das Knochengewebe war direkt an die HA-

Beschichtung der Schraube angewachsen. Dies traf gleichermaßen auf die kortikalen

und spongiösen Kontaktzonen zu. Das Hydroxylapatit war in geringem Masse

abgerieben, was speziell an den Schraubeneintrittsstellen zu erkennen war.

Gelegentlich waren diese Partikel von neu gebildetem Knochen umwachsen. Eine

vollständige Ablösung der HA-Beschichtung war jedoch nicht zu erkennen.

Bei den unbeschichteten Schrauben hingegen wurde teilweise eine bindegewebige

Umscheidung festgestellt. Außerdem waren große Resorptionszonen um die

Gewindegänge erkennbar, welche sich vermehrt an den Gewindegängen der KVS im

proximalen Knochenfragment zeigten. In angrenzenden Knochenarealen konnten

leere Osteozytenlakunen gesehen werden.

Die Form der Gewindegänge war unabhängig der Beschichtung trapezförmig,

trapezförmig mit abgerundeten Ecken, halbrund oder dreieckig.

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4. Ergebnisse 62

Abb. 4-24 Gewindegang einer unbeschichteten KVS im distalen Knochenfragment der Tibia

von Tier Nr.2917 (200-fache Vergrößerung, Toluidinblaufärbung), neu gebildeter und originärer Knochen bilden das Kontaktgewebe zum Gewindegang

Abb. 4-25 Gewindegang einer unbeschichteten KVS von Tier Nr.2917 im proximalen

Knochenfragment der Tibia (100-fache Vergrößerung, Toluidinblaufärbung). Dieses Bild zeigt Resorptionszonen, sowie Bindgewebe am neu gebildeten Knochen.

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4. Ergebnisse 63

Abb. 4-26 Gewindegang einer beschichteten KVS in der Tibia von Tier Nr. 2851 (63-fache

Vergrößerung, Toluidinblaufärbung) ggr. Kallus mit aufgelagertem HA verbindet originären Knochen mit Gewindegang

Abb. 4-27 Gewindegang einer unbeschichteten KVS in der Tibia von Tier-Nr. 2841 (Masson-Goldner, 63- fache Vergrößerung). Ein breiter Kallus mit angelagertem Bindegewebe verbindet

den originären Knochen mit dem Gewindegang.

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4. Ergebnisse 64

Abb. 4-28 Gewindegang eine unbeschichteten KVS in der Tibia von Tier Nr. 2841 (100-fache

Vergrößerung, Masson-Goldner), umfangreiche Kallusbidung mit aufgelagertem Bindegewebe am Gewindegang

Abb. 4-29 Gewindegang einer unbeschichteten KVS in der Tibia von Tier Nr.2917 (100-fache Vergrößerung, Toluidinblaufärbung). Dieses Bild zeigt Resorptionszonen, sowie Bindgewebe

im neu gebildeten Knochen.

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4. Ergebnisse 65

Abb. 4-30 Gewindegang einer beschichteten KVS in der Tibia von Tier Nr. 2851 (63-fache

Vergrößerung, Masson-Goldner). Kallus mit aufgelagertem HA verbindet originären Knochen mit Gewindegang

Abb. 4-31 Gewindegang einer beschichteten KVS in der Tibia von Tier Nr. 2851 (200-fache Vergrößerung, Masson-Goldner), Kallus mit aufgelagertem HA

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5. Diskussion 66

5 Diskussion

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Optimierung der Plattenosteosynthese

unter Verwendung der Locking-Compression-Plate mit Hydroxylapatit beschichteten

Kopfverriegelungsschrauben nach Defektosteotomie der Tibia.

In dieser Studie soll evaluiert werden, ob der bessere Knochen-Schrauben-Kontakt

bei der Verwendung von hydroxylapatitbeschichteten Implantaten zu einer höheren

Stabilität der Osteosynthese im Frakturmodell unter Vollbelastung führt. Als

Versuchstiere wurden weibliche Schafe der Rasse Deutsches Schwarzköpfiges

Fleischschaf ausgewählt.

Es wurden unbeschichtete (Gruppe A) und mit Hydroxylapatit beschichtete

Kopfverriegelungsschrauben (Gruppe B) miteinander verglichen.

Anhand klinischer, radiologischer, biomechanischer und morphologischer Parameter

wurden die Ergebnisse ausgewertet.

5.1 Methode

Als Versuchstier wurde das Schaf gewählt, da sowohl die veterinärmedizinische als

auch die humanmedizinische Betrachtungsweise der Plattenosteosynthese

untersucht wurde. Die Dimensionen und die mechanischen Eigenschaften des

Schafknochens sind denen des menschlichen Knochens sehr ähnlich. Weil die

Frakturheilung und Knochenreaktionen beim Schaf nach den gleichen Prinzipien

ablaufen, wie bei Mensch und Kleintier, lassen sich die hier gewonnenen

Erkenntnisse sowohl allgemein auf die Veterinärmedizin, als auch auf die

Humanmedizin übertragen. Die Fraktur- und Knochenheilung beim Schaf ist, trotz

eines schnelleren Knochenstoffwechsels gegenüber dem Menschen, für

Rückschlüsse in der Humanmedizin auswertbar (Simmons, 1976). Außerdem sind

die Haltungs- und Beschaffungskosten beim Schaf in einem günstigen Verhältnis, zu

der zu erwartenden Aussagekraft der Ergebnisse (Lippuner et al., 1992).

Die Plattenosteosynthese erfolgte nach den in der Humanmedizin üblichen

Standards. Die klinische postoperative Beobachtungszeit der Tiere wurde auf drei

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5. Diskussion 67

Monate festgelegt, da zu diesem Zeitpunkt die Frakturheilung ausreichend

vorangeschritten war (Brinker 1978). Außerdem ist 12 Wochen nach Implantation der

kortikale Knochen im Bereich der eingedrehten Schraube gereift und der avitale

durch lamellären Knochen ersetzt (Clary u. Roe, 1995).

Aus vorangegangenen Versuchen (Moroni et al. 2003) war die Notwendigkeit zur

Durchführung einer Achillotenotomie gegeben. Diese wurde beim Setzen des Osteotomiedefektes zeitgleich durchgeführt und sollte unmittelbar post operationem

eine geringere Belastung der Osteosynthese gewährleisten.

Durch die Adaption der Sehnenstümpfe, welche nach 6-8 Wochen abgeschlossen

war, wurde die Gliedmaße zunehmend belastet, was auch unter klinischen

Bedingungen im Verlauf der Frakturheilung erwünscht ist. Doch auch diese

Präventionsmaßnahme konnte nicht verhindern, dass einige der Tiere unmittelbar

post operationem die Osteosynthese zu stark belasteten, indem sie auf der

Kaudalfläche des Metatarsalknochens fußten. Innerhalb der ersten Woche post

operationem kam es deshalb bei 5 von 11 (3 Pilottiere und 2x4 Tiere im

Hauptversuch) operierten Tieren zu kompletten Ausrissen der Schrauben aus den

Bohrlöchern im proximalen Knochenfragment. Die betroffenen Tiere wurden

daraufhin unverzüglich euthanasiert. Die Verlustrate betrug 45,5 %, und lag damit

erheblich über dem Durchschnitt anderer Versuchsreihen am Tiermodel Schaf

(Klaue u. Perren, 1991; Mathon et al., 1998).

Bei dieser Untersuchung wurden erstmals monokortikale

Kopfverriegelungsschrauben in Verbindung mit der Locking Compression Plate am

Schaf angewendet. Dieses Versuchsmodell sollte deshalb primär durch einen

Pilotversuch mit drei Tieren abgesichert werden. Bei diesem wurde an der Schaftibia

ein 2 cm langer Defekt erzeugt, welcher mit einer 8-Loch-LCP und drei Schrauben je

Fragment stabilisiert wurde. Dabei ergab sich bei zwei von drei Schafen innerhalb

der zweiten Woche post operationem ein vollständiger Ausriss des Implantates im

proximalen Knochenfragment.

Aufgrund dieser Resultate wurde der Versuchsplan geändert und nachfolgend statt

sechs Schrauben acht verwendet. Gleichzeitig wurde die vorher verwendete 8-Loch-

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5. Diskussion 68

Platte durch eine 9-Loch-LCP ersetzt und die Defektosteotomie von 2 cm auf 0,5 cm

reduziert. Mit dieser Modifikation sollte eine höhere Stabilität gewährleistet sein.

Ursprünglich sollten 16 Tiere im Hauptversuch operiert werden. Nachdem nach der

modifizierten Operationsmethode drei Tiere innerhalb der ersten Woche aufgrund

proximaler Schraubenausrisse euthanasiert werden mussten, da dieselben

Komplikationen wie im Pilotversuch auftraten, wurde die Versuchsreihe aus ethischen Gründen abgebrochen.

Die proximalen Schraubenausrisse lassen vermuten, dass diese bei den

Aufstehversuchen der Tiere auftraten. Weiterhin haben aufgrund des

Fluchtverhaltens der scheuen Tiere extreme Kräfte auf die operierten Tibiae gewirkt.

Das hohe Körpergewicht einzelner Tiere mag ebenfalls ein weiterer Grund für das

Implantatversagen sein. Die Operationstechnik selbst und die starke Schwächung

des proximalen und distalen Tibiaschafts spielen bei der hohen Anzahl von

Imlpantatversagen vermutlich eine weitere Rolle. Vergleichbare Erfahrungen fehlen

bisher im Schrifttum, da weder die neu entwickelte LCP mit monkortikalen

Kopfverriegelungsschrauben an Schafknochen in vivo geprüft wurden, noch fallweise

aus der Orthopädie ein vollständiger Ausriss aller Kopfverriegelungsschrauben aus

einem Hauptfragment beschrieben wurden. Dieser spezielle Versuchsaufbau mit

monokortikaler Verschraubung erscheint mit Schafen nicht durchführbar, da das

Knochen-Schrauben-Interface der Kombination aus den einwirkenden Axial- und

Torsionskräften (Aufstehen und Bewegung des scheuen Tieres), mitresultierend

auch durch die starre Einheit von LCP und Kopfverriegelungsschrauben, nicht

ausreichend standhält.

Die eigenen Erfahrungen weisen darauf hin, dass die LCP in Kombination mit der

Kopfverriegelungsschraube offenbar einen derart starken und rigiden Fixateur

darstellt, dass sich bei Mikrobewegungen oder sonstig einwirkenden stärkeren

Kräften nicht die Schrauben im Gewinde der Platte bewegen, sondern alle

Schrauben je Fragment die Kraft über die Knochen-Schrauben-Kontaktzone

weiterleiten. Dies kann dann das Lösen, bzw. nachträglich auch ein vollständiges

Ausreißen aller Schrauben im Fragment zur Folge haben. Basierend auf dem Prinzip

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5. Diskussion 69

des Fixateurs interne fungieren die Kopfverriegelungsschrauben der LCP als Bolzen

und komprimieren weder die Platte noch die Fraktur. Die Schrauben halten den

Biegebelastungen besser stand, als den Kräften, welche ein Ausreißen bewirken

(Perren, 2001). Gautier et al. (2003) weisen darauf hin, das aus rein mechanischer

Sichtweise zwei monokortikale Schrauben je Fragment die minimale Vorraussetzung

für eine stabile Konstruktion darstellen. Diese würde jedoch versagen, wenn es aufgrund von Überbelastungen zu Schraubenbrüchen oder zur Resorption und zur

Lockerung der Zone zwischen Kortex und Schraubengewinde käme. Durch

Verwenden zweier bikortikaler Schrauben wird die Einheit nicht im Hinblick auf

mögliches Schraubenversagen, jedoch die Stabilität im Knochen-Schrauben-

Interface bedeutend verbessert.

Die biomechanischen Belastbarkeitstests können sowohl als Biegeversuch,

Ausreißtest, Torsionstest als auch durch Messung der Ein- und Ausdrehmomente

der Schrauben erfolgen. Im Biegeversuch wird die Richtung der eingeleiteten Kraft

direkt auf den neu gebildeten Knochen ausgerichtet. Der Ausreißtest misst die

Haltekraft einer Schraube gegen die Zugkraft, welche entlang der Schraubenachse

wirkt. In der Regel gibt dabei ein kegelförmiger Bereich des Knochens in der

Umgebung der Schraube nach. Somit wird bei diesem Test eher die

Widerstandskraft des Knochens als der Knochen–Implantat–Kontakt gemessen

(Piatelli u. Trisi, 1994). Aus diesem Grund halten Anderson et al. (1997) die Messung

der Ausdrehmomente von Schrauben für präziser und besser zu vergleichen. Zur

Verifizierung der Stärke des Knochen-Schrauben–Kontaktes wurde deshalb bei den

eigenen Untersuchungen das Ausdrehmoment der Kopfverriegelungsschrauben

bestimmt. Vorausgegangene Versuchsreihen belegen dabei eine signifikante

Korrelation zwischen einem hohem Ausdrehmoment und einem festen Knochen-

Schrauben-Kontakt (Petine et al. 1993; Augat et al. 1995; Sanden et al. 2000; Rocca

et al. 2002; Moroni et al. 1996, 1997, 2001, 2003).

Die Torsionsprüfung erlaubte die Beurteilung der Steifigkeit im neu gebildeten

Knochengewebe. Die Untersuchung erfasst die Qualität und Quantität der erfolgten

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5. Diskussion 70

Knochenneubildung im Bereich des Osteotomiedefekts. Allerdings wird hierbei die

Kraft unabhängig von der räumlichen Ausrichtung des neuen Knochens gemessen.

In Anlehnung an die Arbeiten von Chao u. Aro (1991) waren die Ergebnisse dieses

Torsionsversuches klassifizierbar und der Defekt konnte jeweils einem

Heilungsstadium nach White et al. (1977) zugeordnet werden.

Die biomechanischen Belastbarkeitstests eignen sich aufgrund ihres Aufbaus und Ablaufs gut den Knochen im direkten Anschluss histologisch aufzuarbeiten, und

somit eine direkte Gegenüberstellung der klinischen, radiologischen,

biomechanischen und morphologischen Befunde am selben Präparat zu

gewährleisten.

5.2 Diskussion der Ergebnisse

Zur Überprüfung des Knochen-Schrauben–Interface und der Einheilung in den

Knochen wurden von diversen Arbeitsgruppen Untersuchungen mit

hydroxylapatitbeschichteten Schrauben durchgeführt (David et al. 1993; Savarino et

al. 1998; Moroni et al.1999, 2003). Die Implantate wurden dabei sowohl in intakte

Knochen als auch in osteotomierte Fragmente eingebracht. Des Weiteren gab es

Versuchsreihen mit dem Fixateur externe, der sowohl mit als auch ohne Osteotomie

des Knochens implantiert wurde (David et al. 1994; Moroni et al. 1997,1998).

Die eigenen Untersuchungen zeigten, dass es durch Setzten des Osteotomiedefekts

zu einer erheblichen mechanischen Belastung von Schrauben-Knochen-Interface

und LCP kommt. Diese Voraussetzungen stellten hohe Anforderungen an die

mechanische Festigkeit der Schrauben im Knochen.

Bei der deskriptiven Auswertung der röntgenologischen Befunde zeigte sich eine bis

in den Markkanal reichende zapfenförmige Kallusbildung entlang der

Schraubengewinde bei allen Probanden im proximalen Fragment. Durch mechanisch

bedingte Mikrobewegungen kam es an der Knochen-Implantat-Kontaktfläche zur

ausgeprägten Knochenresorption, welche sich durch oben beschriebene

Kallusbildung äußerte. In Anlehnung an die Arbeit von Perren 2002 ließ sich diese

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5. Diskussion 71

Problematik im Folgenden erklären. Jede Initialkraft bewirkte Mikrobewegungen in

der operierten Gliedmaße. Die Menge an gebildetem Kallus korrespondiert mit dem

Auftreten von Mikrobewegungen und Instabilität am Knochen-Schrauben-Interface.

Bei einer Tibiabelastung (Aufstehen, Gehen, Ablegen) kam es zu einer Verkürzung

von wenigen µm. Dadurch wurde die Last der Schraube initial von perpendicular auf

axial gewechselt und es kam zum Lösen im Bereich von Knochen und Implantat. Bei der LCP sind die Schrauben alle fest verriegelt, es kommt somit zur Belastung aller

Kopfverriegelungsschrauben im Fragment und diese geben die Mikrobewegungen

zeitgleich an das Knochen-Schrauben-Interface weiter (Gautier u. Sommer, 2003).

In einer Studie von Moroni et al. (2002) wurden Standardschrauben mit HA-

beschichteten Schrauben auf ihr Einwachsverhalten im Knochen ohne Belastung

verglichen. Das Ausdrehmoment dieser Schrauben war bedeutend höher als in der

vorliegenden Studie. Dieses Ergebnis bestätigt den negativen Einfluss von Belastung

auf das Knochen-Schrauben-Interface. Diese Erkenntnis lässt auch Rückschlüsse

auf die kompletten Schraubenausrisse der eigenen Versuchstiere ziehen.

Die durch das Körpergewicht initiierte Kraft wirkt auf die osteotomierte und fixierte

Tibia von distal her (vom Boden aus, denn dieser gibt nicht nach). Mittels des

internen Fixateurs (LCP) in Verbindung von vier Kopfverriegelungsschrauben je

Fragment wird die Tibia stabilisiert und der Defekt überbrückt. Die Kraft durch das

Auftreten, Bewegen oder stumpf von außen kann im distalen Fragment keine

Stauchung des Knochens verursachen, da die LCP dieses Fragment mit ihren vier

Kopfverriegelungsschrauben stark stabilisiert. Der Frakturspalt ermöglicht das interne

Freisetzen und Umwandeln der Energie und bewirkt die Stauchung der Platte über

dem Spalt (bending). Die daraus resultierenden Mikrobewegungen werden dann vom

Implantat an die Kontaktzonen von Schrauben und Knochen im proximalen Fragment

weitergegeben.

Diese eigene Studie zeigte, wie an der Messung der Ausdrehmomente zu erkennen

war, dass die hydoxylapatitbeschichteten Schrauben eine 5-mal höhere Festigkeit im

Knochen aufwiesen, als die unbeschichteten Schrauben. Diese Ergebnisse stimmen

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5. Diskussion 72

mit den Erwartungen und Messungen vorangegangener Untersuchungen mit

hydroxylapatitbeschichteten Implantaten überein (Magyar et al., 1997; Moroni et al.,

1998; 1999, 2003). Damit wird eine offensichtlich bessere mechanische Verankerung

der HA-beschichteten Schrauben im Vergleich zu den Standard-AO/ASIF-Schrauben

bei der Implantation im Knochen bewiesen. Bei der statistischen Überprüfung

ergaben sich keine Interaktionen zwischen den Schraubenpositionen proximal bzw. distal des Defektes.

Nach der Extraktion konnte schon makroskopisch festgestellt werden, dass an den

beschichteten Schrauben Gewebe anhaftete, während bei den unbeschichteten

Schrauben nur vereinzelt Gewebeanteile im Bereich der Schraubenspitze zu

erkennen waren. Auch bei den histologischen Untersuchungen ergaben sich an der

Implantat-Knochen-Grenze um die HA-beschichteten Schrauben keine Hinweise für

eine mesenchymale Zwischenschicht, vielmehr war das Knochengewebe direkt an

die HA-Beschichtung der Schraube angewachsen. Dies beweist die bessere

mechanische Verankerung im Knochen, und lässt sich mit der Osteokonduktivität

von Hydroxylapatit erklären. Bei den unbeschichteten Schrauben hingegen wurde

teilweise eine bindegewebige Umscheidung festgestellt. Die eigenen histologischen

Befunde entsprechen denen anderer Arbeitsgruppen (Cook et al., 1986a, 1986b;

David et. al., 1993; Augat et al., 1995; Caja u. Moroni, 1996; Magyar et al., 1997;

Rocca et al., 2000, 2001, 2002; Sandèn et al., 2000, 2001; Moroni et al., 1996a,

1996b, 1997b, 1998a, 1998b, 2000, 2001, 2003). Die Oberflächengestaltung der

beschichteten Schrauben trägt somit zu einer verbesserten Osteointegration und

Stabilität bei (Moroni 2003).

Die biomechanische Prüfung mittels der Torsionsprüfung an der isolierten Tibia

ergab keine Signifikanzen bezüglich Steifheit, Stabilität und Bruchwinkel zwischen

den Tieren der Gruppe A und B. Die Kontrolle mit den nicht defekten kontralateralen

Kontrolltibiae erbrachte die Erkenntnis, dass der Osteotomiebereich 12 Wochen

postoperativ bis zu 62% des ursprünglichen Kraftwiderstands aufwies. Damit konnte

nachgewiesen werden, dass die osteotomierten Tibiae bei fünf von acht Tieren durch

Plattenosteosynthese mit der LCP und acht AO/ASIF Kopfverriegelungsschrauben

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5. Diskussion 73

soweit ausreichend stabil fixiert wurden, dass eine sekundäre Frakturheilung mit

Kallusbildung stattfinden konnte. Die fünf zu vergleichenden operierten Tibiae aus

beiden Gruppen A und B wiesen mit einer Ausnahme, aus der Gruppe der

unbeschichteten Schrauben (Typ I), den Frakturtyp III nach den

Frakturklassifikationen von White et al. (1977), auf. Bei dieser einmaligen

schlechteren Frakturheilung verlief die Frakturlinie durch den ursprünglichen Defektbereich.

Die Kenntnis des mechanischen Hintergrundes bei der Auswahl der geeigneten

Implantatlänge sowie der Art und Anzahl an Schrauben ist für das Erzielen einer

einwandfreien Fixation mit einem hohen Plattenspannweitenverhältnis und einer

geringen Plattenschraubendichte unerlässlich (Gautier u. Sommer 2003). Dabei ist

es wichtig, Probleme am Interface von Schraubengewinde und Knochen mit

eventuellem Ausreißen von Schrauben und sekundärer Verschiebung zu vermeiden.

Auf dieser Erkenntnis lassen sich zumindest die bei der Pilotstudie aufgetretenen

Probleme erklären. Auf Grund der unkontrollierten Fortbewegungen, des scheuen

Verhaltens unmittelbar post operationem war die funktionelle Belastung der

osteotomierten Gliedmaße weit höher anzusehen, als dies unter klinischen

Verhältnissen in der Frakturversorgung von Hund oder Katze anzunehmen wäre. So

ist in der Kleintierchirurgie eine dem Heilungsfortschritt angepasste

Belastungssteigerung durch den Tierbesitzer eher realisierbar, als beim Schaf in der

Stallhaltung.

Das in dieser Studie verwendete Versuchsmodell für die Optimierung der

Plattenosteosynthese mit monokortikalen Kopfverriegelungsschrauben nach

Defektosteotomie am Versuchstier Schaf ist deshalb abzulehnen. Dennoch ließ sich

im Hinblick auf die Fragestellung, ob durch eine Hydroxylapatitbeschichtung der

Schrauben die Plattenosteosynthese optimiert wird, eindeutig eine biomechanisch

und histologisch nachgewiesene Verbesserung der Osteointegration der

beschichteten Schrauben feststellen. Die rasche und vollständige knöcherne

Ummantelung der HA-beschichteten Kopfverriegelungsschrauben führte

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5. Diskussion 74

offensichtlich zu einer festen knöchernen Verankerung, die auch durch

Relativbewegungen zwischen den einzelnen Grenzschichten nicht zerstört wurde.

Diese Knochenummantelung der Schrauben konnte möglicherweise Wechsel- und

Biegebelastungen, die auf die Gewinde einwirken, besser absorbieren.

Zur Wahl des zur Osteosynthese verwendeten Knochens ist nach eingehender anatomischer und biomechanischer Betrachtung möglicherweise der Metacarpus

oder –tarsus zur Reduzierung auftretender elastostatischer Momente der Tibia

vorzuziehen. Hierbei hätte eine, den unkontrolierten Bewegungen der Schafe

vorbeugende Bandagierung zusätzliche Stabilisierung bieten können.

Page 75: Optimierung der Plattenosteosynthese mit Hydroxylapatit ... · LCP Locking compression plate LISS Limited invasive stability system M. Musculus µg Mikrogramm mA Milliampère mAs

6. Zusammenfassung 75

6 Zusammenfassung

Optimierung der Plattenosteosynthese mit Hydroxylapatit beschichteten

AO/ASIF Schrauben nach Defektosteotomie

Claudia Bremer

Die Stabilität einer Osteosynthese basiert wesentlich auf der Haltekraft der

implantierten Schrauben. Die vorzeitige Lockerung von Osteosyntheseschrauben

führt nach Frakturversorgung nicht selten zum Verlust der primären Stabilität und

gefährdet damit den Erfolg der Osteosynthese selbst. Neue Techniken ermöglichen

die Beschichtung von Implantatoberflächen mit unterschiedlichen Materialien, ohne

deren mechanischen Eigenschaften zu reduzieren. Die Hydroxylapatitbeschichtung

als eine nur wenig resorbierbare Kalzium-Phosphatkeramik, kann eine

Knochenneubildung induzieren. Diese Ossifikation erreicht die HA-Oberfläche ohne

bindegewebige Zwischenschicht und führt zu einer stabilen, mechanisch stark

belastbaren Verbindung.

In dieser eigenen Studie sollte evaluiert werden, ob der bessere Knochen-

Schrauben-Verbund bei Verwendung hydroxylapatitbeschichteter Implantate zu einer

höheren Stabilität der Osteosynthese und zu einer verbesserten Heilung im

Frakturmodell unter Vollbelastung führt.

Dazu wurde in dieser tierexperimentellen Untersuchung die Haltekraft und knöcherne

Einheilung von 5,0 mm monokortikalen Kopfverriegelungsschrauben mit

gleichartigen hydroxylapatitbeschichteten unter physiologischer Belastung bei

Schafen verglichen.

In einem Pilotversuch wurde bei drei Tieren ein 2 cm großer Osteotomiedefekt an der

rechten Schaftibia mit einer 8-Loch-LCP und sechs Kopfveriegelungsschrauben

überbrückt. Bei zwei Schafen trat innerhalb der ersten Woche post operationem ein

Ausriss aller Schrauben aus dem proximalen Knochenfragment auf, welcher eine

Euthanasie und eine Modifikation der Versuchsanordnung erforderlich machte. In der

Hauptuntersuchung wurde bei vier Schafen nach Setzten eines 5 mm

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6. Zusammenfassung 76

Osteotomiedefekts eine 9-Loch-LCP mit acht hydroxylapatitbeschichteten

monokortikalen Kopfveriegelungsschrauben (Gruppe B) und bei vier Schafen eine

Fixation mit unbeschichteten monokortikalen Kopfverriegelungsschrauben

durchgeführt (Gruppe A).

Entgegen der geplanten Gruppengröße von je acht Schafen, musste ein Tier aus

Gruppe A und zwei aus Gruppe B innerhalb der ersten Woche post operationem

euthanasiert werden, da sich die gleichen Komplikationen wie im Pilotversuch

ergeben hatten. Aufgrund dieser Ereignisse wurden die geplanten Operationen aus

ethischen Gründen nicht weiter durchgeführt. Für die Fragestellung, insbesondere für

die Beurteilung des Knochen-Schrauben-Interfaces, verblieben genügend Tiere im

Versuch.

Die Ergebnisse der Studie wurden in beiden Gruppen klinisch, radiologisch,

morphologisch, biomechanisch und histologisch ausgewertet und miteinander

verglichen.

Bei der Messung der Ausdrehmomente, der verwendeten Schrauben ergab sich im

Mittel eine 5-mal höhere Festigkeit des Schrauben-Knochen-Interfaces bei den HA-

beschichteten Implantaten (Gruppe A: 0.474 ± 0.383; Gruppe B: 2,408 ± 1,435).

Diese Erkenntnisse konnten ebenfalls histologisch eindeutig bestätigt werden. Bei

den histologischen Untersuchungen zeigte sich am gesamten Schrauben-Knochen-

Interface eine Knochenneubildung bis zur HA-Oberfläche der Schraube ohne

mesenchymale Zwischenschicht, bei Anwendung der unbeschichteten

Kopfverriegelungsschrauben hingegen eine bindegewebige Schicht mit

ausgedehnten Resorptionslakunen im Bereich der eingedrehten Schrauben.

Bei der biomechanischen Beurteilung der Frakturheilung (Torsionstest) und den

radiologischen Untersuchungen konnten keine signifikanten Unterschiede zwischen

den Probanden von Gruppe A und B festgestellt werden.

Die Zahl der verwendeten Versuchstiere erscheint zunächst gering. Die statistische

Auswertung ist aufgrund der geringen Anzahl von Tieren prinzipiell nur bedingt

möglich. Jedoch lassen sich statistisch bereits nach dieser Serie hochsignifikante

Unterschiede in der mechanischen Haftfestigkeit und in der knöchernen Einheilung

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6. Zusammenfassung 77

zwischen den unbeschichteten Kopfverriegelungsschrauben und den Beschichteten

feststellen, so dass unter Berücksichtigung des Tierschutzgesetzes eine Fortführung

des Versuches mit größeren Tierzahlen nicht vertreten werden konnte.

Die vollständige knöcherne Ummantelung der hydroxylapatitbeschichteten

Schrauben führt offensichtlich zu einer festen knöchernen Verankerung, die durch

Relativbewegungen zwischen den einzelnen Grenzschichten nicht zerstört wird.

Daraus resultiert, dass das verbesserte Schrauben-Knochen-Interface mit Hilfe der

Kopfverriegelungsschrauben den neuartigen kritischen Belastungsbedingungen nicht

nur bei axialer, sondern auch bei extremer, vertikaler Belastung der Schrauben

standgehalten hat.

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7. Summary 78

7 Summary

Improving plate fixation in a highly loaded non-union model with

hydroxylapatite coated AO/ASIF screws

Claudia Bremer

Fixation strength and stability is mainly based on the power of the bone screw

interface. Early loosening of the fixation strength, after fracture healing has just

started, might cause the complete lost of stability and success itself.

New technologies and sorts of surface textures are the results for the possibility to

design new implants without reducing their fixation power and mechanical effect.

Coating screws with hydroxylapatite, which only may be little resorbed, might induce

new bone remodeling by coming up right at the surface of the implant without

building tissue. These facts are reasonable for having a real stable loadable bone

implant construction.

During this own study it should be evaluated if a better bone screw contact by using

HA-coated implants might lead to an increased stability in maximum loaded

osteosyntesis fracture model.

HA-coated and non coated titanium monocortical head locking screws are compared

with each other especially in fixation strength and bone healing after insertion the

right tibia of sheep.

Running a first essay with three sheep a 2 cm defect was made and fixed by using

an eight hole LCP and three screws on each fragment. After having two complete

pullouts of implant in the proximate part during first week after operation new details

were given by starting the main study. There were two groups (Testgroup B coated,

n=4 & controllgroup A, uncoated n=4). The gap was reduced to 5 mm and a 9 hole

LCP with 8 headlocking screws was implanted.

In contrast that there should be 8 sheep in each group, complications came up like in

first essay, and the operations were stopped according to ethos. In spite of it the

Page 79: Optimierung der Plattenosteosynthese mit Hydroxylapatit ... · LCP Locking compression plate LISS Limited invasive stability system M. Musculus µg Mikrogramm mA Milliampère mAs

7. Summary 79

statement of the problem, especially the assessment of the bone screw interfaces

may be analyzed sufficient.

Monitored results were compared on a clinical, biomechanical, histological and

radiological way and statistic tests were made to show obvious facts.

Especially exertion torque of HA-coated screws showed 5 times higher bone implant

fixation strength than the fixation of uncoated head locking screws (group A: 0.474 ± 0.588; group B: 2,408 ± 1,435).

The histological tests also showed a better insertion healing of coated screws without

having a gap of fibrous tissue.

According to biomechanical tests of fracture healing and the comparison of the x-rays

there were not realized any important differences.

The number of used sheep seems to be very little. But already these few tests

showed high significant differences of mechanical fixation strength and bone healing

between both groups of operated sheep. With regard to animal prevention it was not

possible to continue the tests further on.

Obviously HA-coated screws induce a better osteointegration and better fixation

strength by good bone healing, which might resist relative movements between

bone-screw interface. As a result of this the head locking screws can resist axial and

especially vertical loading conditions a better way and show a great improvement

according to new technique used in osteosynthesis

Page 80: Optimierung der Plattenosteosynthese mit Hydroxylapatit ... · LCP Locking compression plate LISS Limited invasive stability system M. Musculus µg Mikrogramm mA Milliampère mAs

8. Literaturverzeichnis 80

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9. Danksagung 94

9 Danksagung

Herrn Professor Dr. Michael Fehr und Herrn Professor Dr. Burkhard W. Wippermann

möchte ich für die Themenstellung und engagierte Betreuung der Arbeit danken.

Herrn Professor Dr. Klaus Otto und seinem Team möchte ich für die reibungslose

Durchführung der Narkosen danken.

Herrn Karl-Heinz Napierski und Herrn Paul Zerbe danke ich für die OP-Vorbereitung

und die Unterstützung bei der Tierbetreuung.

Herrn Dr. Martin Panzica und Dr. Francesco Pegreffi danke ich für die Durchführung

der Operationen.

Frau Ina Junge gilt mein Dank für die Unterstützung während der Operationen und

bei der Aufbereitung der Knochenpräparate.

Meiner Familie und meinen Freunden möchte ich meinen Dank aussprechen für die

immer vorhandene Diskussionsbereitschaft und die Korrektur des Manuskriptes.

Mein besonderer Dank gilt meinem Vater für das unermüdliche Engagement bei der

Problembewältigung in Hard- und Softwarefragen sowie der Bereitstellung sämtlicher

technischer Ausrüstung.