Mechanical and Elemental Changes at the Bone-Implant Interface under the Influence of Early Physical Activity

Abstract

Nach orthopädischen Eingriffen spielt Bewegung eine entscheidende Rolle für die Genesung und Rehabilitation. Ihr Einfluss auf die Heilung von Knochen an Implantaten ist jedoch wenig erforscht. In dieser Studie wurden die Knochen männlicher Ratten mit femoralen Implantaten (Titan oder abbaubares ZX00-Magnesium) untersucht. Alle Ratten verfügten über uneingeschränkte Käfigaktivität, während eine Gruppe zusätzlich Laufbandtraining zur Rehabilitation durchführte. Knochenproben von 2, 4 und 6 Wochennach der Implantation wurden untersucht und verglichen. Mittels Nanoindentierung wurden lokale Steifigkeit und Härte gemessen, während die energiedispersive Röntgenspektroskopie genutzt wurde, um den Calciumgehalt des Knochens zu bestimmen. Das Knochengewebe nahe am Implantat erwies sich als weniger steif und hart als das in ausgewachsenem Knochen weiter entfernt vom Implantat. Bei Knochen mit Titanimplantaten deuteten die Ergebnisse darauf hin, dass Training die Härte und das Eindringmodul am Knochen nahe dem Implantat erhöht, wobei die mechanischen Eigenschaften im Laufe der Zeit zunahmen, was auf eine durch Training beschleunigte Knochenreifung hindeutet. Im Gegensatz dazu zeigten Proben mit Magnesiumimplantat keine konsistenten trainings- oder zeitabhängigen Effekte, was wahrscheinlich auf heterogene Zusammensetzung des Knochens durch Degradation und Remodellierung zurückzuführen ist. Der Kalzium Gehalt in ausgewachsenen Knochen war weniger variabel und höher als im Knochen nahe am Implantat, wobei bei Proben mit Titanimplantaten nur geringere Unterschiede zwischen den beiden untersuchten Regionen beobachtet wurden. Der Knochen nahe Magnesiumimplantaten wies einen heterogeneren Kalziumgehalt auf. Bei Knochen nahe am Implantat korrelierte die Mineralisierung bei Titanimplantaten mäßig mit dem Eindringmodul und bei Magnesiumimplantaten mit der Härte, während im ausgewachsenen Knochen keine Korrelation beobachtet wurde. Dies deutet darauf hin, dass der Mineralgehalt zu lokaler Steifigkeit und Härte im Implantat nahen Knochenbeiträgt, jedoch nur einen Teil der Varianz erklärt. Diese Arbeit soll das Verständnis darüber verbessern, wie frühe körperliche Aktivität die Knochenheilung beeinflusst, und kann die Entwicklung optimierter Rehabilitationsstrategien und Implantate unterstützen.

Physical exercise plays a crucial role in recovery and rehabilitation after orthopaedicsurgery, but its impact on bone healing at implant interfaces remains unclear. This study aims to improve our understanding of how early physical activity influences bone healing and may help in the development of optimized rehabilitation strategies and implant development. In this study, the bones of male rats with femoral implants (titanium or degradable ZX00magnesium) were examined. All rats had unrestricted cage activity, while one group additionally underwent treadmill exercise for rehabilitation. Bone samples from 2, 4, and 6 weeks post-implantation were analysed. Nanoindentation was used to measure local stiffness and hardness, while energy-dispersive X-ray spectroscopy assessed calcium content at the bone–implant interface and in mature bone. Interface bone was found to be less stiff and less hard than mature bone. For titanium implants, trends indicated that treadmill exercise increased interface hardness and indentation modulus, with mechanical properties improving over time, suggesting exercise-accelerated bone maturation. In contrast, magnesium implants showed no consistent exercise- or time-dependent effects, likely due to heterogeneous bone composition through degradation and remodelling. EDX revealed a higher and less variable calcium content in mature bone, with smaller interface–mature bone differences observed for titanium implants. Magnesium interface bone exhibited highly heterogeneous calcium content. At the interface, mineralization modestly correlated with indentation modulus for titanium implants and with hardness for magnesium implants, while no correlation was observed in mature bone. This suggests that mineral content contributes to local stiffness and hardness in interface bone but accounts for only a fraction of the variance in the mechanical properties. This work aims to improve our understanding of how early physical activity influences bone healing and to guide the development of implant materials and designs, as well asoptimise rehabilitation strategies.