Nano-structure of bone after application of bio-resorbable implants

Abstract

Bioresorbable implants are a class of implants that are resorbed by the body of a patient over the time of healing. Especially Magnesium-based alloys are promising class of implants as no further operation is necessary but unlike polymer systems they exhibit sufficient mechanical properties to effectively support the bone structure mechanically in case of a fracture. A class of patients that can hugely benefit from this behaviour are children as they still exhibit significant skeletal growth and would hence need reoperation in the case of a non-degradable implant. The investigations are embedded into the BRIC (BioResorable Implants for Children) project that is a currently running project initiative under the project lead of MedUni Graz. The aim here is to develop a implant material that shows degradation behaviour and in contrast to conventional implants like Titanium or Cobalt-Chromium alloys renders a second surgical intervention unnecessary. This thesis deals with the nanostructural response of the bone structure on the implant over a certain span of time as studied by the method of small angle x-ray scattering (SAXS). The nanostructural changes of six rat femur bones with different Magnesium implant dwelling times from one to 18 month has been characterized on the basis of the orientation and morphology of the mineral platelets that make up the mineral reinforcement of the collagen matrix of the bone. A 2D mapping has been carried out to gain knowledge on local transitions in response to the implant with a resolution of about 350 µm. From the scattering patterns averaged information on the degree and direction of preferential orientation as well as the shape, thickness of the mineral platelets has been extracted. In this master thesis it is shown that: - the degree and direction of the platelets changes with the distance to the implant. - the thickness of the mineral increases over time - a different degradation behaviour the pin is visible of in different types of bone. Changes in the bone morphology have been shown but the currently available instrument limits the resolution and thus the localized changes cannot be unveiled.

Bioresorptive Implantate sind Implantate, die vom PatientInnenkörper in der Heilunggszeit resorbiert werden. Besondere Magnesiumlegierungen sind eine zukunftsträchtige Implantateklasse, weil keine weitere Operation nötig ist. Sie besitzen jedoch im Gegensatz zu Polymersystemen ausreichende mechanische Eigenschaften, um die Knochenstruktur im Falle eines Bruches mechanisch auf effektive Weise zu unterstützen. Eine PatientInnengruppe die stark von diesen Eigenschaften profitiert sind Kinder, da sie noch signifikantes Skelettwachstum aufweisen und daher im Falle eines nicht abbaubaren Implantats eine zweite Operation benötigen würden. Die Forschungen sind Teil des BRIC (BioResorbable Implants for Children) Projekts, welches eine Projektinitiative des "Laura Bassi Laboratory" ist, das gegenwärtig unter der Projektleitung des Med Uni Graz durchgeführt wird. Diese Masterarbeit behandelt die nanostrukturelle Reaktion des Knochenstruktur auf das Implantat über eine bestimmte Zeitspanne. Als Methode wurde die Röntgenkleinwinkelstreuung- Small Angle Xray Scattering (SAXS) verwendet. Von 6 Ratten wurden die nanostrukturellen Veränderungen der Femurknochen mit Magnesiumimplantaten untersucht. Die Implantationszeiten erstreckten sich von 1 bis 18 Monate. Als Grundlage der Untersuchung dienten die Ausrichtung und Morphologie der Mineralplättchen, welche die mineralische Verstärkung der Kollagenmatrix des Knochens bilden. Mit Hilfe eines 2D Mapping wurden Informationen über lokale Veränderungen gesammelt, welche in Reakion auf das Implantat stattfanden. Die Auflösung des Mapping war c.a. 350 -m. Aus den Streuungsignalen wurden gemittelte Informationen über die Mineralplättchen gewonnen: Grad und Orientierung einer bevorzugte Ausrichtung, sowie Form und Dicke der Plättchen werden untersucht. In dieser Masterarbeit wurde gezeigt dass: sich die Richtung des Partikels mit der Distanz zum Implantat verändert, die Dicke des Minerals im laufe der Zeit zunimmt, ein Unterschiedliches Abbauverhalten des Implantates in den unterschiedlichen Knochentypen sichtbar wird