Development and biomechanical aspects of a novel bioresorbable osteosynthesis approach for children

Abstract

Magnesiumlegierungen zeigen neben ausgezeichneten Festigkeitseigenschaften auch eine exzellente biologische Akzeptanz. Sie werden deshalb als vielversprechendes Implantatmaterial gesehen, insbesondere zur chirurgischen Stabilisierung von Knochenbrüchen. Magnesiumlegierungen sind bioresorbierbar, womit eine spätere Metallentfernungsoperation vermieden werden kann. Speziell bei Kindern muss momentan in nahezu allen Fällen eine solche Operation durchgeführt werden, um eine Behinderung des Wachstums durch die ansonsten permanenten Stahl- oder Titanimplantate zu verhindern. Wesentlich für die Anwendbarkeit von bioresorbierbaren Implantaten ist eine ausreichende mechanische Tragfähigkeit, verbunden mit einer angemessenen Abbaurate und einem guten Einwachsverhalten in den vorhandenen Knochen. Die vorliegende Arbeit verfolgt den Ansatz, die kommerziell verfügbare, nicht bioresorbierbare, elastisch-stabile Markraumnagelung für Kinder (englisch: flexible intramedullary nailing (FIN) oder synonym: elastic stable intramedullary nailing (ESIN)) durch ein gleichwertiges System aus einer bioresorbierbaren Magnesiumlegierung zu ersetzen. Basierend auf einem Schaffrakturmodell und physiologisch korrekten, biaxialen Belastungsszenarien wurde ein Vergleichsstandard entwickelt und in weiterer Folge an unterschiedlichen, in Schafskadaverknochen implantierten, FIN/ESIN-Systemen unter stufenweise ansteigender zyklischer mechanischer Belastung validiert. Jenes FIN/ESIN-System, das die vielversprechendsten Ergebnisse lieferte, wurde anschließend in einer In-vivo-Studie zur Stabilisierung einer künstlichen Fraktur in Schafe implantiert. Die Knochen wurden nach 2, 6, 12 und 24 Wochen explantiert und der Heilungsverlauf mittels Schallemissionsmessungen während biomechanischer Belastungstests charakterisiert. Nachdem sich das angewendete Schafmodell als geeignet zur Simulation von Frakturen im Kindesalter erwiesen hatte, wurden Schrauben aus der Magnesiumlegierung Mg-0.3Zn-0.4Ca (unbehandelt und chemisch poliert) wiederum in Schienbeine von Schafen implantiert. Nach 6 Wochen wurden die Knochen entnommen und die axiale Auszugsfestigkeit der Schrauben als Maß für Degradation und Knocheneinwachsverhalten bestimmt. Das gleiche Verfahren wurde auch in einer Kontrollgruppe, in welcher identische Schrauben in den kontralateralen Knochen der Versuchstiere implantiert wurden, angewendet. Alle In-vivo-Studien wurden unter besonderer Rücksichtnahme auf die Tiere und Einhaltung aller regulativen Vorschriften durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen die Eignung des angewendeten Schafmodells als Standard für die Untersuchung von bioresorbierbaren Implantaten zur Behandlung von Frakturen im Kindesalter. Darüber hinaus konnten Vorschläge für die klinische Anwendung von FIN/ESIN und die zugehörigen Verriegelungssystemen abgeleitet werden. Die biomechanischen Daten der untersuchten, nicht bioresorbierbaren Implantate und die festgestellte, schnelle Heilung von Frakturen, die mit solchen FIN/ESIN versorgt wurden, können als Richtwerte für zukünftige bioresorbierbare Systeme herangezogen werden. Im Vergleich mit der Kontrollgruppe ergaben die mechanischen Untersuchungen an den magnesiumbasierten Schrauben eine Abnahme der Auszugsfestigkeit nach 6 Wochen im Körper. Diese niedrigeren Werte sind mit der Degradation der Schrauben erklärbar und entsprechen den Erwartungen. Chemisch polierte Schrauben wiesen eine niedrigere Auszugsfestigkeit als unbehandelte Proben auf. Eine mögliche Erklärung stellt der aus der Oberflächenbehandlung resultierende Volumenverlust dar. Im Allgemeinen kann die Auszugsfestigkeit der Schrauben für klinische Anwendungen jedoch als ausreichend angesehen werden. Weiterer Forschungsbedarf wurde bei Herstellungsverfahren und Oberflächenbehandlungen von magnesiumbasierten Implantaten ermittelt. Zusätzlich ist die Entwicklung von Implantatdesigns, die den speziellen Eigenschaften von Magnesiumlegierungen genügen, und deren Untersuchung in vitro und in vivo empfehlenswert.

Magnesium and its alloys possess excellent mechanical properties, biological acceptance and are promising as implanted material, particularly in the surgical stabilization of bone fractures. The material-s relatively fast degradation prevents second surgeries to remove implants. Essential for their applicability is a sufficient load-bearing capacity for a clinically relevant time frame, directly linked to a reliable degradation rate and good bone ingrowth. In the work presented, commercially available, non-bioresorbable, flexible intramedullary nails (the gold standard for the surgical treatment of pediatric long bone fractures) are investigated to determine the potential to replace them with nails made of a bioresorbable magnesium-alloy. A fracture model of long bones was developed based on sheep tibiae and mechanical loading with a custom-built biaxial loading device. Flexible intramedullary nails with different locking systems were implanted in cadaveric sheep bones and subjected to step-wise increasing cyclical loads. In a further section, the most promising types of implants from prior studies were implanted in living animals and bones were harvested post-operatively after 2, 6, 12, and 24 weeks. Biomechanical tests with simultaneous monitoring of acoustic emissions were used to assess the process of fracture healing. Having suitably proven the sheep model, screws manufactured out of Mg-0.3Zn-0.4Ca were implanted in sheep tibiae (untreated and chemically polished). After 6 weeks, the bones were harvested and axial pull-out tests were performed on the screws. The same method was also applied in a control group consisting of identical screws implanted in the cadaveric contralateral bones. Results demonstrated the suitability of the sheep model as a model for pediatric fracture treatment and a biaxial, realistic loading protocol is successfully established. Suggestions for clinically preferable nail systems are provided along with biomechanical data demonstrating the fast healing of elastically fixed bone fractures and providing a benchmark for future magnesium-based implants. The pull-out tests revealed lower strength in screws remaining in the tibia for 6 weeks in comparison with the control group. Chemically polished screws exhibited lower pull-out strength than untreated samples. This loss in strength is associated with the initial degradation of the screws and according to expectations. The lower pull-out strength of chemically polished screws may be due to volume loss resulting from chemical surface treatments. However, in general, the interface strength still appears to be sufficient for clinical applications. Future work includes improvements in manufacturing and surface finish of bioresorbable implants, development of various implant designs according to the properties of magnesium alloys, and continued in vitro and in vivo testing.