Early stage bone reaction after application of a biodegradable magnesium implant

Abstract

Biodegradable magnesium implants are the hope of many researchers and clinicians: Over the time of healing, the implant is resorbed by the body, which makes a second operation unnecessary. The advantage of magnesium alloys is that they seem to exhibit sufficient mechanical properties because the property profile is very similar to that of the human bone. As implant removal occurs more often with children, especially this part of the population would benefit from these implants. The growth of children would not be inhibited and a second intervention could be avoided. In this thesis the early stage bone reaction is investigated. The nanostructural response of the bone to the implant is studied using SAXS (small x-ray scattering). 10 different rats with different implant dwelling times (1, 7, 14, 21 and 28 days) were sacrificed for this experiment. The nanostructural changes were characterized on the basis of the orientation and the thickness of the mineral platelets which are the basic building blocks of the bone together with the collagen fibers. 2D mappings deliver information about the local response to the implant with a resolution of about 200 µm. The following parameters are discussed in detail: - Orientation of the mineral platelets - T-Parameter (Thickness of the mineral platelets) - ρ-Parameter (Degree of Orientation) How these parameters are changing towards the implant and over time is the main focus of this thesis. For comparison, not only samples with implant but also control samples and samples with a drilling are discussed.

Natürlich abbaubare Magnesiumimplantate sind für viele Forscher und Ärzte die Implantate der Zukunft. Während der Heilung werden diese Implantate vom Körper resorbiert. Dies verhindert die Notwendigkeit einer zweiten Operation. Den Vorteil von Magnesiumlegierungen sieht man darin, dass sie die notwendigen mechanischen Eigenschaften aufweisen, da diese sehr ähnlich zu denjenigen des menschlichen Knochens sind. Vor allem Kinder können von diesen Implantaten profitieren, da bei ihnen häufig das Implantat auch wieder entfernt werden muss. Das Wachstum der Kinder würde mit diesen Implantaten nicht beeinträchtigt werden und eine Zweitoperation würde vermieden werden. Im Zuge dieser Masterarbeit wird das frühe Stadium der Knochenreaktion untersucht. Die nanostrukturelle Reaktion des Knochens auf das Implantat wird mit Hilfe von SAXS (small angle x-ray scattering) erforscht. 10 verschiedene Ratten mit unterschiedlicher Implantatsverweildauer im Knochen (1, 7, 14, 21 und 28 Tage) wurden für dieses Experiment geopfert. Die nanostrukturellen Unterschiede wurden im Hinblick auf Orientierung und Dicke der Mineralplättchen festgehalten. Diese Mineralplättchen bilden zusammen mit den Kollagenfasern den Grundbaustein des Knochenaufbaus. 2D Mappings zeigen Informationen über die lokalen Reaktionen des Knochens auf das Implantat mit einer Auflösung von 200 µm. Auf die folgenden Parameter wird in dieser Arbeit im Detail eingegangen: - Orientierung der Mineralplättchen - T-Parameter (Dicke der Mineralplättchen) - ρ-Parameter (Grad der Orientierung) Ein Hauptaugenmerk dieser Arbeit wird auf das Verhalten dieser Parameter in Abhängigkeit des Abstands zum Implantat und der Zeitspanne seit Implantateinsetzung gelegt. Zum Vergleich wurden nicht nur Proben mit Implantat untersucht, sondern es wurden genauso Kontrollproben und Proben mit einer Bohrung für diese Arbeit herangezogen.