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Biomechanische Eigenschaften von Implantaten im Gewebe korrelieren mit der Osteozytenzahl und -Morphologie an der Implantat-Knochen-Schnittstelle
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Veröffentlicht: | 6. November 2018 |
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Fragestellung: Das strukturelle Design und die Materialzusammensetzung von Implantaten beeinflussen deren osseointegratives und biomechanisches Potential. Mechanische Belastungen im Knochen werden durch Osteozyten registriert und führen zu anabolen oder katabolen Prozessen am mineralisierten Knochen. Durch Beschichtungen funktionalisierte Implantate könnten eingesetzt werden, um die Zellproliferation an der Kontaktfläche zwischen Implantat und Knochen, und dadurch die Qualität sowie Quantität des neu gebildeten Knochens positiv zu beeinflussen.
In dieser Studie wurde die Interaktion zwischen bioaktiven Implantatbeschichtungen und den Osteoklasten, Osteoblasten und Osteozyten bezüglich der Knochenquantität und -qualität an der Implantat-Knochen-Schnittstelle untersucht.
Methodik: In dieser Studie wurden 48 männliche Sprague Dawley Ratten einer von drei Gruppen zugeordnet: 1) Titanimplantat (Ti) als Kontrollgruppe, 2) Titanimplantat mit Gelatine beschichtet (Gel) oder 3) Titanimplantat mit Hyaluronsäure beschichtet (HA). Die Implantate wurden von proximal in den Markraum der Tibia eingebracht und die Euthanasie der Tiere erfolgte nach 3 oder 8 Wochen Einheilungsdauer. Die biomechanische Analyse erfolgte in Form eines „pull-out“ Tests. Querschnitte der Tibiae wurden mit Masson-Goldner (modifiziert) oder Silbernitrat gefärbt, um die Fläche an neu gebildetem Knochenmaterial sowie die Osteoklasten-, Osteoblasten- und Osteozytenzahl histomorphometrisch zu bestimmen. Für die Histomorphometrie wurde die Software ImageJ V1.47 und für die statistische Auswertung IMB SPSS V.21 verwendet.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Biomechanisch zeigten sich nach 8 Wochen die beschichteten Implantate im Knochen signifikant fester verankert als die Implantate der Kontrollgruppe (p≤0,05). Ohne Unterschiede zwischen den Gruppen nimmt die neu gebildete Knochenfläche bei allen Gruppen vom frühen Zeitpunkt (3 Wochen) zum späteren Zeitpunkt (8 Wochen) zu. Tendenziell sinkt die Anzahl sphärischer bzw. leerer Osteozytenlakunen während die Zahl der spindelförmigen Osteozyten mit der Zeit bei allen Gruppen ansteigt. Die Ermittlung der Knochenumbaurate durch Bestimmung der Osteoklasten- und Osteoblastenzahl sowie die rasterelektronenmikroskopische Untersuchung der Matrixultrastruktur sind Gegenstand der aktuellen Auswertung.
Die Osteozytenmorphologie ist ein Maßstab für ihre Vitalität und zusammen mit der Osteozytenzahl repräsentieren sie die Knochenqualität. Neben der Knochenmasse ist die -qualität ein maßgeblicher Faktor für die Belastbarkeit des Knochens. Unter pathologischen Bedingungen wie beispielsweise osteoporotischen Frakturen könnten Implantate mit bioaktiven Beschichtungen lokal eine Qualitätsverbesserung des neu gebildeten Knochens unterstützen.