gms | German Medical Science

Fragestellung: Die Behandlung großer, segmentaler Knochendefekte wird in der Regel mit autogenem, allogenem Knochenmaterial oder Kalziumphosphaten behandelt. Da diese nur begrenzt verfügbar sind und geringe mechanische Eigenschaften aufweisen, stellen sie für die Versorgung in hochbelasteten Bereichen eine Limitation dar. Da mithilfe additiver Fertigungsverfahren nahezu beliebige metallische Strukturen und mechanische Eigenschaften erreicht werden können, die zudem noch das Knocheneinwachsen gewährleisten, stellen diese eine vielversprechende Alternative zu den bisherigen Lösungen (autologer und homologer Knochen) dar. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, inwieweit offenporige Titanformkörper zur Überbrückung segmentaler Defekte geeignet sind und welche mechanischen Werte im Vergleich zum intakten Knochen erreicht werden können.

Methodik: Zylindrische, offenporige Titanformkörper (20 mm Höhe, 17 mm Durchmesser, ca. 60 % Porosität) eines biomechanisch optimierten Designs wurden mittels generativem Fertigungsverfahren SLM (selective laser melting) hergestellt. Ein segmentaler Vollschaftdefekt mit 2 cm Höhe wurde in dem rechten Metatarsus von zwei Jahre alten weiblichen Schwarzkopf-Fleischschafen (n=14) erzeugt und jeweils mit dem 3D-Fromkörper sowie einer geeigneten Osteosyntheseplatte (LCP 3,5, Synthes, Umkirch) und sechs Schrauben versorgt. Die inneren beiden Schrauben wurden auf Kompression angebracht, um den Formkörper zu stabilisieren, die restlichen Schrauben wurden winkelstabil verankert. Nach 12 (n=10) bzw. 24 Wochen (n=4) wurden die Tiere euthanasiert und bilateral die metatarsalen Knochen (unbehandelt und operiert) entnommen. Die Platten wurden entfernt, das proximale und distale Ende der Metatarsi in Epoxidharz eingegossen und rein auf Torsion (30° /min) in einer axial-torsionalen Prüfmaschine bis zum Bruch belastet. Torsionswinkel und -moment wurden kontinuierlich aufgezeichnet.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Das maximale Torsionsmoment der unbehandelten Knochen betrug 37,8 ± 3,1 Nm und die Knochen, welche mit Formkörper versorgt waren, erzielten 20,2 ± 9,8 Nm nach 12 Wochen Implantatstandzeit. Nach 24 Wochen wurden 38,6 ± 5,5 Nm (unbehandelter Knochen) sowie 23,4 ± 5,7 Nm (operativ versorgter Knochen) ermittelt. Der maximale Torsionswinkel der unbehandelter Knochen bis zum Bruch betrug 17,6 ± 4,8° nach 12 Wochen und 16,4 ± 4,1° nach 24 Wochen. Für die operierten Knochen wurde ein Torsionswinkel von 10,7 ± 3,5° nach 12 Wochen und 14,8 ± 7,4° nach 24 Wochen ermittelt.

Die Ergebnisse zeigen, dass offenporige Titanformkörper für den Einsatz zur Knochenregeneration bei segmentalen Defekten eine Alternative zu autologem Material bzw. Kalziumphosphaten bietet. Nach Entfernung der Osteosynthese konnten mechanische Belastungen von über 50% des intakten Knochens nach 12 Wochen und bis zu 60 % nach 24 Wochen Implantatstandzeit erreicht werden. In nachfolgenden histomorphometrischen Untersuchungen soll gezeigt werden, inwieweit die 3D-Formkörper aus Titan von Knochenzellen besiedelt wurden.