gms | German Medical Science

Fragestellung: Biomechanische In-vitro-Tests zum Lockerungsverhalten von Pedikelschrauben unterliegen hohen Standardabweichungen durch Unterschiede in Knochendichte und Pedikelabmaßen. Standardisierte mechanische Ersatzmodelle mit Schäumen werden dagegen meist ohne Berücksichtigung anatomischer Randbedingungen realisiert. Ziel der Studie war es, ein möglichst realitätsnahes Prüfmodell zu entwickeln, mit dem Pedikelschrauben standardisiert und auf ihre Haltekraft im Wirbelkörper getestet werden können, sowie dieses mit Hilfe von In-vitro-Experimenten zu validieren.

Methodik: Das neue mechanische Prüfmodell, bestehend aus Pedikel (Epoxidharz und Kohlefasern) und Wirbelkörper (PU-Schaum; OC 15 pcf), wurde sechsmal gefertigt. Sechs monoaxiale, kanülierte Pedikelschrauben (S4, Aesculap AG, 6,5x45 mm) wurden zunächst im mechanischen Prüfmodell einer komplexen (Scherkraft, Zugkraft und Biegemoment) zyklischen Dauerbelastung (5 Hz, sinusoidal schwellender Kraftverlauf) mit Hilfe einer dynamischen Materialprüfmaschine mit stufenweise ansteigender Last (50.000 Zyklen je Stufe, 27° Scherwinkel, Scherkraft 100 N + 20 N je Stufe, Abbruch bei sichtbarer Auslockerung bzw. 6 mm Auslenkung) unterzogen. Für die In-vitro-Validierung wurden sechs humane Lendenwirbel (L1-3, BMD 76,8 ± 5,2 mg/cm³ K₂HPO₄, Pedikelbreite 10,0 ± 0,7 mm) unter Röntgenkontrolle implantiert und der jeweilige Wirbelkörper in PMMA gebettet. Die Proben wurden jeweils so fixiert, dass die Krafteinleitung axial im Wirbelkörper erfolgte und der Schraubenkopf mittels Fixierstab dorsal fest eingespannt war. Mit Hilfe eines Bewegungsanalysesystems wurden zudem die Relativbewegungen von Pedikelschraube, Probenfixierung sowie Stabfixierung gemessen.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die Translation am Lasteinleitungspunkt in Axialkraftrichtung in den Proben des Prüfmodells bis Lastzyklus 400.000 (0,9-2,2 mm) lag reproduzierbar innerhalb der In-vitro-Schwankungsbreite (0,8-5,6 mm). Die Auslockerung erfolgte jeweils kontinuierlich, jedoch trat nur in vitro ein schlagartiges Versagen der Probe auf. Beim Prüfmodell fand im Schraubeneintrittspunkt keine Translation statt, während sich dieser in vitro mit Beginn der Schraubenlockerung bis zu 2,5 mm nach oben bewegte. Der Drehpunkt verschob sich also vom Schraubeneintrittspunkt in Richtung Schraubenspitze. Trotzdem bewegte sich sowohl im Prüfmodell als auch in vitro die Schraubenspitze im Wirbelkörper bis zu 5 mm nach oben. Während die Translation der Schraubenspitze im Prüfmodell kontinuierlich über die Zyklenzahl zunahm, erfolgte dies in vitro relativ schnell zu Beginn der Schraubenlockerung. Die Charakteristik der Auslockerung der Pedikelschraube im Wirbelkörper ist vor allem zu Beginn der Lastapplikation qualitativ und quantitativ mit der In-vitro-Situation vergleichbar, bezüglich der Nachahmung der Lockerung am Schraubeneintrittspunkt müsste das Modell noch optimiert werden. Dennoch stellt das Prüfmodell eine valide Möglichkeit dar, das Auslockerungsverhalten von Pedikelschrauben standardisiert testen zu können.