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Fragestellung: Das Knochen-Implantat-Interface ist ein entscheidender Stabilitätsfaktor dorsaler Pedikelschrauben-Systeme. Dies wurde in zahlreichen statischen und unilateralen zyklischen Tests, jedoch meist unter wenig physiologischen Bedingungen untersucht. Ziel war es daher, die Bedeutung der Physiologie für die in-vitro Untersuchung dorsaler Instrumentationen und deren Dynamik sowie komplexen bilateralen Kopplungsmechanismen für native/augmentierte Pedikelschrauben in osteoporotischen Wirbeln nachzuweisen.

Methodik: In zwei Gruppen (n=12) frisch gefrorener humaner Lendenwirbeln wurden bilateral nativ/augmentierte Pedikelschrauben eingebracht. Das mittlere Alter betrug 72,2 (59/94) Jahre. Die Knochendichte betrug 112,3 (52,8/220,7)mg CaHA/ml und erfüllte die Kriterien der Osteopenie oder Osteoporose. Die Proben wurden in einer Prüfmaschine (Instron-8874, Norwood, MA, USA) zyklisch belastet. Das sagittale Drehmoment betrug 5,85Nm je Schraube und entsprach einer Kadenz von 110 Schritten/min. Die Schraubenbewegung wurde relativ zum Wirbel mittels optischem Messsystem (NDI Optotrak-Certus, Waterloo, Ontario, Kanada) erfasst. Alle Ergebnisse wurden als Median (Q1/Q3) dargestellt. Signifikante Unterschiede wurden via Mann-Whitney-U-Test in SPSS Statistics 24 (IBM, Armonk, NY, USA) ermittelt.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die wechselseitige Beeinflussung der linken und rechten Seite führte zu einem sukzessiven Versagen. Hiernach zeigte sich eine Schraubenlockerung mit Scheibenwischereffekt der z.B. linken Schraubenspitze und gekoppeltem Versagen der rechten Gegenseite. Zu Beginn und Ende der Belastung zeigte sich die stärkste Sinterung. Die Schraubenauslenkung in der nativen Gruppe betrug 7,0(2,2/9,6)° und überstieg die der augmentierten Gruppe mit 1,9(1,6/2,0)° (p=0,007) mehr als dreifach. Durch die Augmentation der Schrauben verringerte sich die Sinterung deutlich und verbesserte die Steifigkeit an dem Knochen-Implantat-Interface sechsfach. Unter Berücksichtigung des vorzeitigen Versagens der Schrauben als Endpunkt zeigte der exakte Test nach Fisher einen signifikanten Zusammenhang zwischen den frühen Zyklen bis zum Versagen und dem nativen Zustand (p=0,011).

Die zyklische Belastung unter physiologischen Bedingungen, wie sie beim Gehen vorherrschen, hat es ermöglicht, die postoperativen Zustände und klinischen Versagensmechanismen in vitro zu simulieren und deren Verständnis zu verbessern. Das Versagen zwischen linker und rechter Seite erfolgte nicht simultan, sondern sukzessive, abhängig von einer möglichen Klemmung im Pedikel. Der größte Teil der Sinterung fand zu Beginn der zyklischen Belastung statt. Daher kann die frühe Primärstabilität bereits einen Hinweis auf die Gesamtstabilität geben.

Um die Dynamik und komplexen bilateralen Kopplungsmechanismen im Hinblick auf zukünftige Implantatsysteme oder Behandlungsstrategien zu untersuchen, sollten vorzugsweise Aufbauten mit physiologischem Bezug eingesetzt werden.