Mechanische Untersuchung der Festigkeitsänderung von Spongiosaproben des humanen Femurkopfes durch Zellbesiedelung

Fragestellung Der Arbeit zu Grunde liegt der Gedanke, devitalisierten – und im heute gängigen Fall auch so transplantierten [1], [2] –, allogenen Spenderknochen mit empfängereigenen Stammzellen zu besiedeln. Hierdurch soll eine dem autologen Transplantat ähnlichere Situation geschaffen werden, um eine verbesserte und beschleunigte Osseointegration des Knochentransplantates zu erzielen. Durch die – zur Zellbesiedelung nötige – mehrtägige Lagerung in einem Zellkulturbad, kann es zu einer Veränderung der Festigkeit der Knochenstruktur kommen. Ziel der Studie soll sein, Festigkeitsänderungen statistisch signifikant zu erfassen und eine Abschätzung des Einflusses der Lagerung im Zellmedium auf die Belastbarkeit zu erreichen. Damit soll die Verwendbarkeit des behandelten Knochens aus rein mechanischer Sicht im operativen Vorgehen abgeschätzt werden. Methodik An 39 symmetrischen – aus dem humanen Femurkopf – zugeschnittenen Probenpaaren erfolgte mittels Druckversuch an einer MTS Bionix-Prüfmaschine die Versuchsdurchführung. Hierfür wurden geeignete Probenhalterung sowie Sägevorrichtung konstruiert und gebaut. Die Datenerhebung zur statistischen Ermittlung der benötigten Stückzahl sowie der Festlegung auf eine der möglichen Belastungsmuster [3], [4] durch die Prüfmaschine wurde durch Vorversuche an 60 nicht zellbesiedelten Probenpaaren durchgeführt. Eine Prüfprozedur für die numerische Steuerung der Prüfmaschine wurde von den gewonnenen Daten abgeleitet und programmiert. Jeweils eine Probe aus jedem Probepaar wurde über zehn Tage zellbesiedelt und gegen die jeweils unbesiedelte – aus demselben Femurkopf – auf Druckfestigkeit sowie E-Modul gemessen. Zur Abschätzung des Einflusses der Besiedelungsdauer wurden exemplarisch weitere 13 Proben über einen Zeitraum von fünf Wochen besiedelt und anschließend getestet. Um eine Kontrolle über eventuelle strukturelle Inhomogenitäten wie Risse sowie zystoid oder sklerotisch veränderte Bereiche zu erhalten, wurde von den Proben vor der Prüfung ein hochauflösendes Mikro-Computertomogramm hergestellt. Ergebnisse und Schlussfolgerungen Durch die Vorversuchsreihe war bekannt, dass – durch die Anisotrope Spongiosa im Femurkopf – eine gewisse Streuung zu erwarten ist. Dennoch war bei der Mehrzahl der Proben nach der Zellbesiedelung eine Abnahme sowohl der Druckfestigkeit als auch des E-Moduls zu beobachten. Bei den langzeitbesiedelten Proben tritt das Ergebnis noch deutlicher in Erscheinung. Allerdings scheinen teilweise vorbestehende Störungen der Mikroarchitektur vorhanden gewesen zu sein. Dies lässt sich anhand der Mikro-CT-Bildgebung nachweisen, was als Erklärung für Ausreißer herangezogen werden kann. Grundsätzlich kann allerdings die Aussage getroffen werden, dass über die komplette Streubreite keine für die in vivo Anwendung kritische Festigkeitsveränderung auftrat. Zukünftigen in vivo Anwendungen, sollte gegebenenfalls eine Testung mittels CT-Bildgebung zum Ausschluss dieser festigkeitsmindernden Eigenschaften vorangestellt werden. Literaturverzeichnis [1]. Gazdag A. R., Lane J. M., Glaser D., Forster R. A. Alternatives to Autogenous Bone Graft: Efficacy and Indications. American Academy of Orthopaedic Surgeons. 1995, Bd. 3, 1. [2]. Tomford, W. W. Bone Allografts: Past, Present and Future. Cell and Tissue Banking. 2000, Bd. 1, 2, S. 105-109. [3]. Birnbaum, K., et al. Material properties of trabecular bone structures. Surgical and Radiologic Anatomy. 2002, Bd. 23, 6. [4]. Morgan E. F., Keaveny T. M. Dependence of yield strain of human trabecular bone on anatomic site. Journal of Biomechanics. 2001, Bd. 34, 5, S. 569–577

Analyse der knöchernen Einheilung von Biomaterialien mit der Magnetresonanztomographie

Die Analyse von Implantat-Gewebe-Wechselwirkungen basiert derzeit hauptsächlich auf histologischen Techniken. Der invasive Charakter der histologischen Präparation lässt allerdings keine Untersuchung am lebenden Tier zu. Dadurch ist es nicht möglich, den Prozess der Implantateinheilung wiederholt an einem Tier zu beobachten. Die Folgen sind eine hohe Anzahl aufzuwendender Versuchstiere und eine Vergrößerung der Messunsicherheit infolge der gestiegenen biologischen Variabilität. Nicht-invasive, bildgebende Verfahren spielen daher eine zunehmende Rolle für die Entwicklung neuer Biomaterialien. Während die Computertomographie (CT) häufig zur Untersuchung der knöchernen Implantateinheilung verwendet wird, hat sich die Nutzung der Magnetresonanztomographie (MRT) für diese Fragestellungen bisher nicht etabliert. Bei der Magnetresonanztomographie handelt es sich, analog zur Computertomographie, um ein bildgebendes Verfahren zur nicht-invasiven Erzeugung digitaler Schnittbilder. Im Gegensatz zur CT, die das Hartgewebe abbildet, wird bei der MRT das Weichgewebe detektiert, wobei keine ionisierende Strahlung verwendet wird. Der große Vorteil der MRT gegenüber anderen bildgebenden Methoden besteht darin, dass es möglich ist, das Weichgewebe auf den Schnittbildern anhand verschiedener Kontraste darzustellen. Zusätzlich können MR-spezifische Parameter quantifiziert werden, die einen direkten Rückschluss auf die Struktur zulassen. Mit diesen Kennzahlen ist es möglich, Veränderungen im Weichgewebe analysieren. Das Ziel der Arbeit war es deshalb, die Eignung und mögliche Anwendungen der Magnetresonanzto-mographie (MRT) zur Analyse der Implantat-Gewebe-Wechselwirkungen zu erörtern. Für die Untersu-chungen wurde ein NMR-Spektrometer inklusive Imaging-Zubehör verwendet. Die Dissertationsarbeit beinhaltete sowohl die Untersuchung verschiedener Materialsysteme hinsichtlich ihrer Eignung für die MRT und deren Biokompatibilität, als auch die Analyse der knöchernen Einheilung ausgewählter Biomaterialien. Diese umfasste Aussagen zur Darstellbarkeit und Abgrenzbarkeit von Strukturen und beinhaltete auch quantitativ gewonnene Messparameter. Die Ergebnisse wurden stets im Vergleich mit der Histologie diskutiert. In der Arbeit konnte dargestellt werden, dass die Überprüfung der Eignung des zu untersuchenden Materials für die MRT vor der Analytik erfolgen muss. Es wurde demonstriert, dass Metalle erheblich mit dem MR-System wechselwirken können, was in der Konsequenz zu drastischen Störungen der Bildqualität führt. Diese Effekte waren stark von den ausgewählten Messparametern abhängig. Als ein MRT-geeignetes Verbundmaterial wurde Titan-beschichtetes Polyetheretherketon (PEEK/Ti) vorgeschlagen. Die Beschichtung mit Titan führte zu einer signifikant verbesserten Biokompatibilität des Kunststoffes. Die erfolgreiche Analyse der knöchernen Einheilung mit der Magnetresonanztomographie wurde im Rahmen von zwei tierexperimentellen Studien an verschiedenen Biomaterialien gezeigt (die Analyse erfolg-te ex vivo). Die Untersuchung der knöchernen Integration eines Zahnimplantates aus PEEK/Ti hatte das Ziel, die Darstellbarkeit des Implantates und knöcherner Strukturen mit der Magnetresonanztomographie zu evaluieren. Außerdem wurde ebenfalls gezeigt, dass es anhand der MRT-Schnittbilder möglich ist, quantitative Messgrößen zur Beschreibung des Einheilprozesses zu gewinnen. Aufgrund der geringen Versuchstierzahl wurde jedoch eine breite Streuung der Messdaten festgestellt. Allerdings besitzt die Studie durch die Untersuchung eines Zahnimplantates aus Polyetheretherketon/Titan mit der MRT nicht nur Neuheitswert in der Biomaterialforschung, sondern schlägt gleichzeitig eine Brücke zur klinischen, dentalen Implantologie. Die Bewertung der Darstellbarkeit knöcherner Strukturen und der verwendeten (teils tissue-engineerten) Knochenersatzmaterialien mit MRT und Histologie und des klinischen Erfolges derselben bildeten einen Schwerpunkt der zweiten tierexperimentellen Studie (die Analyse erfolgte ex vivo). Es war möglich, mit beiden bildgebenden Verfahren zu zeigen, dass sich die verwendeten Knochenersatzmaterialien nicht für die vorgesehene Anwendung eigneten. Die Beurteilung der Übereinstimmung der quantitativ gewonnenen Parameter beider Analysenmethoden bildete den Abschluss der Arbeit. Es wurde festgestellt, dass zwischen den Messdaten stets ein syste-matischer Unterschied bestand. Nachweislich war dieser aber weniger das Resultat der ungleichen lateralen Auflösungen oder der unterschiedlichen Darstellbarkeit von Gewebestrukturen der beiden Verfahren, sondern konnte auf den Einfluss der Analyse verschiedener Schichtebenen und individueller Unterschiede bei der digitalen Quantifizierung der auswertenden Personen zurückgeführt werden.Currently, histological techniques are used to analyse implant-tissue-interactions. However, these methods are destructive and do not allow for the investigation of living animals. Therefore, it is not possible to study the integration of biomaterials repeatedly with one animal, resulting in a large number of animals and an increase of biological variability. Non-invasive imaging techniques have gained interest in the field of biomaterials. Whereas Computed Tomography (CT) was often used to evaluate the osseous integration, the assessment using Magnetic Resonance Imaging (MRI) has not been established, yet. MRI is a non-invasive medical imaging method that detects soft tissue. In contrast to CT the method does not require individuals to be exposed to radiation. The most important benefit of MRI is the possibility to acquire different soft tissue contrasts in situ because the various tissues have different signal intensities on MR images that can be altered by using different experimental parameters. Furthermore, it is possible to gain MR-specific properties that allow conclusions to the tissue structure. Thus, the objective of the doctoral thesis has been to investigate the suitability of MRI for the use in biometerial research and to show potential areas of application. The examinations were performed using a laboratory NMR-spectrometer inclusive imaging accessory. The thesis included an evaluation of the MR compatibility of different materials and their biocompati-bility and an analysis of the ingrowth of chosen biomaterials into bone. For that, the detection and identification of tissue structures and biomaterials was investigated with both, MRI and histology. Additionally, quantitative parameters were acquired and their comparability was assessed. It was clearly demonstrated, that metals interacted with the MR system and provoked large image distortions. These effects were strongly dependent on experimental parameters chosen. Polyetheretherketone with titanium coating (PEEK/Ti) was investigated and has been found to be MR safe. Above all, it was demonstrated that the biocompatibility of the polymer was significantly enhanced by coating with titanium. Within two animal studies the successful analysis of the osseous healing of different biomaterials with MRI was presented. To demonstrate the visibility of bony structures and biomaterials a dental implant made of PEEK/Ti was analysed. The ability to measure quantitative data in analogy to histomorphometry was shown, ditto. A large variation of the values was detected due to the limited number of animals used for the pilot study. Evaluating the displayability of bone and (to some extent tissue engineered) bone substitutes and assessing the clinical success of these materials was one main focus of the second animal study. Both, MRI and histological analysis could undeniably illustrate that all of the bone substitutes were not suitable for the chosen application. The thesis was completed with the determination of the agreement of quantitative values from both analysing methods. It was concluded that all values gained from the animal study were significantly different. It was proven that the chosen slice position and the image interpretation with two evaluators had a larger share to disagreement than the different lateral resolution of MRI and histological images or the diverging displayability of bone and bone substitutes. By investigating a MR suitable dental PEEK implant the doctoral thesis fulfils the criteria of novelty in biomaterial research. Moreover, it forges links between preclinical research and dental implantology