The influence of shear fixation stability on the histology and histomorphometry during fracture healing

Deckblatt-Impressum persönlicher Dank Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen Inhaltsverzeichnis Einleitung Stand der Wissenschaft Material und Methoden Ergebnisse Diskussion Schlussfolgerungen Zusammenfassung Summary Literaturverzeichnis Danksagung SelbständigkeitserklärungInterfragmentäre Bewegungen haben auf den Verlauf und das Muster der Knochenheilung einen entscheidenden Einfluss. Zur gezielten Erforschung der Folgen interfragmentärer Scherbewegungen wurden in dieser Studie zwei identische externe Fixateure mit unterschiedlicher Schersteifigkeit am Schafmodell getestet. Der Heilungsverlauf mittels Fixateur externe versorgter osteotomierter Tibiae wurde anhand ausgewählter Zeitpunkte (zwei, drei, sechs und neun Wochen) nachvollzogen und der jeweilige Stand der Knochenheilung zwischen den Gruppen mit unterschiedlicher Fixation verglichen. Die histologische und histomorphometrische Auswertung der Tibiapräparate standen im Vordergrund dieser Studie. Insgesamt gingen 64 Tiere in die Untersuchung ein. Jeweils 32 Schafe wurden mit rigidem bzw. weichem Fixateur externe (geringere Schersteifigkeit) versorgt. Nach Montage der Osteosynthese wurde eine standardisierte Tibiaosteotomie mit Distraktion der Fragmente um drei Millimeter durchgeführt. Nach Euthanasie der Tiere zur jeweiligen Standzeit (zwei, drei, sechs oder neun Wochen post operationem) wurden radiologische, biomechanische, histologische und histomorphometrische Untersuchungen durchgeführt. Zwei Wochen post operationem wurde hinsichtlich der Knochenheilung kein Unterschied zwischen beiden Gruppen festgestellt, was den Schluss zu lässt, dass die Knochenheilung zu diesem Zeitpunkt größtenteils unbeeinflusst von den mechanischen Gegebenheiten stattfindet. Bereits drei Wochen post operationem hatte in der Gruppe mit rigidem Fixateur externe die Gesamtkallusfläche das Maximum erreicht und nahm anschließend tendenziell ab. Die biomechanischen sowie histologischen und histomorphometrischen Ergebnisse zeigten nach sechs Wochen eine fortgeschrittenere qualitativ hochwertigere Knochenheilung unter rigider Fixation. Die Gesamtkallusfläche in der Gruppe mit weicher Fixation war sechs Wochen post operationem noch auffallend größer und bindegewebsreicher als in der rigiden Gruppe. Nach neun Wochen kam es zur Annäherung der histologischen Ergebnisse beider Gruppen, wobei der knöcherne Kallusdurchmesser sowie die Gesamtkallusfläche unter weicher Fixation immer noch wesentlich größer waren als unter rigider Fixation. Zum neun Wochen Zeitpunkt hatten beide Gruppen einen qualitativ ähnlichen Kallus, was zu ähnlich guten biomechanischen Ergebnissen führte. Die Ergebnisse zeigen, dass etwas größere interfragmentäre Scherbewegungen die Knochenheilung initial wenig beeinflussen, dafür aber im Heilungsverlauf, v.a. im Bereich der dritten und sechsten Woche, zur verzögerten Heilung und schlechterer Kallusqualität führen können. Die relativ rigide Konstruktion beider Fixateure ermöglichte das komplikationslose Ausheilen der Osteotomie bei allen Tieren zum neun Wochen Zeitpunkt.Interfragmentary movements influence the pattern of fracture healing. The aim of this study was to investigate the effect of interfragmentary shear movements on the healing mechanism. For that reason two external fixators were created that differed only in their shear stiffness. In a standardized sheep- model the healing pattern after rigid fixation or semi-rigid fixation were determined. Therefore 64 sheep underwent a standardized mid-shaft osteotomy of the right tibia (gap = 3 mm). The osteotomy of 32 sheep were stabilized with the rigid fixator, the osteotomy of the other 32 sheep with the semi-rigid one. Groups of 8 sheep were allowed different healing periods (two, three, six or nine weeks). After sacrifice, x-rays were taken and the tibiae were testet biomechanically. Histological examination of the osteotomy area followed. The callus tissue quality and quantity were examined using a computerized image analysis system. No difference in fracture healing between the rigid and semi- rigid fixation group were found after two weeks. However, by three weeks some difference had begun to emerge. In the rigid group, the maximum total callus area was reached at three weeks, while in the semi-rigid group a maximum was not reached until 6 weeks. The fibrous tissue content was also higher in the semi-rigid group at six weeks, such that in the rigid group at six weeks a higher content of bone was present. At nine weeks a greater mineralized callus width and total callus area was determined in the semi-rigid group. The quality of the callus tissue at nine weeks was similar for both groups which correlated well with the results of torsional testing indicating similar mechanical competence of the calluses in both the rigid and semi-rigid fixation groups. The present study demonstrated that higher shear movements have no negative effect on the early phase of fracture healing. However the callus formation and differentiation were delayed in the third and sixth week. Six weeks after surgery, the larger callus was of inferor quality in the group with soft fixation. After nine weeks, the sheep of both groups had healed without complications and had reestablished mechanical competence to pre- osteotomy levels

Osteoclastic activity begins early and increases over the course of bone healing

Osteoclasts are specialised bone-resorbing cells. This particular ability makes osteoclasts irreplaceable for the continual physiological process of bone remodelling as well as for the repair process during bone healing. Whereas the effects of systemic diseases on osteoclasts have been described by many authors, the spatial and temporal distribution of osteoclasts during bone healing seems to be unclear so far. In the present study, healing of a tibial osteotomy under standardised external fixation was examined after 2, 3, 6 and 9 weeks (n = 8) in sheep. The osteoclastic number was counted, the area of mineralised bone tissue was measured histomorphometrically and density of osteoclasts per square millimetre mineralised tissue was calculated. The osteoclastic density in the endosteal region increased, whereas the density in the periosteal region remained relatively constant. The density of osteoclasts within the cortical bone increased slightly over the first 6 weeks, however, there was a more rapid increase between the sixth and ninth weeks. The findings of this study imply that remodelling and resorption take place already in the very early phase of bone healing. The most frequent remodelling process can be found in the periosteal callus, emphasising its role as the main stabiliser. The endosteal space undergoes resorption in order to recanalise the medullary cavity, a process also started in the very early phase of healing at a low level and increasing significantly during healing. The cortical bone adapts in its outward appearance to the surrounding callus structure. This paradoxic loosening is caused by the continually increasing number and density of osteoclasts in the cortical bone ends. This study clearly emphasises the osteoclastic role especially during early bone healing. These cells do not simply resorb bone but participate in a fine adjusted system with the bone-producing osteoblasts in order to maintain and improve the structural strength of bone tissue