Biomechanical behaviour of MRI signal-generating bone cement before and after vertebroplasty of human lumbar vertebral bodies

Das Ziel der vorliegenden Studie war es zu untersuchen, ob mittels Vertebroplastie eingebrachte MRTsignalgebende Knochenzemente die Steifigkeit frakturierter, osteoporotischer Wirbelkörper wieder herstellen können. Die Zementoplastie, d.h. das Einbringen von Knochenzement in einen Wirbelkörper, vornehmlich die Vertebroplastie und Kyphoplastie, hat sich als minimal- invasive Therapiemethode für die Behandlung osteoporotischer Wirbelkörperkompressionsfrakturen sowie vertebraler Metastasen und Hämangiome bewährt. Die zur Wirbelkörperaugmentation heutzutage kommerziell erhältlichen Knochenersatzmaterialien basieren auf der Grundsubstanz Polymethylmethacrylat (PMMA). Bislang sind diese Zemente im MRT-Bild nicht nachweisbar, so dass in der klinischen Praxis auf MRT-gestützte Diagnostik- und Therapiemethoden verzichtet werden muss. Durch den Zusatz von Natriumchloridlösung oder Hydroxylapatit wird der Knochenzement im MRT sichtbar und ermöglicht somit das Einbringen des Knochenzements unter MRT-Kontrolle. Das Behandlungsverfahren ließe sich dadurch noch sicherer und nebenwirkungsärmer gestalten. Voraussetzung für eine klinische Anwendung wäre jedoch der Nachweis, dass diese modifizierten Knochenzemente die Festigkeit eines frakturierten Wirbelkörpers erhöhen bzw. wieder herstellen können. In der vorliegenden in- vitro-Studie wurde das biomechanische Verhalten von MRTsignalgebenden mit herkömmlichen Knochenzementen an 39 unfixierten Lendenwirbelkörperpräparaten (L1-L5) von 9 weiblichen Körperspenderinnen (durchschnittliches Alter 87 +/- 12 Jahre) untersucht. Zum Nachweis einer Osteoporose wurde zunächst mittels DXA-Messung die Knochendichte der einzelnen Lendenwirbel bestimmt. Sodann wurde die Steifigkeit von 39 lumbalen Lendenwirbelknochen vor und nach der Vertebroplastie mit drei unterschiedlichen Knochenzementen (nativer PMMA- Zement = Normal, PMMA-Zement mit dem Zusatz Natriumchloridlösung = NaCl, PMMA- Zement mit dem Zusatz Hydroxylapatit = HA) im Kompressionsversuch mit einer Materialprüfmaschine ermittelt. Die Steifigkeit der Lendenwirbelkörper vor und nach Vertebroplastie betrug für die Gruppe Normalzement 1083 N/mm vs. 2173 N/mm (p=0,001), für die Gruppe NaCl-Zement 978 N/mm vs. 2287 N/mm (p=0,001) und für die Gruppe HA-Zement 1195 N/mm vs. 2000 N/mm (p=0,002). Die Versuche zeigten, dass alle getesteten Zemente die Steifigkeit osteoporotischer Wirbelkörper nach einer Fraktur wieder herstellen konnten. Eine statistische Analyse bestätigte, dass die Steifigkeit nach der Zementierung signifikant im Vergleich zur Ausgangssituation vor der Zementierung anstieg. Nicht nur der herkömmliche Knochenzement (Normal), sondern auch die beiden MRTsignalgebenden Knochenzemente (NaCl und HA) führten an allen Wirbelkörpern zu einer Erhöhung der Steifigkeit, unabhängig von anderen Einflussgrößen, wie z.B. Segmenthöhe oder Ausgangssteifigkeit. In Ergänzung zu diesen Ergebnissen sollte untersucht werden, ob auch andere biomechanische Eigenschaften der MRTsignalgebenden Zemente denen des genuinen PMMA-Zements entsprechen. Zudem könnten in-vivo- Untersuchungen Aussagen über die Verträglichkeit, die Langzeitwirkung und Ermüdungsfolgen zulassen. Richtlinien über technische Mindestanforderungen für Knochenzemente in der Vertebroplastie existieren bisher nicht. Solch ein Standard liegt lediglich für PMMA-Knochenzemente zur Anwendung in der Endoprothetik vor. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung einer Norm für Kochenzemente zur Anwendung in der Vertebroplastie, um zukünftig optimale klinische Behandlungsergebnisse gewährleisten zu können.Cementoplasty, which is the injection of bone cement into a vertebral body, in particular vertebroplasty und kyphoplasty, has proven itself as a minimally invasive therapeutic method of treatment for osteoporotic vertebral body compression fractures as well as vertebral hemangiomas and metastases. The bone replacement material currently commercially available for vertebral body augmentation is based on polymethyl methacrylate (PMMA). Up to now it has not been possible to detect cement on an MRI image, meaning MRI-supported diagnostic and therapeutic methods have not been able to be used in clinical practice. Bone cement can be made visible during MRI with the addition of a sodium chloride solution or hydroxyapatite, making it possible to inject bone cement using MRI monitoring. The consequence of this is that treatment procedures can be carried out even more safely and with fewer side effects. This study examined the biomechanical behaviour of MRI signal-generating bone cement on human lumbar vertebral bodies. First, the bone density of the individual test objects was determined by a DXA measurement. Then the stiffness of 39 lumbar vertebral bodies was determined by means of a compression test with a materials testing machine before and after vertebroplasty using three different bone cements: native PMMA cement (standard), PMMA cement with the addition of a sodium chloride solution (NaCl) and PMMA cement with the addition of hydroxyapatite (HA). The tests showed the cement augmentation significantly increased the vertebral stiffness of the lumbar vertebral bodies: for the Standard-group pre 1083 N/mm vs. post 2173 N/mm (p=0,001), for the NaCl-group pre 978 N/mm vs. post 2287 N/mm (p=0,001) and for the HA-group pre 1195 N/mm vs. post 2000 N/mm (p=0,002). The trials revealed that all cements tested were able to restore the stiffness of fractured osteoporotic vertebral bodies. A statistical analysis confirmed that stiffness significantly increased (p≤0.002) following cementing. Possible influencing variables on the stiffness, such as: type of cement used, vertebral level, existing stiffness or cadaver vertebral column, did not have a significant effect on the results. To complement these results, it should be examined whether other biomechanical properties of the MRI signal-generating cement also correspond to the genuine PMMA cement. Furthermore, in-vivo studies could reveal insights into tolerance, long-term effects and the consequences of fatigue. To date there are no international standards on biomechanical properties of bone cement for use in cementoplasty. The work presented here makes a contribution to the development of such a standard in order to be able to guarantee standard, optimal clinical treatment results in the future