Berghaus, Alexander

Krüger, O.

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• DVM • DEUTSCHER VERBAND FÜR MATERIALPRÜFUNG Ε. V. Geschäftsstelle: Unter den Eichen 87 1000 Berlin 45 ® (030) 811 3 0 6 6 Deutsche Sektion der Internationalen Arbeitsgemeinschaft für Osteosynthesefragen BIOAKTIVE WERKSTOFFE - CHEMISCHE UND PHYSIKALISCHE REAKTIONEN 6. Vortragsreihe des Arbeitskreises Implantate medizinisch - technische Zusammenarbeit am 12. November 1985 im Oskar-Helene-Heim i n Berlin Obmann des DVM-Arbeitskreises Implantate : Prof. Dr. med. G. Friedebold Direktor der Orthopädischen Klinik und P o l i k l i n i k der Freien Universität Berlin im Oskar-Helene-Heim, Clayallee 229, 1000 Berlin 33 I n h a l t Seite Β. A. RAHN, J. NEFF, R. MATHYS 7 Vaskularisation und Knochenneubildung i n Hydroxyl-apatit "CEROS" im Tierversuch i n Abhängigkeit von Materialdichte und Porengröße E. DIELERT, G. H. NENTWIG, E. FISCHER-BRANDIES, 15 F. BAGAMBISA Experimentelle Untersuchungen zur biologischen Reaktion auf Hydroxylapatit-Keramik E. FISCHER-BRANDIES, Ε. DIELERT, G. Η. NENTWIG 31 Zum Stellenwert der Hydroxylapatit-Keramik im Zuge der praeprothetischen Chirurgie G. H. NENTWIG, E. FISCHER-BRANDIES, Ε. DIELERT 39 Hydroxylapatit zur p a r t i e l l e n Augmentation des Kieferknochens - Einsatzmöglichkeiten und Reaktion des Lagergewebes K. HÄNGST, J. EITENMÜLLER, R. WELTIN, G. PETERS 55 Hydroxylapatit-Silberphosphat-Keramik, ihre Her­stellung, analytische Untersuchung und biologische Testung der antimikrobiellen Wirksamkeit J. EITENMÜLLER, K. HÄNGST, W. GOLSONG, G. PETERS 69 Gewebeverträglichkeit und antibakterielle Wirksam­k e i t von Hydroxylapatit-Silberphosphat-Keramik G. BAUER, B. J. FELLOWS, Η. J. OEL 93 Phasen-Entstehung und -Umwandlung bei der Herstellung bioaktiver keramischer Werkstoffe Β· J. FELLOWS, G. BAUER, H, GOTTSCHALK, J. DUMBACH, 103 W. J. SPITZER, K. DONATH Auswirkung des pH-Wertes verschiedener Calciumphosphat-Keramiken auf die biologische Umgebung M. UNGETHÜM, U. FINK, W. WINKLER-GNIEWEK 115 Kenntnisstand über Wirkungsweise und Aufbringungs-technik sogenannter bioaktiver Werkstoffe für zement­lose Verankerung von Endoprothesen U. WITZEL 141 Über die Störung und Erhaltung physiologischer Spannungsverteilungen beim Einsatz bioaktiver s t r u k t u r i e r t e r und beschichteter Implantate am Beispiel der Hüftgelenksendoprothese J. M. RUEGER, H. R. SIEBERT, K. WAGNER, A. PANNIKE 167 Biologische Aktivität von Knochenersatzmitteln (Knochenmatrixextrakte, Calciumphosphate und deren Kombinationen) im Tierexperiment Deutscher Verband für Materialprüfung e.V. Η. Ρ. TÜMMLER, R. THULL Modell zur Beschreibung der Oberflächenaktivität metallischer Implantate G. ZEILER, R. THULL Physikalisch-chemische Oberflächenprozesse und Ver­ankerungsstabilität von zementfreien Titanschaft­prothesen 0. KRÜGER, A. BERGHAUS Mechanische Eigenschaften der menschlichen Luftröhre (Trachea) im Vergleich mit Luftröhren-Prothesen aus Kunststoffen U. GROSS, H. SCHMITZ, W. ROGGENDORF, G. NFUHRMANN, T. KIPPER, V. STRUNZ Modelle zur Testung der Zugfestigkeit bioaktiver Werk­stof f e im Knochen Deutscher Verband für Materialprüfung e.V. MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN DER MENSCHLICHEN LUFTROHRE (TRACHEA) IM VERGLEICH MIT LUFTRÖHREN-PROTHESEN AUS KUNSTSTOFFEN A. Berghaus**, Krüger. O. (Vortragender)**> *) Universitätsklinikum S t e g l i t z der F r e i e n Universität B e r l i n HNO-Klinik und - P o l i k l i n i k **) Bundesanstalt für Materialprüfung (BAM) B e r l i n , Abteilung Organische S t o f f e Oer t o t a l e E r s a t z e i n e r menschlichen Luftröhre i s t keine häufi­ge Operation. Es i s t daher verständlich, daß man wenig L i t e r a ­tur Ober k l i n i s c h e Erfahrungen mit dem T r a c h e a l e r s a t z f i n d e t . Die " N e v i l l e w - P r o t h e s e ( s i e h e B i l d 1) i s t das b i s h e r e i n z i g e erwähnenswerte Implantat. S i e besteht aus einem S i l i k o n -Schlauch mit konischen Enden und umlaufenden Wülsten aus Polyester-Gewebe für eine bessere F i x i e r u n g . Man muß f e s t s t e l l e n , daß weder allogene noch a l l o p l a s t i s c h e Prothesen bisher durchschlagende E r f o l g e gehabt haben. Die Kom­pli k a t i o n e n beim a l l o p l a s t i s c h e n T r a c h e a l e r s a t z s i n d hauptsäch­l i c h durch das Auftreten v e r s c h i e d e n a r t i g e r Stenosen begründet, wobei d i e sog. Lochblendenstenose im Nahtbereich offenbar eine der häufigsten Komplikationen i s t ( s i e h e B i l d 2 ) . Durch d i e Nachbarschaft zwischen Implantat und Adern (auch der Aorta) können g e l e g e n t l i c h bedrohliche Gefäßwandarrosionen auf­t r e t e n . Bei allogenen T r a n s p l a n t a t e n s i n d es insbesondere immu­nologische Reaktionen, d i e zu Komplikationen führen können. Bei der Frage nach den zu erfüllenden Anforderungen an eine Luftröhren-Prothese i s t es s i n n v o l l , zunächst d i e Eigenschaften des natürlichen Vorbildes zu s t u d i e r e n . Verwertbare Untersu­chungsergebnisse über das p a s s i v e mechanische i n - v i t r o - oder gar in-vivo-Verhalten der menschlichen Luftröhre l i e g e n bisher kaum vor. Außer wenigen Einzelmessungen g i b t es keine systema­t i s c h e n Untersuchungen an f r i s c h aus Leichen entnommenen L u f t ­röhren. Im B i l d 3 i s t der Aufbau der Luftröhre d a r g e s t e l l t . Man erkennt d i e voneinander unabhängigen ringförmigen Spangen, d i e nach hinten offen s i n d . Die menschliche Luftröhre i s t innen g l a t t und mit e i n e r Schleimhaut überzogen. Eine Regeneration der Schleimhaut beim T r a c h e a l e r s a t z über mehr a l s etwa 4 cm Länge f i n d e t niciht s t a t t . Deutscher Verband für Materialprüfung e.V. 203 E i n e Schleimhauttransplantation i s t sehr schwierig, so dad ein Schleimtransport i n der Regel nur p a s s i v durch Husten erfolgen kann. In der folgenden T a b e l l e s i n d d i e wichtigsten erwünschten und unerwünschten Eigenschaften für Luftröhren-Prothesen zusam­mengestellt (nach Berghaus u. B r e i m e i e r ) : Bewertung +- — Wandstruktur d i c h t ( t h o r a k a l ) innen g l a t t außen porös offenes Netz offenes G i t t e r außen g l a t t Innenaus­kleidung Schleimhaut g l a t t e r Kunetstoff Granulations­gewebe Mechanisches Gesamtver-h a l t e n Elastizität i n Längsrichtung; Stabilität i n Querrichtung vollkoOT.§ne S t a r r h e i t Anastomosen-technik Einschub der Prothese i n den T r a c h e a l -stumpf Stoß-an-Stoß Einschub des Tracheal-stumpfes in die Prothese Für d i e Konstruktion e i n e r Tracheal-Prothese i s t es wichtig, e i n i n seinen Eigenschaften dem menschlichen Vorbild möglichst ähnliches System zu finden. Wir haben deshalb zunächst d i e j e n i ­gen Eigenschaften von f r i s c h aus Leichen entnommenen Luftröhren e r m i t t e l t , d i e für das mechanische Verhalten i n vivo charakte­r i s t i s c h s e i n können. (Die untersuchten Luftröhren stammten mit f r e u n d l i c h e r Genehmigung des Herrn Professor Gross aus dem Pa­thologischen I n s t i t u t des Klinikums S t e g l i t z . ) Die unten disku­t i e r t e n Untersuchungsergebnisse s i n d d i e Grundlage für die Entwicklung eigener künstlicher Tracheal-Konstruktionen. Als Werkstoff wird poröses HOPE gewählt, da s i c h HOPE i n anderen Bereichen a l s sog. B i o m a t e r i a l b e r e i t s bewährt. Das Molekular­gewicht wird vom H e r s t e l l e r mit etwa 1.000.000 angegeben. Es wurde e i n m i t t l e r e r Porendurchmesser von 100 μιη gemessen. Die Porosität s o l l d i e Verankerung körpereigenen Bindegewebes ge­währleisten (siehe B i l d 4 ) . Die e r s t e n Untersuchungen wurden mit dem i n B i l d 5 d a r g e s t e l l ­ten PE-Gerüst durchgeführt. D i e s e offene Konstruktion wurde -b e i s p i e l s w e i s e durch Vorimplantation mit eingesetztem S i l i k o n ­rohr a l s P l a t z h a l t e r , Auskleidungen mit Dura oder mit schlauch­förmiger Silikon-Innenfläche, Verstärkung durch Längsrippen -mehrfach m o d i f i z i e r t . Deutscher Verband für Materlaiprüfung e.V. 20Ί Die neueste Entwicklung i s t , daß das tragende PE-Gerüst eine aus einem Rohr g e f e r t i g t e s p i r a l f e d e r a r t i g e Form erhalten hat und mit e i n e r S i l i k o n s c h l a u c h f o l i e ausgekleidet i s t . Ar. den En­den des S i l i k o n s c h l a u c h e s s i n d zur Versteifung f l a c h e offene E d e l s t a h l r i n g e eingebettet ( s i e h e B i l d e r 6, 7 und 8 ) . Diese " S p i r a l - P r o t h e s e " genügt den Erfahrungen aus T i e r v e r s u ­chen und den Daten der mechanischen Eigenschaften von 24 unter­suchten menschlichen Luftröhren. Die Auswahl der Untersuchungen wurden auf möglichst einfach zu ermittelnde aber aussagefähige Eigenschaften beschränkt. Zu­nächst wurden d i e verschiedenen Abmessungen der menschlichen Luftröhre bestimmt, dazu gehören Länge, oberer und unterer Durchmesser, Wanddicken, Anzahl der Spangen. Ferner wurden Zugversuche an Luftröhrensegmenten und Prothesen durchgeführt. Auch Querbeanspruchungen wurden untersucht, auf d i e jedoch an d i e s e r S t e l l e n i c h t eingegangen werden soll» Beim Zugversuch erhält man Auskunft über kennzeichnende Eigen­schaften wie Widerstand gegenüber Zugverformungen, Kraftaufnahmevermögen, Dehnbarkeit. üie Zugprüfungen wurden mit ei n e r Universal-Zugprüfmaschine i n der Bundesanstalt für Materialprüfung (BAM) durchgeführt. Hier­zu mußten zunächst für d i e r u t s c h s i c h e r e Einspannung besondere Vorrichtungen gebaut werden ( s i e h e B i l d 9 ) , die zur Erreichung reproduzierbarer Meßergebnisse notwendig waren. Außerdem war bei den Zugversuchen eine Reihe von Versuchsparametern zu beachten wie ζ. B.: Prüfgeschwindigkeit, Prüfklima (Temperatur und Feuchte), Vorbehandlung der Probe, e v e n t u e l l e Benetzung der Probe, A l t e r des Spenders, Geschlecht und möglicherweise d i e Krankengeschichte. Im Diagramm 1 wird das Kraft-Verformungs-Verhalten der w e i b l i ­chen und männlichen Luftröhre bei Zugbeanspruchung d a r g e s t e l l t . Deutscher Verband für Materialprüfung e.V. 205 Zugkraft (F), Ν Ο 5 10 20 40 60 Dehnung (ε), % Diagramm 1: Kraft-Verformungaverhalten der menschlichen L u f t ­röhre bei Zugbeanspruchung (0 * w e i b l i c h , 9 = männlich, Δ * w e i b l i c h und männlich) Die Reißdehnung lag bei den Zugversuchen an den Luftröhrenab­sc h n i t t e n etwa zwischen 45 und 65 %. Der Einfluß des Geschlechts i s t n i c h t s i g n i f i k a n t . Auch wenn man d i e Zugkräfte j e w e i l s auf di e ( m i t t l e r e ) Querschnittfläche der Luftröhre bezieht, d. h. die Spannung in Ν/mm2 e r m i t t e l t , erhält man keinen wesentlichen unterschied zwischen weiblichen und männlichen Luftröhren. Man kann für die weiteren Vergleichsbetrachtungen von e i n h e i t l i c h e m Verhalten ausgehen. Die Zugversuche wurden zwar j e w e i l s b i s zum Reißen der Trachea durchgeführt, k l i n i s c h r e l e v a n t sind jedoch nur e i n i g e % Deh­nung und d i e dabei an den Anastomosen auftretenden Belastungen i n der postoperativen Phase. Aus dem Diagramm 2 kann man entnehmen, welchen Einfluß einwach­sendes körpereigenes Gewebe auf d i e mechanischen Eigenschaften der i n B i l d 5 d a r g e s t e l l t e n Prothese aus porösem HDPE genommen hat. Deutscher Verband für Materialprüfung e.V. 206 Diagramm 2; Kraft-Verformungsverhalten des T r a c h e a l - E r s a t z e s entsprechend B i l d 5 vor ( D ) und nach ( Θ ) Implan­t a t i o n im V e r g l e i c h zu dem der menschlichen Trachea ( Λ ) Die nach der Implantation untersuchte Prothese i s t bei klei n e n Verformungen etwas s t e i f e r a l s d i e menschliche Luftröhre, bei 10 % Dehnung stimmen d i e j e w e i l i g e n Werte für die Kräfte und Dehnung überein. Dieses Diagramm z e i g t d e u t l i c h d ie verstärken­de Wirkung e i n - und anwachsenden Gewebes nach der Implantation. Im Diagramm 3 wird das mechanische Verhalten von verschiedenen Prothesen d a r g e s t e l l t . Deutscher Verband für Materialprüfung e.V. 207 Zugkraft (F), Ν 8 - ι 0 2 5 10 Dehnung (ε), % Diagramm 3; Kraft-Verformungsverhalten von verschiedenen Luf tröhren-Prothesen: Ο * "Neville"-Prothese; T r a c h e a l - E r s a t z entsprechend B i l d 5, jedoch mit i n Längsrichtung verlaufenden verstärkenden S i l i k o n -S t r e i f e n : <>* vor Implantation, nach Implantation; zwei u n t e r s c h i e d l i c h e Groden der " S p i r a l " -Prothese ( s i e h e B i l d 6) j e w e i l s vor e i n e r Implantation; Λ= menschliche Trachea zum V e r g l e i c h Das Kraft-Dehnungsverhalten der "Neville"-Prothese weicht sehr s t a r k vom natürlichen Vorbild ab, s i e i s t zu s t e i f . Mit der "Spi r a l " - P r o t h e s e kommen wir nach unseren bisherigen Untersu­chungen zu den günstigsten Ergebnissen, n i c h t nur nach mecha­nischen, sondern auch nach k l i n i s c h e n Gesichtspunkten. Eine gute Funktionstüchtigkeit e i n e r Organ-Prothese i s t durch eine weitgehende I m i t a t i o n des natürlichen Vorbildes e r r e i c h ­bar, insbesondere dann, wenn auch d i e mechanischen Eigenschaf­ten - wie bei der Luftröhre - ausreichend q u a n t i f i z i e r b a r s i n d und auf d i e Prothese übertragen werden. Die Untersuchungen werden fortgeführt. Eine umfangreiche Veröf­fen t l i c h u n g , i n der auch über das Langze i t v e r h a l t e n zu b e r i c h ­ten s e i n wird» i s t i n Vorbereitung. Deutscher Verband für Materialprüfung e.V. 208 B i l d 1: " N e v i l l e , , - P r o t h e s e Deutscher Verband für Materialprüfung e.V. 209 Deutscher Verband lür Materialprüfung e.V. 210 L y m p h o i K H l t t l i i s x o H t u r i t i s Ι»»He» CNHIUITIHCIM Ttmicu üüvcutltitt T t l U i r U M l l l m t U C O M U C«laiul uliic tracheal*** Litf. utmlarc trachcalc B i l d 3: Wandbau der L u f t r o h r e (nach Lanz und Wachsmuth, 1955)* Deutscher Verband IUr Materlalprülung « V . 216 

Mechanische Eigenschaften der menschlichen Luftröhre im Vergleich mit Luftröhren-Prothesen aus Kunststoffen

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Mechanische Eigenschaften der menschlichen Luftröhre im Vergleich mit Luftröhren-Prothesen aus Kunststoffen

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