Einfluss von Hydroxylapatit im Knochenzement Polymethylmethacrylat auf die Knochenheilung von Yucatanschweinen

Abstract

Ziel der experimentellen Studie war es, den Knochenzement Polymethylmethacrylat (PMMA) durch Zugabe von Hydroxylapatit (HA) zu verbessern und auf Einwachsverhalten und Verträglichkeit beim Yukatanschwein zu testen. Zement A bestand aus PMMA mit ca. 20% HA. Zement B enthielt PMMA mit ca. 40 % HA. Zement C war Palacos®. Das Monomer für A und C bestand aus Methylmethacrylat, das für den Zement B enthielt dagegen n-Butylmethylacrylat. Die Verteilung der Zemente erfolgte so, dass alle sowohl in linke als auch in rechte Femura implantiert wurden. Es wurden jeweils 6 weibl. Tiere einer Gruppe an einem Tag operiert. Unter Anästhesie wurde das Kniegelenk von medial eröffnet, die Patella nach lateral luxiert. Mit Hilfe des Diamant Bone Cutting System der Firma Synthes wurde in der Fossa intercondylaris ein Defekt im Knorpel und subchondralen Knochen gesetzt, der unter Vakuum angemischtem Zement aufgefüllt wurde. Danach wurde die Patella reponiert und das Kniegelenk wieder chirurgisch verschlossen. Die Schweine wurden nach Implantation 5, 10, 20 und 52 Wochen beobachtet und dann euthanasiert. Das Femur wurden entnommen und die Knochenpräparate nach der von Donath (1997/98) entwickelten 'Trenn-Dünnschliff-Technik' histologisch aufgearbeitet, mit Toluidinblau-Färbung gefärbt, um eine Auswertung der zellulären Reaktion des Knochens auf das Implantat zu ermöglichen. Ferner konnten Knochen und Knorpelneubildung am Interface beurteilt werden. Der Zement A (PMMA plus 20% HA) hatte im Interface die besten Knochenkontakte. Das galt für alle Gruppen (5. - 52. Woche). Lediglich nach 5 und 10 Wochen war im Interface ein dicker Bindegewebssaum vorhanden. Nach 20. und 52. Woche war er in den meisten Bereichen nur noch sehr dünn und häufig unterbrochen. Zement C (Palacos® ) zeigte die zweitbesten Ergebnisse. Hier war der prozentuale Anteil des direkten Kontaktes zwischen Knochen und Zement deutlich geringer als bei Zement A. In allen C-Gruppen waren jedoch Präparate mit direktem Kontakt zu finden. Der Bindegewebssaum war fast immer wesentlich dicker und seltener unterbrochen als beim Zement A. Die schlechtesten Ergebnisse wies Zement B auf. So hatten Knochen und Zement nach 5 und 10 Wochen noch keinen Kontakt miteinander, nach 20 Wochen geringen. In der Jahresgruppe wiesen lediglich drei Tiere größere Kontaktzonen auf. Diese Kontaktstellen der B-Gruppe enthielten in einzelnen Bereichen sehr viel neugebildetes Knorpelgewebe. Auch Zemente A und C gab es vereinzelt Knorpelbildung am Interface, jedoch wesentlich weniger als bei Zement B. Knorpelbildung weist auf Mikrobewegungen zwischen dem Zement und dem umgebenden Gewebe hin. Bei Zement B wurde ein elastisches Matrixpolymer verwendet, das sich bei Belastung möglicherweise stärker verformt und so zu mechanischer Unruhe im Interface führt. Auch eine vermehrte Anreicherung von HA konnte die fehlende Stabilität im Interface nicht ausgleichen. 10 Wochen nach Implantation war bei allen drei Gruppen in den Spongiosabälkchen das meiste neugebildete Osteoid enthalten, so dass man davon ausgehen kann, dass in dieser Zeit die Umbauvorgänge bei allen Tieren am stärksten waren. Auch die Anzahl an Osteoblasten und Osteoklasten lässt darauf schließen, dass die meisten Umbauvorgänge bis zur 20. Woche abgeschlossen sind. Die Spongiosabälkchen zeigten ab dieser Woche nur noch in ihrem Randbereich Osteoideinlagerungen, während die Spongiosa nach einem Jahr kaum mehr neugebildetes Osteoid aufweist. Die Knorpelbildung dagegen scheint zu diesem Zeitpunkt erst anzufangen. Es ist auffällig, dass es bei Knochenzement B erst ab der 20.Woche vermehrt zur Knorpelbildung kommt und vorher ein dicker durchgehender Bindegewebssaum vorhanden war. Offensichtlich war es dem Knochen nicht möglich, um Implantat B ein festes knöchernes Interface aufzubauen. Der mit 20% HA angereicherte Zement A hatte in dieser Studie in Bezug auf Einwachsverhalten und reaktionsarme Lage im Knochenbett die besten Ergebnisse. Alle Zemente zeigten 10 Wochen bis zu 1 Jahr nach Implantation eine späte Entzündungsreaktion. Die Anzahl an Makrophagen und Fremdkörperriesenzellen war, im Vergleich zu der Gruppe nach 5 Wochen deutlich erhöht. Zement A (PMMA plus 20 % HA) veranlasste die wenigsten Entzündungsreaktionen. Die Gefahr der Prothesenlockerung durch Knochenresorbtion ist hier am geringsten. Effects of hydroxylapatite-enriched bonecement polymethyl methacrylate on bone healing in the Yucatan swine The objective of this experimental study was to test the integration behaviour and compatibility of improved bone cement on the Yucatan swine,Bone cement A consists of polymethyl methacrylate, methyl methacrylate, n-butyl methacrylate, benzoyl peroxide, dicyclohexyl phthalate and up to 20% hydroxylapatite. Bone cement B contains polyethyl methacrylate, benzoyl peroxide and up to approx. 40 % hydroxylapatite. Bone cement C consists of polymethyl methacrylate, methyl methacrylate, n-butyl methylacrylate, benzoyl peroxide and dicyclohexyl phthalate. The monomer for cements A and C consists of methyl methacrylate stabilized using hydroquinone and N, N-dimethyl-p-toluidine. On the other hand, the monomer for bone cement B contains n-butyl methylacrylate and N, N-dimethyl-p-toluidine.The bone cements were distributed by chance using a randomized scheme so that all the cements were implanted into the left and right femur.In each case, six female animals in one group were operated on the same date. The knee joint was opened medially under anaesthesia and the patella was luxated laterally, allowing access to the facies patellaris. A defect in the cartilage and the subchondral bone was cut in the fossa intercondylaris using the Diamond Bone Cutting System (Synthes) and filled using the cement, which was mixed under vacuum. Finally, the patella was reduced and the knee joint closed by surgery.The animals were divided into groups of six animals each and after implantation observed for 5, 10, 20 weeks and a year. Any signs of lameness during the observation period were documented. Depending on their group, the animals were euthanatized after 5, 10, 20 weeks or 1 year after surgery. They were first anaesthetized and blood replacement was effected with modified Karnovsky's fixative. Towards the end of this procedure, the pigs were euthanatized.Histological bone preparations were made by the separate thin section technique, developed by Donath (1997/98). They were then dyed using toluidine blue to allow analysis of the cellular reaction between bone and implant and bone and cartilage formation at the interface.As regards to the bone contact at the interface, the best results were obtained using bone cement A (polymethyl methacrylate plus 20% hydroxylapatite). This applied to all groups (5 to 52 weeks). A thick layer of connecting tissue was only apparent after 5 and 10 weeks. After 20 or 52 weeks, in most areas of this layer had already become very thin, with frequent interruptions. The next results were obtained with cement C (pure polymethyl methacrylate). The percentage share of direct contact between bone and cement was significantly lower than with cement A. Nevertheless, specimens with direct contact were found in all the groups. In almost all cases, the layer of connecting tissue was considerably thicker, with fewer interruptions than in the case of cement A. The poorest results were obtained with cement B. After 5 and 10 weeks no contact between bone and cement was observed. After 20 weeks, significant contact was only apparent in one case. Large areas of contact were found in three of the animals observed for one year.Cement A is recommended for clinical application, whereas cement C is unsuitable.