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Titelaufnahme

Titel
Implant augmentation in osteoporotic fracture management and the effect on the overlying joint cartilage / by Dr. med. univ. Michael Götzen
Weitere Titel
Implantat Augmentation in gelenknahen osteoporotischen Frakturen und dessen Einfluss auf den hyalinen Gelenkknorpel
VerfasserGötzen, Michael
Begutachter / BegutachterinnenBlauth, Michael ; Krappinger, Dietmar ; Zeiter, Stefan
Betreuer / BetreuerinnenSchmölz, Werner
ErschienenInnsbruck, August 2016
Umfang89 Blätter : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftMedical University of Innsbruck, Dissertation, 2016
Datum der AbgabeAugust 2016
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Implantat Augmentation / Osteoporotische Fraktur / Osteoporose / PMMA / Polymethylmetacrylat / Arthrose / Gelenkknorpel / Hyaliner Knorpel / Subchondrale Platte
Schlagwörter (GND)Implantat / Osteoporose / Gelenkknorpel / Hyaliner Knorpel
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-23287 Persistent Identifier (URN)
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Implant augmentation in osteoporotic fracture management and the effect on the overlying joint cartilage [46.95 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

HintergrundImplantat Augmentation mit Polymethylmethacrylat ist eine Technik, die verwendet wird, um den Schraubenhalt in der osteoporotischen Frakturversorgung zu verbessern. Besonders bei osteoporotischen Patienten, ist es essentiell eine primäre stabile Osteosynthese zu erreichen um die frühe funktionelle Mobilisation zu ermöglichen. Der biomechanische Vorteil von Implantat Augmentation wurde in mehreren in vitro Tests am Kadaverknochen nachgewiesen. Erste klinische Anwendungen am osteoporotischen Patienten zeigen vielversprechende Ergebnisse. Im Falle von gelenksnahen Brüchen besteht jedoch die Gefahr der PMMA Penetration in den subchondralen Knochen und den darüber liegenden Knorpel ohne zu wissen, welchen Effekt dies für die Homöostase des Gelenkknorpels hat. Das Ziel dieser Studie war es, die Wirkungen von PMMA Implantat Augmentation auf den angrenzenden Gelenkknorpel zu untersuchen und Empfehlungen in Bezug auf die sichere Anwendung von subchondraler Implantat Augmentation zu geben. Es wurde angenommen, dass in Abhängigkeit von der Entfernung zum Knorpel und dem Volumen des verwendeten PMMAs eine mögliche Knorpelschädigung auftritt. Materialen und MethodenIn einem Großtierexperiment an schweizer Alpenschafen wurde die Wirkung von subchondral injiziert PMMA auf den darüber liegenden Gelenkknorpel getestet. Ex vivo wurde am Schafkadaver eine minimal-invasive Technik entwickelt, um Knochenzement möglichst präzise subchondral zu injizieren. Vier Zementdepots mit unterschiedlichen Volumina (2 x 0,5 ml, 2 x 2 ml) wurden in verschiedenen Entfernungen zum Knorpel (2 x 5 mm, 2 x 10 mm) in das rechte distale Femur und die proximale Tibia injiziert. Das Zeitintervall bis zur Euthanasie war 2-Monate, definiert als Serie eins (N = 4 Schafe) und 4-Monate, definiert als Serie zwei (n = 6 Schafe). Die kontralateralen Kniegelenke des gleichen Tieres dienten als Kontrollgruppe. Die Auswertung des Gelenkknorpels und der subchondralen Platte wurde mittels folgender Analysen durchgeführt:1. Histologische Schnitte wurden mit einem modifizierten Arthrose-Score in Anlehnung an Mankin et al. klassifiziert. Die Histologie wurde auch verwendet, um die Dicke der subchondralen Platte zu messen und den Abstand zwischen Zement und Knorpel zu bestimmen.2. Hochauflösende periphere quantitative Computertomographie (HR-pQCT)wurde verwendet, um die subchondrale Knochenmorphologie zu bewerten, wie das auftreten von Mikrofrakturen, mit Hilfe von hochauflösenden dreidimensionalen (3D) Rekonstruktion und zur Lokalisation und Quantifizierung des PMMAs in Bezug zum Gelenkknorpel.3. Biochemische Messungen des Proteoglycan-Gehalts im Gelenkknorpel über dem PMMA Depot.ErgebnisseDer durchschnittliche Arthrose-Score betrug 0,93 (SD 0,38) in der PMMA-Gruppe im Vergleich zu 0,67 (SD 0,29) in der Kontrollgruppe nach 2-Monaten. Nach 4-Monate betrug der durchschnittliche Score 1,29 (SD 0,29) in der PMMA-Gruppe und 1,04 (SD 0,26) in der Kontrollgruppe. Das Scoring der PMMA-Gruppe zeigte keine signifikanten Unterschiede im Vergleich mit der unbehandelten Kontrollgruppe nach 2- und 4-Monaten (p = 0,23 und 0,76). Es fand sich keine Korrelation des Zement Abstands zum Knorpel mit dem histologische Arthrose Score nach 2-Monaten (Spearman Korrelation = 0,41, p = 0,12) und 4-Monaten (Spearman-Korrelation = 0,14, P = 0,56). Die Korrelation des Zement Volumens und des Arthrose Scores nach 2-Monate betrug 0,42 (P = 0,13) und 0,14 (P = 0,56) nach 4-Monate. Die histologische Messungen der subchondralen Plattendicke zeigte eine nicht signifikante Verdickung der subchondralen Platte nach 2- und 4-Monaten (P = 0,57 und 0,53). HR-pQCT Auswertung zeigte keine Mikrofrakturen des subchondralen Knochens. Biochemische Auswertung des Glycosaminoglycan-Gehalts des Knorpels über dem PMMA Depot zeigte keine signifikante Reduktion im Vergleich zur Kontrollgruppe (P = 0,24).SchlussfolgerungenDiese Studie ermöglicht größere Nebenwirkungen von subchondral injiziert PMMA auf den subchondralen Knochen und den darüber liegenden hyalinen Gelenkknorpel auszuschließen. Die getesteten Mengen an PMMA (0,5 ml und 2 ml) haben keinen negativen Einfluss auf den Gelenkknorpel und subchondralen Knochen. Kein Sicherheitsabstand zum Knorpel für subchondral injizierten PMMA muss nach diesem Tiermodell eingehalten werden. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass subchondrale Implantat Augmentation mit PMMA ein sicheres Verfahren für die gelenknahe osteoporotische Frakturversorgung ist.

Zusammenfassung (Englisch)

BackgroundImplant augmentation is a technique that is used to strengthen the purchase of implants in osteoporotic bone. Particularly in osteoporotic patients, providing optimal fracture treatment can allow earlier load-bearing and functional recovery, potentially reducing morbidity and even mortality. A clear biomechanical benefit of augmentation has been demonstrated in several ex vivo studies in synthetic and cadaver bones. Initial clinical applications in osteoporotic patients have also yielded promising results. However, when cement is placed around an implant close to a joint, there is a chance that it may damage subchondral bone or penetrate into, an important region for nutrition and remodelling of the overlying cartilage. However, in contrast to other biological effects, the effect of cement augmentation on the overlying articular cartilage has not been studied extensively and is still poorly understood. The aim of this study was to investigate the effects of bone cement in the subchondral region on adjacent articular hyaline cartilage, in order to allow recommendations to be made regarding the safe application of subchondral augmentation techniques. It was hypothesized that, depending on the distance to the joint line and the volume of the cement, subchondral augmentation may lead to cartilage deterioration.Materials and methodsA large animal model was chosen to test the effect of subchondrally injected PMMA on the above lying joint cartilage. In cadaver trials, a minimally invasive surgical technique for injecting bone cement subchondrally was established before two series of experiments were started in vivo using an ovine model. Four cement depots with different volumes (2 x 0.5 mL, 2 x 2 mL) were injected subchondrally in different distances to the cartilage (2 x 5 mm, 2 x 10 mm) into the right distal femur and proximal tibia. The time periods till euthanasia were 2-months, defined as series one (n=4 sheep) and 4-months, defined as series two (n=6 sheep). The contralateral stifle joint of the same animal served as control group.Evaluation of the PMMA injection in the vicinity of the articular cartilage was performed by the following analysis:1. A modified histological osteoarthritis score related to Mankin1 was chosen to measure cartilage and subchondral bone changes on histological sections microscopically. Histology was also used to measure the subchondral plate thickness and to determine the distance between cement and cartilage.2. High-resolution peripheral quantitative computed tomography (HR-pQCT) was used to evaluate subchondral bone morphology changes, such as microfractures by means of high-resolution three dimensional (3D) reconstruction and to locate and quantify the volume of the subchondrally injected bone.3. Biochemical measurements of the proteoglycan content in the regions of interest per chondrocyte were used to examine early cartilage degeneration.ResultsThe mean histological osteoarthritis score was 0.93 (SD 0.38) in the treatment group compared to 0.67 (SD 0.29) in the control group after 2-months. After 4-months the mean histological score was 1.29 (SD 0.29) in the treatment group and 1.04 (SD 0.26) in the control group. Scoring showed no significant differences in comparison with the untreated control sites after 2 -and 4-months (P = 0.23 and 0.76, respectively). No correlation of the cement distance to cartilage and the histological osteoarthritis score after 2-months (spearman correlation = 0.41, P = 0.12) and 4-months (spearman correlation = 0.14, P = 0.56) was observed. The correlation of cement volume and the Mankin score after 2-months was 0.42 (P = 0.13) and 0.14 (P = 0.56) after 4-months. Histological measurements of the subchondral plate thickness showed a not significant thickening of the subchondral plate after 2 and 4-months (P= 0.57 and 0.53). HR-pQCT evaluation did not identify microfractures of the trabecular bone. Biochemical evaluation of the glycosaminoglycan content of the cartilage above the cement cloud did not show any significant reduction in comparison with the control group (P = 0.24).ConclusionsThis study allows to rule out major side effects of subchondrally injected PMMA on the subchondral bone and the above lying cartilage. The tested volumes of PMMA (0.5 mL and 2 mL) have no negative impact on the joint cartilage and subchondral bone. No safety distance to the cartilage for subchondrally injected PMMA needs to be secured according this animal model. According to these results subchondral implant augmentation with PMMA can be seen as a safe and effective method for osteoporotic fracture fixation.

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