Zugl.: Berlin, Charité, University-Med., Diss., 2006.

Thesis (doctoral)--Universiẗat, Erlangen, Nürnberg, 2003.

Mannheim, Univ., Diss., 2002.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--München.

Avulsionsfrakturen des Kalkaneus sind seltene Verletzungen und machen mit 0,03 % bis 0,1 % einen sehr kleinen Anteil aller Frakturen aus. (13, 20-23, 25) Allerdings sind sie mit einer hohen Rate an Komplikationen verbunden. (27, 30, 73) Neben der prekären Weichteilsituation (17, 24, 30, 43, 44, 49) stellt vor allem eine ausreichende Stabilität der osteosynthetischen Versorgung eine Herausforderung dar. (30, 73) In dieser biomechanischen Studie wurden drei verschiedene kanülierte Schraubentypen, sowie zwei winkelstabile Plattenosteosynthesen zur Versorgung von Kalkaneusfrakturen bezüglich ihrer biomechanischen Stabilität in einer Materialprüfmaschine unter optischem Tracking mithilfe einer 3D-Kamera getestet und verglichen. Dazu wurden für jede der fünf Gruppen Avulsionsfrakturen vom Typ II nach Beavis an je zehn Kalkaneusmodellen aus Kunststoff erzeugt und diese anschließend unter Verwendung der jeweiligen Osteosynthese versorgt. Unter den drei Schraubentypen gab es zwei kanülierte Schrauben unterschiedlicher Größe mit Unterlegscheiben, die auch in der klinischen Praxis bereits Verwendung finden. Außerdem wurden versenkbare, kanülierte Doppelgewinde Schrauben verwendet, deren Einsatz bei dieser Verletzung nach unserem Wissen bisher nicht in der Literatur beschrieben ist. Das winkelstabile Plattensystem wurde bis jetzt nach eigener Literaturrecherche ebenfalls nicht in der hier angewandten Art und Weise zur Versorgung derartiger Frakturen verwendet. Alle Versuchsmodelle wurden, sofern es nicht während der Testung zum Versagen kam, auf drei verschiedenen Kraftniveaus (100 N, 200 N, 300 N) zyklisch und anschließend mit einer Maximalkrafttestung getestet. Dabei wurden das Peak to Peak Displacement bei 100 N, 200 N und 300 N, das maximale Displacement, die plastische Deformation bei 100 N, 200 N und 300 N, die Maximalkraft, die Steifigkeit bei 100 N, 200 N und 300 N und die Art des Fixationsversagens erfasst. Ziel der Studie war es, Unterschiede zwischen den Versorgungsformen aufzudecken. Die Ergebnisse zeigen, dass die winkelstabile Plattenosteosynthese Stabilitätsdefizite bei der Versorgung von „beak“ Frakturen aufweist. Außerdem konnte gezeigt werden, dass beim Vergleich der versenkbaren, kanülierten Doppelgewinde Schrauben mit 5,0 mm Durchmesser mit den kanülierten Schrauben mit 6,5 mm Durchmesser und Unterlegscheiben keine statistisch signifikanten Unterschiede bestehen, außer bezüglich der Steifigkeit bei 300 N. Somit ist eine vergleichbare biomechanische Stabilität wahrscheinlich. Die versenkbaren, kanülierten Doppelgewinde Schrauben besitzen eine hohe biomechanische Stabilität und bieten die Möglichkeit, den Schraubenkopf im Knochenniveau zu versenken, wodurch weniger Weichteilirritationen und Wundheilungsstörungen zu vermuten sind. Sie scheinen deshalb eine attraktive Alternative zu kanülierten Schrauben mit Unterlegscheiben zu sein. Ob versenkbare, kanülierte Doppelgewinde Schrauben z.B. auch im Kadaverversuch eine ausreichende biomechanische Stabilität zeigen, bleibt allerdings nachfolgenden biomechanischen Studien vorbehalten. Ebenso muss der mögliche postoperative Vorteil hinsichtlich der Schonung der Weichteile in klinischen Studien untersucht werden. / Avulsion fractures of the calcaneus are rare and represent only 0,03 % to 0,1 % of all fractures. (13, 20-23, 25) However complications often occur. (27, 30, 73) The precarious soft tissues (17, 24, 30, 43, 44, 49) as well as the sufficient stability of the osteosynthesis are challenging factors. (30,73) Three different types of partial threaded cannulated screws (a) 6.5-mm partial threaded cannulated screws, b) 4.0-mm partial threaded cannulated screws, c) 5.0-mm headless cannulated compression screws) and two different locking plates (d) 2.3-mm locking plate, e) 2.8-mm locking plate) were tested regarding their biomechanical stability using a material-testing machine and an optical tracking device. Ten beak fractures were simulated in synthetic bones and assigned to the five different groups of fixation. On all stabilized synthetic bones three different traction force levels were applied (100 N, 200 N, 300 N) as well as a load to failure testing. Outcome measures were peak-to-peak displacement, total displacement, plastic deformation, load to failure, stiffness and mode of implant failure. The aim of this study was to reveal differences among the osteosynthesis techniques. The use of locking plates showed a lack of stability. Fracture fixation using 6.5-mm partial threaded cannulated screws or 5.0-mm headless cannulated compression screws provided a comparable biomechanical stability. Moreover the possibility of countersinking the screw head in the bone is a plausible benefit of the use of headless cannulated compression screws in terms of soft tissue irritation. Therefore they seem to be an attractive alternative to partial threaded cannulated screws. This assumption in addition to the sufficiency of the biomechanical stability will have to be supported in future clinical and cadaveric studies.

Die Snake Plate ist ein im Composite Flow Moulding Verfahren (CFM) aus endlosen Kohlenstofffasern und PEEK (CF/P) hergestelltes neues Implantat für die Frakturbehandlung. Besondere Merkmale sind hohe Formbeständigkeit, konvergierende, winkelstabile Schrauben sowie eine völlige Strahlendurchlässigkeit. Integrierte Tantalfäden machen die Platte artefaktfrei radiologisch sichtbar. Ziel dieser in vivo Studie war ein Vergleich des Heilungsverlaufes zwischen der 7-Loch Snake Plate und der bereits klinische verwendeten 7-Loch LCP. Die Tiere wurden in 2 Gruppen (n=6) zufällig aufgeteilt. Eine 0,6mm breite Osteotomie der rechten Schafstibia wurde mit der Snake Plate bzw. der LCP und 6 winkelstabilen Schrauben versorgt. Zur postoperativen Fluoreszenzmarkierung des Kalzifizierungsprozesses erhielten die Tiere in der 5. Woche Xylenol Orange und in der 7. Woche Calcein Grün. Die Makrophagen/Histiozyten- Schichtdicke des Weichteilgewebes wurde computerunterstützt semiquantitativ vermessen. Eine qualitative Beurteilung der Gewebszonen und der Sentinel Lymphknoten folgte. Der Kalzifizierungsprozess in der Osteotomiezone wurde computerunterstützt quantitativ erfasst und qualitativ beurteilt. Die Osseointegration der Schrauben wurde quantifiziert, indem der prozentuale direkte Schrauben-Knochen-Kontakt computerunterstützt berechnet wurde. Die Knochenumbauvorgänge im Bereich des Schrauben-Knochen-Interfaces wurden erfasst, indem die Anzahl der Osteone gezählt und ihre Tiefe in den Bereich der Kortikalis errechnet wurde. Es ergaben sich zwischen den Gruppen hinsichtlich der semiquantitativen Ausmessung der Makrophagen-Histiozyten-Schichtdicke keine Unterschiede. Die zelluläre Zusammensetzung im plattennahen Weichteilgewebe zeigte keine Unterschiede. Abriebpartikel wurden in den Sentinel-Lymphknoten nicht gefunden. Zwischen den Gruppen zeigten sich keine Unterschiede im Ausmaß des kalzifizierten Kallusgewebes im Osteotomiespalt. Die knöcherne Überbrückung der Frakturzone war plattennah weiter fortgeschritten als plattenfern. Die qualitative Beurteilung war unauffällig und in beiden Gruppen ähnlich weit fortgeschritten. In der Beurteilung des Knochenumbauprozesses konnten zwischen den beiden Gruppen keine Unterschiede gefunden werden. Auch im zeitlichen Verlauf der Heilung zeigten sich in beiden Gruppen keine Unterschiede. Die Titan-Schrauben wiesen eine signifikant höhere direkte Knochen-Kontakt Zone auf als die PEEK-Schrauben. Im Allgemeinen zeigt sich das Gewebe sowohl im Kontakt mit den Kohlefaserimplantaten als auch mit den Titanimplantaten reizarm und ohne die bei Entzündungen üblichen zellulären Reaktionen. Die biologischen und mechanischen Bedingungen der beiden Plattenarten müssen offensichtlich ähnlich sein, da die Frakturheilung in beiden Gruppen gut fortgeschritten war. Der geringere direkte Knochenanteil der PEEK-Schraube ist wahrscheinlich materialbedingt. Es ist bekannt, dass Knochenzellen sich direkt auf Titanmaterialien ablagern können, wodurch das Einwachsverhalten in den Knochen begünstigt werden kann. Einen Einfluss der unterschiedlichen Biokompatibilitäten der Implantatmaterialien auf die Knochenumbauprozesse im Bereich des Schrauben-Knochen-Interfaces konnte nicht nachgewiesen werden. Die Verbesserung des Interface zwischen Knochen und Implantat ist immer noch ein ungelöstes Problem. Ziel ist es, eine geeignete Umgebung zu schaffen, durch die das natürliche Potential des Knochens zur Regeneration stimuliert und maximiert werden kann. In weiteren Studien sollte untersucht werden, ob die Biokompatibilität der neu entwickelten PEEK-Schraube durch unterschiedliche Oberflächen-behandlungen, beispielsweise mit Titan, erhöht werden kann und daraus eine bessere Osseointegration erzielt werden könnte. / The Snake Plate, produced out of carbon fibre and PEEK (CF/P) by using the composite flow moulding method (CFM),is a new implant for fracture treatment. The special features are resistance to deformation, converging locking screws and radiolucency. The Radiological visualization free of artefacts is made possible by integrated tantal threads. The goal of this “in vivo study” was to compare the process of recovery using the seven-hole Snake Plate to the actual in clinical use seven-hole LCP. The animals were randomly divided into two groups (n=6). A 0.6 mm wide osteotomy of the right tibia was stabilized with the snake plate for the one and LCPs for the other group. All were fixed with six locking screws. The animals received Xylenol orange in week five and Calcein green in week seven as fluorescent dye in order to mark the postsurgical calcification process. The thickness of the macrophage/histiocyte layer of the soft part tissue was measured in a computer-assisted and semi-quantitative way. It was followed by a qualitative assessment of the different layers of the tissue and of the sentinel lymphatic nodes. The process of calcification in the osteotomy area was also measured computer-assisted and was qualitative assessed. The osseointegration of the screws was quantified by a computer-assisted calculation of the percentage of direct contact between screws and bone. The osteogenetic processes in the interface between screws and bone were measured by counting the osteones and calculating their depth in the area of the corticalis. Neither the semi-quantitative measurements of the macrophage/histiocyte layers nor the cellular composition of the soft part tissues near the plate showed different results for the two groups. No particles of attrition were found in the sentinel lymphatic nodes. The two groups did not show any differences concerning the semi-quantitative measurements of the macrophage/histiocyte layers. There was also no difference regarding the amount of calcified callus in the gap of osteotomy. The osseous bridging of the fracture zone was further advanced near the plate. The qualitative assessment was not unusual and the progress was comparable in both groups. There were no differences between the two groups concerning assessment of the osteogenetic processes. The chronological process of the consolidation did not show any differences between the two groups either. The area of direct bone contact was significantly higher with the titanium screws than with the PEEK-screws. In general the tissue was hardly irritable in contact with the carbon fibre implants as well as with the titanium implants. Neither were there any cellular reactions typical for inflammations. The biological and mechanical conditions of the two types of plates are apparently similar, as the healing of the fracture was advanced in both groups. The low direct bone contact of the PEEK-screws is probably associated with the material. It is well-known that osteocytes can accumulate on titanium, a fact which may favour the growing-in of the material into the bone. An influence of the different biological compatibilities of the materials of the implantations on the osteogenetic processes in the interface between screws and bone could not be proven. The improvement of the interface between bone and implant is still an unsolved problem. The aim is to create a suitable environment for stimulating and maximizing the natural regenerative potential of the bone. Further studies should be carried out in order to find out whether the biological compatibility of the new PEEK-screw can be improved by treating its surface with titanium for example. This might lead to an improvement in osseointegration.

Resorbierbare Osteosynthesematerialien machen einen Zweiteingriff zur Metallentfernung überflüssig. Anfängliche Probleme in den 1980er Jahren ließen aber Zweifel an der mechanischen Belastbarkeit und tatsächlichen Resorbierbarkeit aufkommen. Auf der Basis materialwissenschaftlicher Grundlagenuntersuchungen wurde eine prospektive, randomisierte, bizentrische, zweiarmige, primär kontrollierte, klinische Prüfung einer resorbierbaren Positionsschraube (Isosorb™-Mandibularschraube) zur Osteosynthese nach bisagittaler Unterkieferspaltung im Vergleich mit Titanschrauben durchgeführt. 66 Patienten mit isolierter mandibulärer Dysgnathie wurden in die Studie aufgenommen und 1:1 randomisiert. Klinische Nachuntersuchungen erfolgten nach einem standardisierten Studienprotokoll im 1., 2. und 6. Monat, sowie im 1. und 2. Jahr nach der Operation. Für die vorliegende Arbeit wurden die Protokolle der klinischen Prüfung retrospektiv analysiert und das Patientenkollektiv wurde abschließend nach einem standardisierten Untersuchungsprotokoll nachuntersucht, um die Langzeitergebnisse der Behandlung in den Untersuchungsgruppen zu erfassen. Der funktionelle Zustand des stomatognathen Systems wurde über den Helkimo-Index bestimmt und die Behandlungsstabilität über klinische Okklusions- und kephalometrische FRS-Analysen objektiviert. Der Reossifizierungsgrad der Bohrlochartefakte wurde in beiden Gruppen radiologisch beurteilt, wodurch in der Gruppe der Polylactidschraube auf dessen Resorptionsverhalten geschlossen wurde. Abschließend wurden die Patienten anhand eines Fragebogens zur subjektiven Beurteilung der Behandlung befragt. 54% (34/66) des Patientenkollektivs konnten über einen Zeitraum von 8 Jahren nachverfolgt werden. Hinsichtlich des verwendeten Osteosynthesematerials ließen sich statistisch keine Unterschiede im Operationsergebnis und in der postoperativen Behandlungsstabilität zeigen. Im Verlauf der Studie wurden keine Komplikationen aufgefunden, die im Zusammenhang mit dem verwendeten Osteosynthesematerial standen. In der Prüfgruppe verlängerte sich die Operationszeit signifikant um 36 min gegenüber der Kontrollgruppe. Im postoperativen Verlauf der Studie traten keine Komplikationen auf, die im Zusammenhang mit dem verwendeten Osteosynthesematerial standen. Fremdkörperreaktionen wurden in keinem Fall beobachtet. Die häufigste unerwünschte Folgeerscheinung war bei 8 Patienten in der Prüf- und 6 Patienten in der Kontrollgruppe eine objektivierbare Hypästhesie des N. alveolaris inferior. In der Prüfgruppe kam es als Zeichen der Resorption zu einem signifikanten Anstieg des Reossifizierungsgrades der implantattragenden Bohrlochdefekte nach dem zweiten postoperativen Jahr. Jedoch waren auch 8 Jahre postoperativ 47% (53/112) der Bohrlochartefakte noch nachweisbar. In der Gruppe der Titanschrauben waren von insgesamt 102 Bohrlochdefekten bis zum Abschluss der Studie ebenfalls noch 41% der ehemaligen Schraubenpositionen zu identifizieren, obwohl die Schrauben bei allen Patienten nach 6 Monaten entfernt worden waren. 79% der Patienten beurteilten die Behandlung als positiv, wobei die Zufriedenheit der Patienten nicht vom verwendeten Osteosynthesematerial abhing, sondern vielmehr vom Langzeitergebnis und dem etwaigen Beschwerdebild. Im Rahmen der Studie erwies sich die resorbierbare Positionsschraube bei der sagittalen Spaltung des Unterkiefers im Vergleich zur konventionellen Titan-osteosynthese als gleichwertig hinsichtlich der Langzeitstabilität des Operationsergebnisses und der Akzeptanz der Patienten. Damit stellt das verwendete biodegradierbare Osteosynthesematerial eine sinnvolle Alternative zur konventionellen Titanosteosynthese dar. Aus den radiologischen Befunden läßt sich die Resorption der Polylactidschraube und die knöcherne Ausheilung als sehr wahrscheinlich annehmen, jedoch in Ermangelung einer Histologie nicht beweisen.

Tibiakopfimpressionsfrakturen (AO 41-B2.2 – Schatzker III), welche aufgrund der demographischen Entwicklung in ihrer klinischen Relevanz zunehmen, erfordern zur bestmöglichen Frakturstabilisierung eine Schraubenosteosynthese sowie eine stabile metaphysäre Defektauffüllung mittels Knochenersatzmaterial, da anderenfalls ein sekundärer Repositionsverlust mit konsekutiver Gonarthrose droht. Die hierbei eingesetzten Kalziumphosphatzemente bringen klinische Probleme wie geringe mechanische Stabilität, fehlende Bohrbarkeit, welche eine unvollständige Defektauffüllung bedingt, ungewisse Resorption und unüberprüfte Herstellerangaben mit sich. Diese Studie hatte daher zum Ziel, einen bohrbaren Kalziumphosphatzement und einen Magnesiumphosphatzement, welche als vielversprechende Alternativen aufgrund der klinischen Schwierigkeiten erscheinen, gegen Graftys® Quickset und ChronOS™ Inject biomechanisch einzuordnen und somit langfristig zu einer verbesserten Frakturversorgung beizutragen. Der erste Teil der Studie bestand aus einer reinen Materialprüfung, in der mittels Zementquader Druckversuche und mittels Ausrisskörper Zugversuche durchgeführt wurden. Im zweiten Teil wurde ein Frakturmodell für Impressionsfrakturen an Kunstknochen benutzt, um die Zemente hierbei zur Defektauffüllung zu verwenden und alleine sowie in Kombination mit einer Osteosynthese in der Jail-Technik zu testen. Es erfolgte eine zyklische Belastung mit 3000 Zyklen zu je 250 N sowie anschließend eine Maximalkrafttestung (Load-To-Failure) mit Hilfe einer Materialprüfmaschine. Der Magnesiumphosphatzement zeigte die signifikant höchste Kompressionsfestigkeit von 100,50 MPa ± 15,97 MPa und Ausrisskraft sowie im Verbund mit Knochen das geringste Displacement, höchste Maximalkraft und Steifigkeit. Kalziumphosphat bohrbar wies aufgrund seines pseudoplastischen Verhaltens eine geringe biomechanische Stabilität und ein hohes Displacement auf, konnte aber durch seine Bohrbarkeit gegenüber Graftys® Quickset bei Einsatz mit Schrauben einen Vorteil im Displacement erreichen und somit die Vorzüge eines bohrbaren Knochenzements aufzeigen. ChronOS™ zeigte nach Aushärtung im Wasserbad mit einer Kompressionsfestigkeit von 0,58 MPa ± 0,14 MPa eine niedrige biomechanische Stabilität und wurde daher nicht weiter untersucht. Da die Viskosität eines Zements neben anderen Faktoren für die Interdigitation mit den Spongiosahohlräumen im Knochen verantwortlich ist, lässt sich, sofern diese angemessen ist, Rückschlüsse von der Materialprüfung auf das Verhalten im Knochen ziehen. Magnesiumphosphatzemente erscheinen aufgrund ihrer hohen biomechanischen Stabilität und vermutlich guten Resorptionsrate als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Kalziumphosphatzementen und bedürfen daher einer weiteren Überprüfung im Tierversuch. / Bone substitutes are commonly used for filling up bone defects like in tibial head fractures. Different types of commercial bone substitutes are available, but comparable biomechanical studies especially analysing the substitute-bone interaction are missing. Thus, this study investigated the basic biomechanical characteristics of different bone substitutes, the bonesubstitute interface and the combination of substitute and screw osteosynthesis in a biomechanical fracture model for tibial head fractures (Schatzker III fractures). An in-house developed drillable apatite cement with HEMA-Hydrogel and an in-house developed magnesium phosphate cement were compared with two commercial cements, one brushite and one apatite cement, namely ChronOS™ Inject and Graftys® Quickset. In axial compression tests, the compressive strength and in screw pull-out tests, the pull-out strength were determined. In a tibial head fracture model, the bone substitutes were applied for filling up the bone defect, alone and in combination with a screw osteosynthesis. Displacement of the fracture fragment, maximum load and stiffness were calculated in cyclic and maximal axial loading tests. All tests were performed in the material testing machine Zwick Roell® Z020. The drillable apatite cement exhibited lower compressive strength (6.8±1.4 MPa) and screw pullout force (129±38 N) compared to its counterpart Graftys® (19.0±2.5 MPa, 295±39 N), but showed comparable displacement (~2 mm) and maximum load (3.5-3.8 kN) in the fracture model combined with the Jail-Technique. This may be due to the fact that the drillable cement allowed for drilling after replenishment and thus precise dispersion of the cement paste. The magnesium phosphate cement revealed a significant higher compressive strength (100.5±16.0 MPa), screw pull-out strength (1.7±0.2 kN) and a significant lower displacement (~1.5 mm) compared to the other bone substitutes. Probably due to its high intrinsic strength combined with a low viscosity to fill the complete defect. For the combination with screws, all bone substitutes revealed higher maximum loads and stiffness values. In conclusion, magnesium phosphate cement provided a high biomechanical stability in the pure material testing series and also in the substitute-bone interaction tests. Due to a low viscosity, the cement revealed a high integration in the spongiosa and a complete filling up of the bone defect around the placed screws. Moreover, a drillable bone substitute is favourable as the dispersion of the cement paste is not hindered by formerly placed screws. For tibial head fractures, only the combination of bone substitute and screw osteosynthesis provides under lower and maximal loading conditions an adequate stability.

Zugl.: Saarbrücken, Univ., Diss., 2009

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--München.