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doi:10.22028/D291-35061
Titel: | Biomechanik verschiedener Implantate für die aufklappende valgisierende Umstellungsosteotomie des Tibiakopfes |
VerfasserIn: | Dück, Klaus |
Sprache: | Deutsch |
Erscheinungsjahr: | 2021 |
Erscheinungsort: | Homburg/Saar |
DDC-Sachgruppe: | 610 Medizin, Gesundheit |
Dokumenttyp: | Dissertation |
Abstract: | ZUSAMMENFASSUNG:
ZIEL DER ARBEIT:
Quantifizierung der Primärstabilität der Knochen-Implantat-Konstrukte nach
medial aufklappender, aufsteigender biplanarer Osteotomie (HTO) unter
Verwendung verschiedener winkelstabiler Implantate durch zyklische- und
statische axiale Belastungen.
HYPOTHESE:
Der TomoFix Standard gilt seit vielen Jahren als Goldstandard der
Plattenfixation bei der HTO. Durch die hohe Primärstabilität kann ein
Korrekturverlust vermieden werden. Alternative Implantate (ContourLock Platte,
PEEKPower Platte, iBalance Implantat und TomoFix small stature Platte)
garantieren vergleichbare Primärstabilitäten.
EINLEITUNG:
Beim jungen körperlich aktiven Patienten stellt die medial aufklappende hohe
Umstellungsosteotomie des Tibiakopfes (HTO) eine weit verbreitete Methode
zur operativen Versorgung der Varusgonarthrose dar. Ziel dieser Osteotomie ist
die Verschiebung der axialen Belastungszone in Richtung des lateralen intakten
Kompartiments. Hierdurch entsteht bei Patienten mit hohen funktionellen
Ansprüchen häufig eine deutliche Beschwerdebesserung. Zahlreiche Faktoren
stehen mit schlechten klinischen Langzeitergebnissen in Verbindung. Dies
betrifft insbesondere den Verlust des postoperativen Korrekturwinkels.
Implantate welche eine unzureichende Primärstabilität gewährleisten können
daher einen frühen Korrekturverlust mit verursachen. Bisherige Studien haben
gezeigt, dass winkelstabile Implantate im Vergleich mit nicht winkelstabilen
Implantaten eine deutlich höhere Primärstabilität aufweisen und das Risiko
eines Korrekturverlustes verringern.
Ziel ist es eine Primärstabilität zu erreichen, welche der physiologischen
Krafteinwirkung bis zur Knochenheilung während der Rehabilitation standhält.
Dies entspricht bei einem 80 kg schweren Patienten ca. 2400 N. Zur
Abschätzung der Primärstabilität sind biomechanische Versuche unumgänglich.
Die TomoFix Standard Platte stellt derzeit den Goldstandard dar.
Vergleichende Daten bezüglich der Primärstabilität alternativer Implantate wie
die ContourLock Platte, PEEKPower Platte, dem iBalance System und dem
Tomofix small stature Platte im Vergleich zur TomoFix Standard sind bisher
nicht erhoben worden.
In dieser Studie sollten die Primärstabilitäten bis zum definiertem Versagen der
verschiedenen Knochen-Implantat-Konstrukte unter Verwendung von
Sawbones der 4. Generation in separaten axialen zyklischen Ermüdungs- und
statischen Druckversuchen mit einer Materiaprüfmaschine bestimmt und
verglichen werden.
MATERIAL UND METHODEN:
Es wurden künstliche Tibiae Sawbones der 4. Generation (Sawbones, Pacific
Research Laboratories, Inc., Vashon,, WA, USA) für die Versuche verwendet.
Diese sind dem menschlichen Knochen nachempfunden und weisen ähnliche
mechanische Eigenschaften auf. Aufgrund ihrer künstlichen Herstellung wird
der Einflussfaktor der interindividuellen Schwankungsbreite der Knochendichte
im Vergleich zu humanen Spenderpräparaten vermieden. Alle Proben wurden
einer medial aufklappenden biplanar aufsteigenden Osteotomie mit 8 mm
Keilbasishöhe unterzogen. Die Osteotomie erfolgte entsprechend der
Empfehlung der Gesellschaften (Knee Expert Group der AO). Die Osteotomie
erfolgte in den ersten 4 Gruppen identisch biplanar aufsteigend mit 8 mm
Keilbasishöhe. In der iBalance Gruppe erfolgte zusätzlich eine „Hinge Pin“
Bohrung zur Entlastung der Gegenkortikalis.
Alle Proben wurden von einem erfahrenen Chirurgen osteotomiert und die
Implantate nach Empfehlung der Hersteller verbaut. Neben der regulären
TomoFix Platte (TomoFix std.) wurde die TomoFix small stature plate (sm) (für
Patienten bis 65 kg zugelassen), die PEEKPower Platte, das iBalance-System
und die ContourLock Platte untersucht. Die Tibiae wurden standardisiert distal
gekürzt und in allen 3 Raumebenen standardisiert reproduzierbar zunächst
distal mit einer 2 Komponenten Polyurethanmischung in einen Metallzylinder
eingegossen. Nach Aushärten wurde der Tibiakopf ebenfalls in eine
zylindrische Gussform positioniert und eingegossen. Hierbei wurden 2
Metallbleche zum späteren Anlagern der Wegesensoren medial und lateral
positioniert mit eingegossen.
VERSAGENSKRITERIEN
Nr. Versagenskriterium
1 Sichtbares Nachgeben und Abkippen des Tibiakopfes von mehr als 2mm
(lateraler Sensor maßgebend)
2 Sichtbarer Kollaps der Spongiosa (Gegenkortikalis) / Rotation > 1,4°
3 Dehnung größer 0,5 mm innerhalb einer Hystereseschleife (zyklische
Testung)
4 Schraubenausriß größer 1 mmVERSUCHSAUFBAU UND VERSUCHSDURCHFÜHRUNG
Die Bestimmung der Primärstabilität der Knochen-Implatat-Konstrukte erfolgte
durch mechanische Testung mittels einer Materialprüfmaschine (Fa. Instron,
Darmstadt, Deutschland). Hierzu wurde der Tibiakopf vertikal belastet. Die
Krafteinwirkung der hydraulischen Presse erfolgte über das distale Ende der
Probe. Durch die insgesamt 6 Wegesensoren wurden die Verschiebungen
gemessen und über ein Labviewprogramm (Fa. International Instruments)
aufgezeichnet.
Nr. Versagenskriterium
1 Sichtbares Nachgeben und Abkippen des Tibiakopfes von mehr als 2mm
(lateraler Sensor maßgebend)
2 Sichtbarer Kollaps der Spongiosa (Gegenkortikalis) / Rotation > 1,4°
3 Dehnung größer 0,5 mm innerhalb einer Hystereseschleife (zyklische
Testung)
4 Schraubenausriß größer 1 mm
Zur Bestimmung der vertikalen Verschiebung zwischen Tibiakopf und
Tibiaschaft wurden Wegesensoren medial und lateral angebracht (MS und LS).
Zur Bestimmung der Horizontalverschiebung wurden drei Wegesensoren am
Tibiakopf in der Horizontalebene rechtwinklig zueinander angebracht (DX und
DY1). Zur Rotationsbestimmung wurde in der Y-Achse ein zweiter
Wegesensor entsprechend positioniert (DY2). Die X-Achse entspricht der
medial-lateral-verschiebung, die Y-Achse anterior-posterior Verschiebung. Die
vertikale Verschiebung (VS) wurde durch einen in die Materialprüfmaschine
integrierten Sensor gemessen.
Es wurden insgesamt 5 Untersuchungsgruppen mit jeweils 2 Untergruppen für
statische und zyklische Versuche gebildet. Je Gruppe wurde eines der
Implantate (TomoFix Std, TomoFix Ssp, ContourLock Platte, PEEKPower Platte
oder iBalance System) verwendet.
In der ersten Untergruppe wurden statische Druckversuche durchgeführt.
Hierzu wurden die Prüfkörper mit Hilfe der Materialprüfmaschine mit 0,1 mm/s.
axial bis zum Versagen belastet. Der Versuch wurde nach Eintreten der
definierten Versagenskriterien abgebrochen.
In der zweiten Untergruppe wurden zyklische Ermüdungsdruckversuche
durchgeführt. Die Prüfkörper wurden mit der Materialprüfmaschine zyklisch mit
einer Frequenz von 5 Hz bis zum Versagen belastet. Ein gesamter
Lastwechselzyklus bestand aus 15 Teilzyklen mit je 20.000 Lastwechseln. Die
eingeleitete axiale Kraft wurde nach jedem erfolgreich abgeschlossenen
Teilzyklus ohne Versagen um 160 N gesteigert (LS1 800N; LS2 960N; ...). In
den Entlastungsphasen wurde die Belastung auf 160N reduziert. Der Test
wurde nach Eintreten der definierten Versagenskriterien beendet.
ERGEBNISSE
In den statischen Belastungsversuchen zeigte sich in allen fünf Gruppen das
Versagen durch Bruch der Gegenkortikalis mit Kollaps des kortikalen Knochens
(Versagenskriterium 2). Bei der TomoFix Standard Platte 1 und der
PEEKPower 2 Platte traten vor dem Kollaps der Gegenkortikalis feine
Rissbildungen auf. Der mediale Sensor zeigte hierbei eine negative Auslenkung
während der laterale eine positive Auslenkung aufwies. Die Auslenkungen am
lateralen Sensor waren im Vergleich zum medialen Sensor deutlich größer.
Somit kam es in allen Fällen zu einer valgisierenden Fehlrotation unter
statischer Belastung des Tibiaplateaus. Die höchste Riss- und Bruchlast, sowie
medialen und medialen und lateralen Verschiebungen und höchste
valgisierende Fehlrotation wiesen die Proben der Gruppe 1 (TomoFix Std) auf.
Die iBalance-Gruppe zeigte die höchste laterale Steifigkeit. Alle Systeme mit
Ausnahme der iBalance Gruppe zeigten eine valgisierende Fehlrotation größer
der definierten 1,4 °. Die höchste Bruchlast zeigte das iBalance System mit 5,5
kN gefolgt von der TomoFix Standard Platte mit 5,3 kN bei Bruch der
Gegenkortikalis. Die niedrigste Stabilität wies die TomoFix Small mit 3,4 kN und
die ContourLock Platte mit 3,6 kN auf. Bei keinem System zeigten sich
signifikante Horizontalverschiebungen. Im Rahmen der zyklischen
Belastungsversuche kam es bei allen Proben zum Versagen durch Bruch der
Gegenkortikalis (Versagenskriterium 2). In der iBalance-Gruppe zeigte sich ein
Schraubenbruch. Die ContourLock Platte zeigte den besten
Ermüdungswiderstand mit 2,2 kN bei > 173 000 Zyklen gefolgt von dem
iBalance System bei 1,8 kN und >125 000 Zyklen. Die PEEKPower Platte wies
mit 1,4 kN und >73 000 Zyklen den niedrigsten Ermüdungswiderstand auf.
Gruppe 3 (iBalance) zeigte die höchste vertikale Steifigkeit (3375 N/mm). Die
Proben TomoFix sm (3 und 4) und ContourLock 5 zeigten die Versagensart 3
(Hysterese > 0,5 mm). In den Gruppen 3,4 und 5 zeigten sich nach dem
Kollaps bleibende Auslenkwinkel über 1,4° und somit Versagenskriterium 1.
DISKUSSION
Die Versuchsergebnisse dieser Studie quantifizieren die biomechanischen
Eigenschaften der getesteten Osteotomiesysteme unter statischen und
zyklischen Druckbelastungen. Es bestätigen sich die in der Praxis beobachteten
hohen Festigkeitswerte der verwendeten Implantate. Die Fraktur der
Gegenkortikalis trat als häufigster Versagensmodus in beiden Testgruppen auf.
Die axialen Belastungen führten zu einer Translation und Rotation zwischen
den Segmenten. Durch die lateral stärker ausgeprägte Translation kommt es zu
einer seitlichen Verschiebung und Valgusrotation, welche ab einer bleibenden
Rotation > 1,4° mit einem Versagen der Gegenkortikalis vergesellschaftet
waren.
Die Ergebnisse der statischen Belastungsversuche zeigten unter
Laborbedingungen bei allen getesteten Implantattypen eine ausreichend hohe
Stabilität in Bezug auf die zu erwartenden Belastungswerte eines
durchschnittlich schweren Patienten (80 Kg). Diese entspricht bei langsamen
gehen 2,4 kN. Die höchste Primärstabilität erreichte das iBalance System (5,5
kN) gefolgt von der TomoFix Standard Platte (5,3 kN). Obgleich die
Maximaldruckkräfte des iBalance Systems und dem TomoFix Std. vergleichbar
waren, zeigte sich bei der iBalance mit 0,9° eine deutlich geringere
Tibiaplateaurotation im Vergleich zum TomoFix Std (2,8°). Dieser Unterschied
ist auf die höhere Steifigkeit (3,1 kN/mm) zurückzuführen, da das Implantat im
Osteotomiespalt abstützend eingebracht wird. Unsere Hypothese wurde
insofern bestätigt dass neue winkelstabile Plattensysteme ausreichend hohe
Primärstabilitäten aufweisen.
Unter zyklischer Belastung zeigten sich bei allen Implantaten Maximalkräfte
zum Zeitpunkt des Versagens unterhalb des Grenzwertes aus der Literatur von
2,4 kN. Jedoch entsprechen die statischen Untersuchungen nicht der Belastung
während der Rehabilitation mit rezidivierenden Belastungen. Ziel der zyklischen
Versuche war es, die täglichen Belastungen zu simulieren. Obgleich die
gleichen Versagenskriterien auftraten, waren die Maximalbelastungen im
Vergleich zu den statischen Versuchen signifikant niedriger. Die ContourLock
Platte (2,2 kN) erzielte im Vergleich die höchste Maximalkraft bei Versagen,
gefolgt vom iBalance System (1,8 kN). Die PEEKPower Platte schnitt ab
schlechtesten ab (1,4 kN).
Die Ergebnisse zeigen, dass die alternativen Systeme durchaus gleichwertige
oder höhere Primärstabilitäten liefern. Es zeigte sich ebenfalls, dass Systeme
mit einem die mediale Kortikalis abstützenden Keilsystem (ContourLock und
iBalance) höhere Stabilitäten unter zyklischen Versuchsbedingungen
aufwiesen. Die ContourLock Platte zeigte die größte Widerstandskraft bis zum
Versagen (2,2 kN bei 173.000 Zyklen) gefolgt von dem iBalance System,
wohingegen die PEEKPower Platte mit 1,4 kN und 73.000 Zyklen am
schlechtesten abschnitt. Die guten Ergebnisse der ContourLock Platte können
auf den breiten proximalen Plattenanteil zurückgeführt werden, welcher mit
seinen Schrauben das Tibiaplateau großflächig fixiert, sowie der Keilabstützung
im Osteotomiespalt. Die guten Ergebnisse des iBalance Systems sind auf seine
Bauweise welche den Osteotomiespalt abstützt zu erklären.
Demnach kann es bei früher Vollbelastung eines über 80 Kg schweren
Patienten zum Korrekturverlust kommen. Jedoch Es ist jedoch anzumerken,
dass die TomoFix Small Platte lediglich für Patienten bis 65 Kg Körpergewicht
zugelassen ist. Zudem ist bei Übertragung der Ergebnisse auf die klinische
Anwendung Vorsicht geboten, da keine Weichteilstabilisierenden Kräfte von
Muskeln, Ligamenten oder dem Periost berücksichtigt wurden und höheren
Belastungen erst zu späteren Zeitpunkt stattfinden, wenn bereits die Heilung
des Knochens fortgeschritten ist.
SCHLUSSFOLGERUNG
Unter statischen Testbedingungen zeigten alle Osteotomiesysteme eine
Primärstabilität von über 2,4 kN. Dies entspricht der Belastung beim normalen
Gehen eines Normalgewichtigen (80Kg). Somit weisen alle getesteten
Implantate eine ausreichend hohe statische Stabilität bezogen auf das
hauptsächlich auftretende Versagen durch Bruch der Gegenkortikalis auf. Bei
allen getesteten Prüfkörpern trat infolge unphysiologisch hoher Belastungen
das Versagen durch Bruch der Gegenkortikalis ein. Der TomoFix Standard
zeigte höhere Stabilitätswerte als der TomoFix Small.
Die Ergebnisse der zyklischen Untersuchungen zeigen, dass die Stabilität
maßgeblich vom Implantat beeinflusst wird. Die ContourLock Platte mit der
proximal weiteren T-förmigen Konstruktion sowie einer den Osteotomiespalt
abstützenden Keil zeigte die höchsten maximalen Belastungswerte. Die
iBalance zeigt die höchsten Steifigkeitswerte. Es ist davon auszugehen, dass
diese durch das die mediale Kortikalis abstützende Keilsystem begünstigt wird,
welches eine schließende Osteotomie imitiert. Jedoch sind die TomoFix- und
die PEEK Power Plattensysteme im Vergleich weniger steif sodass sie in der
klinischen Anwendung durch ihre Elastizität die heilungsfördernde
Kallusmassage ermöglichen. ABSTRACT: The biomecanical characteristics of 5 tibial osteotomy plates (TomoFix standard, TomoFix small stature plates, ContourLock plate, PEEKPower plate and iBalance system) for the treatment of medial knee joint osteoarthritis were examined. Fourthgeneration tibial bone composites were used to perform a medial open-wedge high tbial osteotomy (HTO). Load controlled cyclic fatigue failure tests and static compression load failure tests were executet. In the static compression to failure tests all plates have shown sufficient stability up to 2,4 kN. In the iBalance group screw breakage were shown. The highest fatigue strength concerning maximal load and number of cycles performed prior to failure was observed for the ContourLock group. Second has been the iBalance group followed by the TomoFix standard and small stature plates. Although the PEEKPower plate had the lowest fatigue strength, all plates showed sufficient stability under static loading. During cyclic fatigue testing the ContourLock plate and iBalance system showed a higher mechanical strength compared to the TomoFix and PEEKPower plates. It is to be assumed that mechanical static and fatigue strength increase with a plate design which is proximal wider T-shaped and has diverging proximal screws. On the other hand mechanical strength decreases with a narrow T-Shaped proximal design and converging proximal screws (TomoFix, PEEKPower). However in contrary to our findings published results have indicatet good clinical results with the TomoFix plate. Perhaps a lesser mechanical strength allows a certain amount of interfragmentary motion which improves bone healing. |
Link zu diesem Datensatz: | urn:nbn:de:bsz:291--ds-350611 hdl:20.500.11880/33242 http://dx.doi.org/10.22028/D291-35061 |
Erstgutachter: | Pape, Dietrich |
Tag der mündlichen Prüfung: | 15-Nov-2021 |
Datum des Eintrags: | 29-Jun-2022 |
Fakultät: | M - Medizinische Fakultät |
Fachrichtung: | M - Orthopädie |
Professur: | M - Prof. Dr. Henning Madry |
Sammlung: | SciDok - Der Wissenschaftsserver der Universität des Saarlandes |
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