Bitte benutzen Sie diese Referenz, um auf diese Ressource zu verweisen: 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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