Mechanische Untersuchung der Festigkeitsänderung von Spongiosaproben des humanen Femurkopfes durch Zellbesiedelung

Abstract

Fragestellung Der Arbeit zu Grunde liegt der Gedanke, devitalisierten – und im heute gängigen Fall auch so transplantierten [1], [2] –, allogenen Spenderknochen mit empfängereigenen Stammzellen zu besiedeln. Hierdurch soll eine dem autologen Transplantat ähnlichere Situation geschaffen werden, um eine verbesserte und beschleunigte Osseointegration des Knochentransplantates zu erzielen. Durch die – zur Zellbesiedelung nötige – mehrtägige Lagerung in einem Zellkulturbad, kann es zu einer Veränderung der Festigkeit der Knochenstruktur kommen. Ziel der Studie soll sein, Festigkeitsänderungen statistisch signifikant zu erfassen und eine Abschätzung des Einflusses der Lagerung im Zellmedium auf die Belastbarkeit zu erreichen. Damit soll die Verwendbarkeit des behandelten Knochens aus rein mechanischer Sicht im operativen Vorgehen abgeschätzt werden.

Methodik An 39 symmetrischen – aus dem humanen Femurkopf – zugeschnittenen Probenpaaren erfolgte mittels Druckversuch an einer MTS Bionix-Prüfmaschine die Versuchsdurchführung. Hierfür wurden geeignete Probenhalterung sowie Sägevorrichtung konstruiert und gebaut. Die Datenerhebung zur statistischen Ermittlung der benötigten Stückzahl sowie der Festlegung auf eine der möglichen Belastungsmuster [3], [4] durch die Prüfmaschine wurde durch Vorversuche an 60 nicht zellbesiedelten Probenpaaren durchgeführt. Eine Prüfprozedur für die numerische Steuerung der Prüfmaschine wurde von den gewonnenen Daten abgeleitet und programmiert. Jeweils eine Probe aus jedem Probepaar wurde über zehn Tage zellbesiedelt und gegen die jeweils unbesiedelte – aus demselben Femurkopf – auf Druckfestigkeit sowie E-Modul gemessen. Zur Abschätzung des Einflusses der Besiedelungsdauer wurden exemplarisch weitere 13 Proben über einen Zeitraum von fünf Wochen besiedelt und anschließend getestet. Um eine Kontrolle über eventuelle strukturelle Inhomogenitäten wie Risse sowie zystoid oder sklerotisch veränderte Bereiche zu erhalten, wurde von den Proben vor der Prüfung ein hochauflösendes Mikro-Computertomogramm hergestellt.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen Durch die Vorversuchsreihe war bekannt, dass – durch die Anisotrope Spongiosa im Femurkopf – eine gewisse Streuung zu erwarten ist. Dennoch war bei der Mehrzahl der Proben nach der Zellbesiedelung eine Abnahme sowohl der Druckfestigkeit als auch des E-Moduls zu beobachten. Bei den langzeitbesiedelten Proben tritt das Ergebnis noch deutlicher in Erscheinung. Allerdings scheinen teilweise vorbestehende Störungen der Mikroarchitektur vorhanden gewesen zu sein. Dies lässt sich anhand der Mikro-CT-Bildgebung nachweisen, was als Erklärung für Ausreißer herangezogen werden kann. Grundsätzlich kann allerdings die Aussage getroffen werden, dass über die komplette Streubreite keine für die in vivo Anwendung kritische Festigkeitsveränderung auftrat. Zukünftigen in vivo Anwendungen, sollte gegebenenfalls eine Testung mittels CT-Bildgebung zum Ausschluss dieser festigkeitsmindernden Eigenschaften vorangestellt werden.

Literaturverzeichnis [1]. Gazdag A. R., Lane J. M., Glaser D., Forster R. A. Alternatives to Autogenous Bone Graft: Efficacy and Indications. American Academy of Orthopaedic Surgeons. 1995, Bd. 3, 1. [2]. Tomford, W. W. Bone Allografts: Past, Present and Future. Cell and Tissue Banking. 2000, Bd. 1, 2, S. 105-109. [3]. Birnbaum, K., et al. Material properties of trabecular bone structures. Surgical and Radiologic Anatomy. 2002, Bd. 23, 6. [4]. Morgan E. F., Keaveny T. M. Dependence of yield strain of human trabecular bone on anatomic site. Journal of Biomechanics. 2001, Bd. 34, 5, S. 569–577.