Testung der Primärstabilität unzementierter und PMMA-augmentierter Pedikelschrauben in einem In-vitro-Modell mit osteoporotischen Knochen

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URI: http://hdl.handle.net/10900/83773
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:21-dspace-837735
http://dx.doi.org/10.15496/publikation-25163
Dokumentart: Dissertation
Date: 2018-08-14
Language: German
Faculty: 4 Medizinische Fakultät
Department: Medizin
Advisor: Wülker, Nikolaus( Prof. Dr.)
Day of Oral Examination: 2018-03-08
DDC Classifikation: 610 - Medicine and health
620 - Engineering and allied operations
Keywords: Osteoporose , Wirbelsäule , Knochenschraube , Polymethylmethacrylate , Knochenzement , Instrumentation , Fixateur interne
Other Keywords: Auszugsfestigkeit
Auszugsversuch
axiale Auszugskraft
Bandscheibe
Bandscheibenvorfall
Biomechanik
BMD
dorsale Instrumentierung
Durchmesser Pedikelschraube
DXA
Eindrehmoment
Einschraubtechnik
fenestrierte Pedikelschraube
Fixateur externe
Fixateur interne
Fraktur
hochviskos
Implantation
Implantatlager
Instrumentation
Knochenmineraldichte
Knochenqualität
Knochenstruktur
Knochensubstanz
Knochenzement
Kyphoplastie
Leckagerate
Materialprüfmaschine
Osteoporose
Osteosynthese
Pedikel
Pedikelbruch
Pedikelschraube
PMMA-Knochenzement
Plattenosteosynthese
Schraubenausriss
Schraubenlänge
Schraubenlager
Schraubenwerkstoff
solide Pedikelschraube
transpedikulär Verankerungsfestigkeit
Versagensmuster
Vertebroplastie
Versteifungstechnik
winkelinstabil
Wirbel
winkelstabil
Wirbelanatomie
Wirbelsäule
Wirbelsäulenerkrankungen
Zementaugmentation
Zementierweise
Zementkörper
Zementleckage
Zementmenge
Zementverteilung
pull out
test
axial extraction
force
intervertebral
disc spinal
disc herniation
biomechanics
BMD
dorsal
instrumentation
diameter of pedicle screw
DXA
screw-in torque
screw-in technique
fenestrated pedicle screw
external fixator
internal fixator
fracture
highly viscous implantation
implant
bed
instrumentation
bone mineral density
bone quality
bone structure
bone substance
bone cement
kyphoplasty
leakage rate
material testing machine
osteoporosis
osteosynthesis
pedicle
pedicle fracture
pedicle screw
PMMA
bone cement plate
osteosynthesis screw
pull-out screw
length screw
bed screw
material solid pedicle
transpedicular anchoring
strength type of failure
vertebroplasty stiffening technology
unstable angle
stable angle
vertebra
anatomy of vertebra
vertebral column
diseases of the vertebral column
cement augmentation
method of cementation
strength
cement body
pull out
cement leakage
cement volume
cement distribution
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Inhaltszusammenfassung:

Testung der Primärstabilität unzementierter und PMMA-augmentierter Pedikelschrauben in einem In-vitro-Modell mit osteoporotischen Knochen Die Osteoporose, eine Erkrankung, die vorwiegend den älteren Menschen betrifft. Die durch die Verminderung der Knochenmasse in der Wirbelsäule entstehenden Erkrankungen verursachen hohe Kosten. Eine Form des operativen Vorgehens besteht in der dorsalen Instrumentierung der Wirbelsäule mit den unterschiedlichsten Systemausführungen, die alle mit Pedikelschrauben in den Pedikeln der Wirbel befestigt werden und zur besseren Verankerung z. B. mit PMMA zementiert werden können. Zwei verschiedene Zementiertechniken werden bei soliden und fenestrierten Pedikelschrauben angewendet. In dieser randomisierten In-vitro-Studie wurden die Wirbel von 5 humanen Wirbelsäulenpräparaten auf drei Studiengruppen verteilt. In den beiden Pedikeln eines Wirbels wurden zementierte und unzementierte solide Pedikelschrauben, zementierte fenestrierte und unzementierte solide Pedikelschrauben sowie zementierte solide und zementierte fenestrierte Pedikelschrauben einander gegenübergestellt. Die Durchmesser der Pedikelschrauben betrugen 6mm, mit Ausnahme von 6 Pedikelschrauben mit 7mm Durchmesser. Die Schraubenlängen betrugen 45±5mm. Verwendet wurde hochviskoser PMMA-Zement in den Zementmengen von 1ml und 3ml. Zur Bestimmung der Verankerungsfestigkeit von den unzementierten und zementierten Pedikelschrauben in den humanen Wirbelkörpern wurden die axialen Auszugskräfte der Pedikelschrauben mit Hilfe einer Materialprüfmaschine MTS 858 Mini Bionix bestimmt. Die Knochendichte der Wirbel wurde mit dem DXA-Verfahren ermittelt. Zusätzlich wurden die Eindrehmomente gemessen. Die statistischen Tests wurden mit dem Statistikpro- gramm SPSS 22 durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die Mittelwerte der maximalen Auszugskräfte der zementierten soliden und fenestrierten Pedikelschrauben, unabhängig von der verwendeten Zementmenge, signifikant größer als die entsprechenden Mittelwerte der maximalen Auszugskräfte der unzementierten Pedikelschrauben waren. Die Gleichwertigkeit der Verankerungsfestigkeit der zementierten soliden und zementierten fenestrierten Pedikelschrauben, unabhängig von der verwendeten Zementmenge, konnte belegt werden. Die mittleren maximalen Auszugskräfte der mit 3ml zementierten Schrauben lagen signifikant höher als die mittleren maximalen Auszugskräfte der mit 1ml zementierten Schrauben. Auszugsfestigkeit und Eindrehmoment der Pedikelschrauben hingen von der Knochenmineraldichte ab. Zwischen Auszugskräften und Eindrehmomenten wurde eine positive Korrelation festgestellt. Die Versagensarten ließen sich in Pedikelbrüche und Schraubenausrisse unterteilen. Der Anteil der Pedikelbrüche an den Versagensarten stieg mit der Erhöhung der Zementmenge an. Unterhalb eines BMD von 0,8g/cm2 überwogen die Pedikelbrüche, oberhalb davon die Schraubenausrisse. Zwischen den mittleren maximalen Auszugskräften der thorakalen und lumbalen Pedikelschrauben gab es keine signifikanten Unterschiede. Die Zementkörper der mit 3ml zementierten fenestrierten Pedikelschrauben aus der Gesamtgruppe C lagen zu 100% im vorde- ren, mittleren und hinteren Wirbelkörper, nur 33% davon im Pedikelbereich. Die Zementleckagen traten hauptsächlich an den solide zementierten Schrauben und bei Zementmengen von 3ml auf. Die fenestrierten Pedikelschrauben sind teurer in der Anschaffung als die soliden Pedikelschrauben, haben aber bei Zementierung eine etwas geringere Leckagerate und sind klinisch einfacher zu implantieren und zu zementieren. Mit diesen Vorteilen stellen sie deshalb eine interessante Auswahlmöglichkeit zu den zementierten soliden Pedikelschrauben dar.

Abstract:

Testing of the primary stability of uncemented and PMMA augmented pedicle screws in an in-vitro model with osteoporotic bones Osteoporosis is a disease concerning predominantly elderly people. The costs for the diseases of the vertebral column caused by the reduction of the bone mass are high. One form of surgical procedure consists in the dorsal instrumentation of the spine with a variety of system versions, which are all fixed with pedicle screws in the pedicles of the vertebrae and for better bolting, for example, can be cemented with PMMA. Two different types of cementation techniques are applied to solid and fenestrated pedicle screws. In this randomized in-vitro study the vertebrae from 5 preparations of human vertebral columns were distributed to 3 study groups. Cemented and uncemented solid pedicle screws, cemented fenestrated and uncemented solid pedicle screws, and cemented solid and cemented fenestrated pedicle screws were juxtaposed in both of the two pedicles of a vertebra. The diameters of the pedicle screws were 6mm, with exception of 6 pedicle screws of 7mm. The screw lengths were 40mm, 45mm and 50mm. Highly viscous PMMA cement was used in volumes of 1ml and 3ml. To determine the anchoring strength of the uncemented and cemented pedicle screws in the human vertebrae, the axial extraction forces of the pedicle screws were determined with a material testing machine MTS858 Mini Bionix. The bone mineral density of the vertebrae was determined with the DXA method. In addition, the screw-in torques were measured. The statistical tests were carried out with the statistics program SPSS 22. Irrespective of the amount of cement used, it was shown that the mean values of the maximum extraction forces of the cemented solid and cemented fenestrated pedicle screws were significantly greater than the mean values of the maximum extraction forces of the uncemented pedicle screws. The equality of the anchoring strength of the cemented solid and the cemented fenestrated pedicle screws, independently of the used amount of cement, could be documented. The mean maximum pull-out forces of the 3ml cemented screws were significantly higher than the mean maximum pull-out forces of the 1ml cemented screws. Extraction strength and screw-in torque of the pedicle screws depended on the bone mineral density. Between extraction forces and screw-in torques a positive correlation could be observed. The types of failure could be divided into fractioning of pedicles and in screw pull-outs. The percentage of pedicle fractures relating to the types of failure increased with the increase in the amount of cement. Below a BMD of 0.8g/cm2, the pedicle fractures predominated, above that value the screw pull-outs dominated. There were no significant differences between the mean values of maximal extraction forces of the thoracic and the lumbar pedicle screws. The cement bodies of the 3ml cemented fenestrated pedicle screws of group C were located to 100% in the anterior, medial and posterior vertebral body, only 33% of them in the pedicle area. Cement leakages appeared mainly on solid cemented pedicle screws and with cement amounts of 3ml. The fenestrated pedicle screws are more expensive to purchase than the solid pedicle screws, but the cement leakage rate is somewhat lower and are clinically easier to implant and cement. With these advantages, the fenestrated pedicle screw is an interesting alternative to the cemented solid pedicle screw.

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