Veränderung der biomechanischen Eigenschaften von humanen Spongiosaproben des Femurkopfes durch in vitro Zellbesiedelung
Weng B, Bobrowitsch E, Kluba T
Fragestellung: Heute routinemäßig für Knochentransplantationen eingesetzte homologe Spenderknochen [1], [2] könnten zukünftig mit autologen Stammzellen in vitro vor der Übertragung besiedelt werden. Hierdurch könnte eine dem autologen Transplantat ähnlichere Situation geschaffen und damit eine verbesserte und beschleunigte Osseointegration des Knochentransplantates erzielt werden. Durch die zur Zellbesiedelung nötige mehrtägige Lagerung in einem Zellkulturbad, könnte es aber zu einer negativen Veränderung der biomechanischen Eigenschaften des Knochens kommen.
Ziel der Studie sollte sein, Festigkeitsänderungen statistisch signifikant zu erfassen und eine Abschätzung des Einflusses der Lagerung im Zellmedium auf die Belastbarkeit des homologen Scaffolds zu erreichen. Damit sollte die Verwendbarkeit des behandelten Knochens aus rein mechanischer Sicht im operativen Vorgehen abgeschätzt werden.
Methodik: An 39 symmetrischen, aus humanen Femurköpfen zugeschnittenen Probenpaaren (Quader) erfolgte mittels Druckversuch an einer MTS Bionix-Prüfmaschine die Versuchsdurchführung. Hierfür wurden zunächst geeignete Probenhalterungen sowie eine Sägevorrichtung konstruiert und gebaut. Mit Vorversuchen an 60 nicht zellbesiedelten Probenpaaren wurde die zur Datenerhebung benötigte Stückzahl ermittelt sowie die möglichen Belastungsmuster [3], [4] durch die Prüfmaschine festgelegt. 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 oder zystisch oder sklerotisch veränderte Bereiche zu erhalten, wurde von den Proben vor der Prüfung ein hochauflösendes Mikro-Computertomogramm hergestellt.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Bei der Mehrzahl der Proben nach der Zellbesiedelung war eine Abnahme sowohl der Druckfestigkeit als auch des E-Moduls zu beobachten (Abb. 1, Abb. 2). Bei den langzeitbesiedelten Proben trat das Ergebnis noch deutlicher in Erscheinung. Allerdings scheinen teilweise Störungen der Mikroarchitektur in den Probenquadern vorhanden gewesen zu sein. Dies ließ sich anhand der Mikro-CT-Bildgebung nachweisen, was als Erklärung für Ausreißer herangezogen werden kann. Grundsätzlich kann die Aussage getroffen werden, dass über die komplette Messreihe keine für die in vivo Anwendung kritische Festigkeitsveränderung der Knochenblöcke auftrat.
Zukünftigen in vivo Anwendungen, sollte eine Testung mittels CT-Bildgebung zum Ausschluss dieser festigkeitsmindernden Eigenschaften vorangestellt werden.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocPO11-499
doi: 10.3205/14dkou579, urn:nbn:de:0183-14dkou5796
Published: October 13, 2014
© 2014 Weng et al.
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