Arch. orthop. UnfM1-Chir. 86, 115 128 (1976)
Archiv for orthopadische und UnfalI-Chirurgie © by J. F. Bergmann-Verlag 1976
Die Hiiftarthroplastik mit isoelastischen Totalprothesen im Tierexperiment G. Muhr 1, It. Stockhusen 1 und O. Miiller 2 1 Unfallchirurgische Klinik der 5Iedizinischen }Iochschule Hannover (Direktor: Prof. Dr. H. Tscherne) 2 Insti*u~ ftir Anatomic der Medizinischen Hochschule Hannover (Direktor: Prof. Dr. H. v. Mayersbaeh) Karl-Wiechert-Allee 9, I)-3000 Hannover 61
Total Ilip Replacement with Isoelastic Prosthesis in Animals Summary. Uncemented fixation and low-friction materials are the basis of this experiment. Plastics with an elasticity similar to the bone ("isoelasticity") show very propitious material qualities. The direct cementless incorporation of test bodies must be checked. I n 63 sheep isoeleastic total hip joints were implanted. After 2 till 51 weeks the animals were sacrificed and 44 specimen of hips and organs were explored macroscopicMly, radiologically, spherimetrically and histologically. The result WaS :
1. Plastic hip prosthesis are incorporated in the bone, but the boundary layer is built by a collagenons fiber tissue. 2. Loosening brings resoption of the bone and expansion of the structural changed soft tissue. 3. The transformation of the femoral cortex to osteoporosis is considered possibly as the consequence of an insufficient biological transfer of the weight. 4. Fractures of the femoral prosthesis-stem could not be observed. 5. The radiology allows at the pelvis prosthesis a concret statement coneerning stability, on the femoral part a probable one. 6. The abrasion is minimal, the tissue reaction to abrasion products is unessential. 7. Small abrasion particles are carried of by the lymph tract and stored in the first regional gland. A more distant spreading is not demonstrable. Zusammenfassung. Zementlose Verankerung und verschlei6arme Materialien bilden die Grundlagen der vorliegenden experimentellen Versuchsreihe. Thermoplastische Kunststoffe mit annghernd kn6chernen Elastizitgtswerten (,,Isoelastizitgt") zeigten an Simulatoren anBerordentlich giinstige Werkstoffeigenschaften. Die Frage des direkten, zementlosen Einbaues artikulierender Versuchsk6rper war zu priifen. Bei 63 Schafen wurden daher isoelastische Hiifttotalprothesen ohne Knochenzement implantiert. Nach 2- bis 51w6chiger Versuchsdauer wurden die 8*
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G. Muhr et al. Tiere getStet und 44 Hiift- und Organpr/~parate makroskopisehen, radiologisehen, sph&rimetrisehen und histologischen Untersuehungen zugeffihrt. Die Auswertung ergab folgendes t~esultat: 1. Kunststoffprothesen werden vom Knoehen umsehlossen, an der Grenzschieht bildet sieh jedoch aus biomeehanischer Ursache ein kollagenes Fasersystem. 2. Bei Loekerungen kommt es, wie an den herk6mmliehen Modellen, zur Knoehenresorption und verst/irkter Ausdehnung des aueh strukturell ver/~nderten Bindegewebes. 3. Auftretende Umbauvorg/~nge an der Femureortiealis im Sinne einer Verspr6dung sind m6glieherweise als Folge unzureichender biologiseher Kraftiibertragung anzusehen. 4. Prothesenstielbrfiehe konnten nie beobaehtet werden. 5. Die radiologische Untersuehung lgA3t an der Beekenprothese siehere, an der Femurkomponente wahrseheinliehe Aussagen fiber die Stabilit~t zu. 6. Der Abrieb gestaltet sieh minimal, die Gewebsreaktion dutch Abriebteilehen ist unwesentlieh. 7. Kleine Abriebpartikel werden auf dem Lymphwege bis in die erste region&re Filterzone versehleppt und dort gespeichert. Eine weitere Ausbreitung ist nicht nachweisbar.
Einleitung und Fragestellung Zu den augenseheinliehsten Erfolgen in der Extremit~tenehirurgie dieses Jahrhunderts z/~hlt der Ersatz krankhaft vergnderter Gelenke. Im Zentrum des Interesses stehen die Hiiftalloarthroplastiken, heute ein operatives Standardverfahren mit erheblieher sozialmediziniseher Bedeutung. Die Gelenkteile bestehen durehwegs aus den Werkstoff-Kombinationen Metall-Kunststoff, seltener Metall-Metall, zur Verankerung im Knoehen dient Knoehenzement. Die Verbesserung der ProthesenmateriMien und der Operationsteehnik sowie zahlreiehe, fiber das faehliehe Interesse hinausgehende Publikationen ffihrten zu einer riskanten Senkung des Indikationsalters dieser imponierenden Methode, die bisher betagten Mensehen vorbehalten war. Damit riiekte der Knoehenzement in den Mittelpnnkt des Interesses. Waren seine Naehteile gegenfiber dem Vorteil der Sofortstabilisierung im hohen Alter und bei verminderter Lebenserwartung gering eingeseh/ttzt worden, welehe Problematik k6nnte nun eine Dauerimplantation bei jfingeren Patienten erbringen ? Zahlreiehe Untersuehungen best&tigen neben den bekannten Frfiherseheinungen die drohende M6gliehkeit der Umkehr physiologiseher in pathologiseher Reaktionen des Lagers and der periartikul~ren Gewebe [5, 6, 23, 24, 26]. Nut wenige Forsehergruppen besehgftigten sieh yon Anfang an mit der Entwieklung yon zementlos zu implantierenden Totalprothesen. Einige versuehen, mit keramisehen, aluminiumoxydhaltigen Werkstoffen zum Ziele zu gelangen. Naeh Untersuehungen fiber die biologisehe Vertr/tgliehkeit [1, 2, 10] wurde die kn6eherne Inkorporation nachgewiesen [2, 12, 21]. Mittelmeier [3, 16] implantiert
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z . Z . eine K e r a m i k - M e t a l l - V e r b u n d - P r o t h e s e m i t T r a g r i p p e n , ohne K n o c h e n z e m e n t zu verwenden. DaB d e n n o e h eine A u s e i n a n d e r s e t z u n g zwisehen d e m Organismus a n d k e r a m i s c h e n F r e m d m a t e r i a l i e n e n t s t e h t , zeigte B o u t i n [4]. N a c h I m p l a n t a t i o n y o n 200 K e r a m i k - E n d o p r o t h e s e n an m e n s e h l i e h e n H i i f t e n k o n n t e er im P a t i e n t e n h a r n s p e k t r a l a n a l y t i s e h A l u m i n i u m naehweisen. A u e h die I m p l a n t a t i o n por6ser M e t a l l k S r p e r wird durehgefiihrt. N a e h erfolgv e r s p r e e h e n d e n A n s g t z e n m i t T i t a n b e r i e h t e t e J u d e t fiber bisher 828 t o t a l e r s e t z t e I-Ififtgelenke ans V i t a l l i u m [9, 13]. Das Bestreben, die zementfreie I n k o r p o r a t i o n zn erreiehen u n d d a b e i die physiologischen G e g e b e n h e i t e n des k n 6 e h e r n e n W i r t s l a g e r s m6glichst wenig zu gndern, bewog M a t h y s , t h e r m o p l a s t i s e h e K u n s t s t o f f e m i t anBerordentlieh giinstigen m e e h a n i s c h e n E i g e n s e h a f t e n zu benutzen. Die A n n ~ h e r u n g d e r Elastizit/itsverh/~ltnisse y o n K n o c h e n u n d I m p l a n t a t w u r d e ~ls ,,Isoelastizit/it" b e z e i c h n e t [14, 15]. D a m i t e r h o b e n sich die F r a g e n : 1. W i e r e a g i e r t der K n o c h e n a u f ein zementlos fixiertes ,,isoelastisches" K u n s t stoffimplantat ? 2. I s t eine kn6eherne I n k o r p o r a t i o n u n t e r den W e e h s e l d r u e k b e a n s p r u e h u n g e n eines Gelenkes m6glieh ? 3. Welehe biologisehe W e r t i g k e i t besitzen m6gliehe K u n s t s t o f f a b r i e b p a r t i k e l ? I)as T i e r e x p e r i m e n t sollte die B e u r t e i l u n g all dieser F r a g e n erm6gliehen a n d etwaige F e h l e n t w i e k l u n g e n aufzeigen, n a e h d e m erste Versuehe e r f o l g v e r s p r e e h e n d ersehienen [7, 18, 19].
Material und llIethode In der Versuchsreihe kamen an Werkstoffen zur Anwendung: 1. Hostadur, ein linearer Polyester auf der Basis yon PolygthylenglyeolterephthMat. 2. Hostaform C, ein Acetal-Copolymerisat aus den Grundstoffen Formaldehyd und Acethylenoxid. Diese Lagermaterialien, ltostadur als Pfanne und Hostaform C als Sehaftprothese, stellen teilkristMline thermoplastisehe Kunststoffe dar. Ihre physikalischen Eigenschaften sind denen des in der Implantatehirurgie bekannten PolySothylen ~hnlieh [14, 15]. Bemerkenswert ist der extrem niedrige Abrieb und die hohe Elastizitiit (Elastizitiitsmodul ca. 300 kp/mm 2) im Gegensa~z zu den in Anwendung stehenden MeLallimplantaten (Elastizit~itsmodul ca. 20000 kp/mm2). Bei einetn E-Modul der mensehliehen Cortiealis yon ca. 1500 kp/mm 2 ist d~mit der Kunststoff 5mal elastiseher als der Knoehen, der Knochen dagegen 10- bis 15mal elastiseher als Metall. Die Beekenprothese hatte 28 mm Augendurehmesser. Zwei seitliche Ohren erm6glichten eine Sehraubenfixation bis zur fragliehen ossS~ren Einheilung. Um die Pfannenkonvexit~t zogen zwei t~innen, um lm6chernes Einwaehsen zu erm6gliehen. Ein 10 mm langer, nach dorso-eranial ragender Pfannenzapfen diente zur Sieherung gegen Scherung und l~otation. Der Femurkopf wurde durch eine 9 em lange, 12 mm starke Endoprothese ersetzt. Der Kopfdurehmesser betrug 18 mm, im Troehanterabsehnitt verlief ein Kanal zur Aufnahme der Fixationssehraube. Diese sollte als temporgre Sieherung das Einwaehsen erm6gliehen und zugleieh dutch die Verankerung in der lateralen SehafteortieMis den Zuggurtungseffekt besitzen. Der Sehaftabsehnitt unterhalb des Prothesenkragens war yon zahlreichen halbkugeligen Vertiefungen knapp 2 mm z iibers~it, um aueh hier ein Einwaehsen yon Stiitzgewebe zu erm6gliehen (Abb. 1). Als Versu ehstiere dienten ausgewaehsene 1- bis 2j~hrige Schwarzkopfschafe mit einem Durehsehnittsgewieht yon 60 kg. Insgesamt kamen 61 Sehafe in die Versuehsreihe.
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Abb. 1. ,,Isoelastische °' Versuehs-Totalendoprothese mit deutlich erkennbaren I)fannenrinnen und Schaftvertiefungen zur Inkorporation
Zur Implantation wurde ein IIiiftgelenk von einem seitlichen Zugang aus freigelegt. Fenstern der Gelenkkapsel, Luxation des Sehenkelkopfes, Osteotomie am Schenkelhals und totale Synovektomie standen vor dem Entknorpeln der Pfanne. Bei Freiliegen der Beckenspongiosa wurden mit einem speziellen Zielger~t Vertiefungen zur Aufnahme der Pfannenohren und des Pf~nnenzapfens gefrg~Bt. Nun konnte Spongiosa in den Pfannenboden eingelegt und das Implantat in einem Winkel yon 45 ° auf die Interspinallinie mit 2 AO-Kleinfragmentsehrauben fixiert werden. Ansehliegend wurde das proximale Femurende aufgefr~igt, die Kopfprothese eingepagt und mit der Zugsehraube am Troehanter fixiert (Abb. 2). An 54 von insgesamt 63 ersetzten Hiiftgelenken wurde zusi~tzlieh auf die Femursehaftaehse eine zweite Sehraube zur Rotationssieherung eingebraeht. Reposition, Spiilung und WundversehluB waren die absehliet3enden Sehritte. Naeh Abklingen der Narkosewirkung gingen die Tiere unter roller Belastung des Implantates im Stall umher. Die Tiere warden kontrolliert, um auff~lliges Entlasten und sehwere Komplikationen frtihzeitig zu erfassen. Zur Gewinnung der Pr£parate wurden die Tiere 2 bis 51 Woehen naeh Implantation get6tet. Naeh Inspektion yon ttaut- und Weiehteilen wurde die Muskulatur abprg@ariert, das Femur entnommen und der prothesentragende Beekenteil entfernt. Naeh meehaniseher Stabilititspriifung des tmplantatsitzes wurden an den Femurprothesen die K6pfe abges~gt, um sie sph~rimetrisehen Untersuehungen zuzufiihren. Von den auf diese Weise gewonnenen Pril0araten wurden R6ntgenaufnahmen in 2 Ebenen angefertigt. Dann wurden die Prg~parate mit einer Sige zersehnitten und der histologisehen Aufarbeitung naeh Sehenk zugeftihrt [22]. Bei der T6tung der Tiere wurde gleiehzeitig mit dem kn6ehernen P r i p a r a t die Gelenkkapsel, Beeken- und Iliaeallymphknoten sowie Teile der inneren Organe (Herz, Lunge, Leber, Milz, Niere) entnommen,
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Abb. 2. Kunststoffpfanne mit Schrauben fixiert, an der Femurprothese wird die Trochanterzuggurtungsschraube eingesetzt
Ergebnisse An 61 Tieren wurden 63 Hfiftgelenke total ersetzt. 4 Schafe verstarben intr~operativ bzw. unmittelbar postoperativ. Weitere 3 Tiere kamen innerhalb der ersten ¢ Tage ad exitum, sie sind den Komplikationen in Zusammenhang mit ~Narkose und Operation anzulasten. Die fibrigen 54 Tiere iiberstunden den Eingriff glatt. Infolge postoperativer Standunsicherheit sttirzten zahlreiche Tiere. Daraus resultierten Femurfrakturen, die bei 4 exzessiven Splitterungen zum frfihzeitigen Ausscheiden der betroffenen Tiere zwangen. Bei 7 Sehafen kam es fiber infizierte H£matome zu septisehen Krankheitsbildern, so dab aueh hier vorzeitiges Abt5ten unumg£nglich war. Wegen schwerer Besch~digung bei der Entnahme wurde ein Pr~parat nicht beurteilt, so daI~ schliel~lieh 44 Ersatzgelenke verblieben. Die Inspektion ergab iblgendes t~esultat: Bei 35 Tieren war die Operationswunde gut verheilt, 9 Schafe wiesen Fisteln bzw. abgekapselte Hi~matome auf. Die Bewegliehkeit der Alloplastik zeigte in 36 F/~llen keine wesentliehe Differenz zur gesunden Seite. 6 Gelenke hatten Excursionsbehinderungen his zu einem
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Drittel des Funktionsumfanges. Nur in 2 Fallen waren erhebliche Motilitiitseinschrankungen festzustellen. Letztere 8 Tiere litten unter mai~igen bis betrachtlichen Verkalkungen ihrer Gelenkskapsel. Die spharimetrische Kontrolle der FemurkSpfe konnte an keinen der zwischen 2 und 51 Wochen implantierten und belasteten Versuchsobjekte m e , b a r e Abschliffserscheinungen registrieren (diese Untersuchung erfo]gte im Labor der Fa. Mathys, Bettlach, Schweiz).
A cetabulumprothesen Makroskopisch. Bei manueller Priifnng erwiesen sich 35 dcr Pfannenprothesen als mechaniseh stabil, 9 I m p l a n t a t e waren gelockert. In 7 Fi~llcn war es zum Bruch eines oder beider Pfannenohren gekommen, trotzdem waren 5 dieser Pfannen fest eingeheilt. Radiologisch. Die RSntgenuntersuchung besti~tigte das klinische Ergebnis. Stabile Verankerung ergab eine deutliche Spongiosastruktur des Pfannenbodens, die
Abb. ]. RSntgenbild 32 Wochen postoperativ mit deutlicher Knochenleiste im Bereich der Pfannenrinne. Im Schliffradiogramm (rechts unten) die sichere oss~re Einheilung und ein stubiler Schr~ubensitz
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Konturen um den Pfannenzapfen waren scharf abzugrenzen. Als besonders bedeutungsvoll wurden oss£re Linien, konzentrisch zum Pfannenrand verlaufend, angesehen. Sic stellen den Ausdruek des knSchernen, reaktiven Anbaues im Bereich tier Verankerungsrille dar, wodurch letztlich die eigentliche Stabilit£t erreicht wurde. Diese Zeichen der sekund~ren biologischcn Verankerung beginnen sich in der Uberzahl der F~lle nach 10 Wochen darzustellen. Ab der 16. his 20. Woche sind sic regelm/~gig nachzuweisen (Abb. 3). Bei Lockerung vergndert sieh das radiologische Erscheinungsbild erheblieh. Die vorher deutliche Beekenbodenstruktur ist je nach Grad der Lockerung und Implantationsdauer unregelmS~gig his fehlend, h/~ufig ist ein zunehmender Knochenanbau zum Beckeninneren hin nachzuweisen. Auch die Pfannenzapfenkontur fehlt. Anf~nglich ist eine unseharf begrenzte VergrSgerung des Pfannenlagers auff~llig, bald finden sich Resorptionss~ume um die Sieherungsschrauben. Auch die periartikul/Lre Reaktion ist erheblich verst~rkt und vom Lockerungsgrad abh/~ngig. Diese beiden differenten Verlaufsformen werden dutch die Schliff-Radiographie verdeutlicht : Kurz nach dem Eingriff erkennt man den scharf markierten Grenzrand der Beckenspongiosa zum Implantat hin. 6 Wochen postoperativ ist bei Stabilit/i~t eine Verst/~rkung reaktiver Anbauten im Bereich der Pfannenrillen zu beobachten. ttier bildet sich eine kn6cherne Leiste, die ab der 14, bis 16. Woche im wechselnd starken Mage regelm/~gig ausgebildet ist. Im Sp/~tstadium der Implantation ist in mindestens eine der beiden Pfannenrillen eine solide Knochenleiste eingewachsen. Das iibrige Wirtslager bildet eine kompakte Zone hin zur Prothese (Abb. 3). Liegt eine Lockerung vor, zeigt sich schon bald naeh der Implantation um die Pfanne ein st/~rkerer kontrastloser Saum. Mit zunehmender Dauer verbreitert sieh diese Zone, die bis zum v611igen Schwund der Beckenspongiosa gehen kann. Reaktive oss/~re Neubildungen fehlen.
HistologiscA zeigt sich nach 14 bis 20 Tagen die Ausbildung yon osteoidem Geflechtsknochen, stabile VerhgJtnisse vorausgesetzt. Beckennah und an den Stellen der Pfannenrillen hat sich ein loekeres, zellreiches Gewebe gebildet, an der Grenze zum Kunststoff hin liegt eine einschichtige Reihe endothelartiger Zellen. Dort, wo das Knochenlager dem Implantat nahe komrat, beginnen sich entsprechend der Beanspruchung Faserziige auszubilden. In den ngchsten 8 bis 10 Wochen entstehen Kollagenbiindel mit wechselndem Faserverlauf, deren Urspriinge aus dem Knochen ahnlich den Sharpeyschen Fasern sind. Ihr Verlauf ist seherengitterbzw. arkadenf6rmig. Ist der Pfanneneinban abgeschlossen, zeigt sieh folgendes Bild: Der ehemalige Geflechtsknochen am Pfannenboden und in den Rillen hat sich in lamell~ren Knochen umgewandelt und reicht stellenweise an das Implantat heran (Abb. 4). Diesen knSchernem Acetabulum aufgelagert finder sich eine durehschnittlich 150 ~ dicke Bindegewebsschicht, deren Ziige sich in allen Richtungen des Raumes durchflechten (,,Druckarkaden") (Abb. 5). Liegt Instabilit~tt vor, kommt es ebenfalls zur Ausbildung einer Bindegewebsschicht zwischen Implantat und Knoehen, ihre St~rke h~ngt jedoch vom Instabilit~tsgrad ab. Beckennahe zeigt sieh Knochenabbau, implantatnahe eine zellreiche Gewebszone.
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Abb. 4. Ausbildung der knSchernen Verankerungsleisten an der Pfannenprothese nach 3, 32 und sehlieBlieh 51 Woehen mit lamellS~ren Knochen
Abb. 5. Fibr6ses Puffergewebe (,,Druckarkaden") zwischen Implantat und Beckenknochen im polarisierten Licht
F emurprothese Malcroslcopisch. Die an der Pf~nne durchwegs befriedigenden Stabilit/~tsverh/~ltnisse waren am Sch~ffemur nicht reproduzierbar. Bei manueller Prtffung des Sitzes stellte sich heraus, dab von 44 Implantaten nur bei 11 K6rpern eine mechanisch feste Verankerung gefunden wurde. Die verbleibenden 33 Kopfprothesen waren allesamt gelockert.
Radiologisch. Klinisch stabile Endoprothesen imponierten am fJbersichtsbild durch einen zarten Sklerosesaum knapp um den Prothesenstiel. Eine solide Abstiitzung am Prothesenkragen konnte infolge periostaler Auflagerungen nieht eindeutig gesiehert werden. I m Schaftbereich zeigten sich segmentale Knochenmanschetten mit zahlreichen Lamel]en, die sich zur CorticMis hin absttitzten.
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(b) Abb. 6a u. b. Stabile Femurprothese 8 Woehen naeh Implantation mit deutlicher Knoehenreuktion im Sehliffradiogramm (a). Ebenso stabiles Einheilen einer anderen Prothese naeh 10 Woehen trotz Femurfraktur (b) Disseminierte kleine Knochenherde sind den Oberfl/ichenvertiefungen des Prothesenstieles zuzuordnen. Lag ide~le Formschliissigkeit zwisehen I m p l a n t a t und Markh6hle vet, blieb die temporiire Sehraubenfixation intakt (Abb. 6). Stabil blieben aueh jene Sehrauben, deren tragendes Femur frakturierte. Hier geniigte die Zeitspanne der notgedrungenen Sehonung und Entla.stung bis zur Einheilung. I n der Mehrzahl der F£11e kam es jedoch zu fast skurrilen Verbiegungen und Schraubenbriichen, ohne dab daraus ein SchluB auf die spatere Stabilit~t gezogen werden konnte. Die Ver~nderungen am Knochen, in Vergleieh zwischen Stabilit/it und Lockerung, differieren radiologisch nicht in ihrer Verlaufsform, wohl aber im Erscheinungsbild. Ausbildung und Aufb~u des Stiitzgewebes um den Prothesenstiel entsprechen weitgehend den Phasen bei stabiler Inkorporation, different ist nut der deutlich breitere, bindegewebige H o f um den Stiel uncl die unverkennbaren Umbauvorg/~nge an der Cortiealis. Histologi~'ch. An stabilen I m p l a n t a t e n wurde 6 Wochen naeh dem Eingriff die endostale Ausbildung von Gefleehtsknoehen gefunden, An der Schaftoberflii.ehe zeigt sieh stellenweise eine periostale Reaktion. Zwischen der 16. und 24. Woehe werden zunehmend Cortiealislamellen angebaut, die sich konzentriseh um den Prothesenstiel anordnen, wobei senkreeht verlaufend Abstiitzstreben entstehen (Abb. 7). In der bisher dichten lamell~ren Sehaftstruktur entstehen stellenweise Umbauzonen. Diese ge~nderten Festigkeitsverh£1tnisse werden durch den Aufban endostaler und periostuler Manschetten zu kompens~eren versueht. Selten zeigen sieh oss£re Neubildungen, die den Vertiefungen der Prothesenoberfl~ehe folgen. I m Spiitstadium, 40 his 51 Woehen postoperativ, ist die Prothese veto Knoehen durch eine 200 bis 500 b~ starke Bindegewebszone getrennt. ])as Bindegewebe ist, wie am Becken, aus einer Fasersehieht aufgebaut, wobei an den Prothesenkanten, deft we I m p l a n t a t und W]rtslager eng benachbart liegen, Knorpel-
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Abb. 7. Knochenlamellen um den Prothesenschaft 24 Wochen postoperativ. In einer Schaftvertiefung liegt neugebildeter Verankerungsknochen (Pfeile)
polster zu finden sind. Bei Instabilit/~t zeigt sieh histologiseh eine biologisehe Wirtslagerreaktion, die gegenfiber dem vorherigen mehr quantitativ als qualitativ abweieht. Bald zeigen sieh an der Corticalisinnenfl/~che resorptive Vorg~nge, stellenweise bildet sich noch geflechtartiger Knochen. Aueh periostal zeigt sich Knoehenneubildung, die im Gegensatz zur Stabilit/~t die gesamte Schaftzirkumferenz erfaBt. Ungleich breiter ist der Kollagensaum, der zum Stiel hin an Faserdiehte verliert und in seiner Gesamtgefiigestruktur aufgelockert erseheint.
Gelenkkapsel Makroskopisch. Nach
totaler Synovektomie haben sieh wieder neue Kapseln gebildet. Diese in ihrer St/~rke schwankenden Regenerate zeigen bei mehreren Tieren herdfSrmige Verkalkungen. Histologisch. Mikroskopisch entspricht der Aufbau des Regenerates dem normalen Kapselgewebe mit straffen kollagenen Fasern untersehiedlieher Dichte. I m fibrSsen Bindegewebe wie in der Synovialis finden sich yon Tier zu Tier wechselnde, unterschiedlich starke Ablagerungen yon Kunststoffsplittern. Bei TeilchengrSBe yon fiber 100 Ez sind diese in lamell£re Bindegewebsmembranen eingebettet. Kleinere Kunststoffteilehen finden sich in selten vorkommenden FremdkSrperriesenzellen, Splitter in tier GrSgenordnung yon 10 ~z und darunter werden yon Makrophagen gespeiehert. Rundzel]enfi]trate, wie sie ehronischen Entzfindungen entsprechen, wurden nieht angetroffen.
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Lymphknoten und inhere Organe 1 Makroskopisch. Bei Inspektion der Lymphknoten und der inneren Organe unmittelbar naeh T6tung der Tiere fanden sieh in allen Fallen die regiongren Lymphknoten gegeniiber der niehtoperierten Seite deutlieh vergr613ert. All die anderen Lymphknoten und die inneren Organe waren makroskopiseh unauffi~llig. Histologisch. Die Beekenlymphknoten der betroffenen Seite enthielten in der Regel in ihrem Rindensinus herdfSrmige Ansammlungen von Zellen mit sehaumigem, hellen Cytoplasma (Uferzellen). In polarisiertem Licht zeigen sich hier in der Menge differierende Ablagerungen kleinster, um 10 ~ messender, doppelbreehender Partikel, die Kunststoffteilehen entspreehen. Bei wenigen Versuehstieren war es dariiber hinaus zu Ablagerungen yon Prothesenmaterial in die Uferzellen paraaortaler Lymphknoten gekommen. Dies entsprieht nieht der l~egel und steht auch nieht rail der Dauer der Implantation in Zusammenhang. An allen iibrigen Lymphknoten und inneren Organen finden sich keine implantationsabh/ingigen Vergnderungen. Diskussion
An vorderer Stelle der Verankerungsfrage steht die das Implantat umgebende Bindegewebskapsel. 1st diese Grenzsehieht als Fremdk6rperreaktion [26] oder vielmehr als biologiseher Ansgleieh in der Kraftiibertragung versehiedener meehaniseher Medien [7, 8, 25] aufzufassen ? Die Frage der Verankerung isoelastischer Implantate lieg sich im Tierversueh weitgehend kl/~ren. Aufgrund der Ergebnisse an den Actabulumprothesen kann auf eine dauerhafte Verankerung gesehlossen werden. Das his auf wenige Ausnahmen unbefriedigende Ergebnis an den Femurendoprothesen ist dutch die ungiinstige Anatomie der Sehaffemora zu erkl£ren. Unmigverst/indlieh stellte sieh die Reaktion des kn6ehernen Lagergewebes dar. In jedem Fall kam es zur Ausbildung einer Bindegewebspufferzone zwisehen Prothese und Knochen. Stabilit£t und Instabilit/~t unterseheiden sieh dureh die Saumbreite. An meehaniseh festen Teilen lag die Dieke dieser Zone bei 150 B, n/~her heranreiehender Knoehen wurde meist abgebaut, an weiten S/iumen zeigte sieh eine osteogene l~eaktion. In der Bindegewebssehicht fehlten rundzellige Elemente oder Fremdk6rperriesenzellen, wodureh ein entziindliehes Gesehehen auszusehliegen ist. Lag eine Infektion vor, konnten diese Zellen histologiseh naehgewiesen werden. Ursprung und Verlaufsriehtung der kollagenen Faserelemente erinnern deutlieh an den Meehanismus des Zahnhalteapparates mit seiner 1Jbertragung des enormen Kaudruekes vom harten Zahn anf die diinne Alveole. Im Versueh folgt der Knoehen den Oberflitehenvertiefnngen des Implantates bis in den Bereieh der die Osteogenese st6renden Kr/ifte. Dort bildet sieh ein Kollagengiirtel aus, der gut belastbar, fiir eine ausgleiehende Druekiibertragung Sorge tr£gt. Dies erkl/~rt aueh den Umbau der Sehafteortiealis, der damit geradezu notwendig erscheint [27]. Der Kraftflul3 liegt ja nieht mehr im Knoehen selbst, sondern er wird, verteilt auf die groBe Prothesenoberfl/iehe, auf das oss/~re Wirtslager iibertragen. Daraus erfolgt gezwungermagen die typisehe Umstrukturierung [8, 20, 25]. 1 Die Beurteilung wurde yon Prof. Dr. Kief und Dr. P/ischner, Forschungsabteilung der Fa. Hoechst, vorgenommen.
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Folgende Schlfisse sind zu ziehen: 1. Ein mechanisch-stabiles IJmwaehsen isoelastiseher Kunststoffimplantate ist m6glieh. 2. Der Lagerknoehen folgt der Prothesenoberfl~ehe in Verankerungsrillen, die Kraftiibertragung erfolgt jedoeh fiber eine kollagene Grenzzone. 3. Eine Wiederherstellung der biologisehen Kraftfibertragung ist mit keinem Prothesenmodell m6glieh. Der Druek wird fiber die Implantatoberfl/~eh¢ verteilt und dureh das fibr6se Puffersystem ged/~mpft auf das Knoehenbett iibertragen. Umbauvorg/inge sind daher unabwendbar. 4. Um jedoeh hinsiehtlieh yon Stabilit/~t und Verankerung ein 0ptimales Resultat zu erzielen, sind folgende Konditionen notwendig: a) Biomeehaniseh gfinstige Formgebung der Implantate (absolute Formsehlfissigkeit im Wirtslager, breiter Prothesenkragen). b) Ann/iherung der Werkstoffelastizit/~t an die des Knoehens, um die Umbauvorg/£nge zu limitieren. e) Ausgefeilte Operationsteehnik und sorgf/tltige Naehbehandlung. Eine der weiteren Zielsetzungen war die Prfifung der meehanisehen Eigensehaften bestimmter Werkstoffe unter den Weehselbeanspruehungen eines grogen Gelenkes. Dutch die Fusionierung zweier Kunststoffe, in der vorliegenden Serie Acetalharz und Polyester, konnte der Reibungskoeffizient weiter gesenkt und die Versehleigrate erniedrigt werden. Da die mechanisehen Eigensehaften des Polyester bekannt waren, interessierte vor allem der VersehleiB des Aeetalharzes. Naeh sph/irimetrischer Kontrolle der Zirkumferenzen konnte nach 51 Woehen an stabil wie instabil verheilten Femurimplantaten kein mel~barer Abrieb gefunden werden. Ein weiterer Vorteil der neuen elastisehen Konzeption zeigte sieh am Femurstiel. In keinem Full braeh die Prothese, aueh wenn bei unsieherer Fixation der proximalen Implantath&lfte die Spitze umwaehsen war. Gerade dieses Problem belastet die Sp/~tresultate herk6mmlieher Prothesen im zunehmenden Mage. Aueh dem periartikul/iren Gewebe ist entspreehende Aufmerksamkeit zu sehenken. Die im polarisierten Lieht untersuehte Gelenkskapsel 1/£13t das Vorhandensein doppelbreehender Kunststoffsplitter erkennen. Die Weiehteilreaktion darauf ist jedoeh auBerordentlich milde, Nekrosen fehlen ganz. Um das Nahtmaterial sind wesentlieh st/~rkere Reaktionen zu finden. Weiter sprieht gegen eine bedenkliehe Versehleppung der Abriebprodukte in den Organismus die alleinige Vergr6gerung der region/iren Lymphknoten. Der seltene Naehweis der Speieherung im paraaortalen Knoten kann mit einer direkten LymphabfluBbahn aus dem Hfiftgelenk in diese Region erkl/irt werden. Die I-Iistologie zeigt neben den geringen Fremdk6rperspeieherungen die vermehrte Ausbildung von IJferzellen im Sinne eines Sinuskatarrhs. Alle anderen Lymphknoten und die inneren Organe der Tiere waren frei yon implantatbedingten Auff/£11igkeiten.
Schlullfolgerung und klinische Aspekte Die zunehmende Zahl an Sp/ttkomplikationen infolge der bekannten Naehteile des Knoehenzementes erzwingen neue Wege in der Hfiftalloarthroplastik. Die M6glichkeit einer dauerhaften Implantation ohne Zementverankerung w&re ein
Hfiftarthroplastik mit isoelastischen Totalprothesen im Tierexperiment
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Abb. 8. ,,Isoelastischc'° Humanprothese in situ. Exakter Abschlufi am Prothesenkragen bei idealer Formschlfissigkeit
Ausweg. Werkstoff, M e c h a n i k u n d biologische W e r t i g k e i t der isoelastischen K u n s t stoffk6rper b i e t e n sich als folgerichtige u n d auffiillige A l t e r n a t i v e n an. Vor allem an der O r t h o p ~ d i s c h e n Universit~itsklinik Basel [17], a b e r much a n unserer K l i n i k w u r d e zwischenzeitlich eine gr6Bere A n z a h l isoelastischer Totalp r o t h e s e n in H u m a n g e l e n k e i m p l a n t i e r t . A b g e s e h e n y o n f a b r i k a t i o n s t e c h n i s c h e n M/ingeln einer kleinen I m p l a n t a t z a h l d e r ersten P r o t o t y p e n , die zur R e i n t e r v e n t i o n zwangen, sind die Ergebnisse bisher in klinischer u n d radiologischer Hinsicht als erfolgversprechend u n d r i c h t u n g s w e i s e n d anzusehen, wenn much d e r Beo b a c h t u n g s z e i t r a u m noch zu gering erscheint (Abb. 8).
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Eingegangen am 18. Mdrz 1976
Archiv for orthopadische und UnfalI-Chirurgie © by J. F. Bergmann-Verlag 1976
Die Hiiftarthroplastik mit isoelastischen Totalprothesen im Tierexperiment G. Muhr 1, It. Stockhusen 1 und O. Miiller 2 1 Unfallchirurgische Klinik der 5Iedizinischen }Iochschule Hannover (Direktor: Prof. Dr. H. Tscherne) 2 Insti*u~ ftir Anatomic der Medizinischen Hochschule Hannover (Direktor: Prof. Dr. H. v. Mayersbaeh) Karl-Wiechert-Allee 9, I)-3000 Hannover 61
Total Ilip Replacement with Isoelastic Prosthesis in Animals Summary. Uncemented fixation and low-friction materials are the basis of this experiment. Plastics with an elasticity similar to the bone ("isoelasticity") show very propitious material qualities. The direct cementless incorporation of test bodies must be checked. I n 63 sheep isoeleastic total hip joints were implanted. After 2 till 51 weeks the animals were sacrificed and 44 specimen of hips and organs were explored macroscopicMly, radiologically, spherimetrically and histologically. The result WaS :
1. Plastic hip prosthesis are incorporated in the bone, but the boundary layer is built by a collagenons fiber tissue. 2. Loosening brings resoption of the bone and expansion of the structural changed soft tissue. 3. The transformation of the femoral cortex to osteoporosis is considered possibly as the consequence of an insufficient biological transfer of the weight. 4. Fractures of the femoral prosthesis-stem could not be observed. 5. The radiology allows at the pelvis prosthesis a concret statement coneerning stability, on the femoral part a probable one. 6. The abrasion is minimal, the tissue reaction to abrasion products is unessential. 7. Small abrasion particles are carried of by the lymph tract and stored in the first regional gland. A more distant spreading is not demonstrable. Zusammenfassung. Zementlose Verankerung und verschlei6arme Materialien bilden die Grundlagen der vorliegenden experimentellen Versuchsreihe. Thermoplastische Kunststoffe mit annghernd kn6chernen Elastizitgtswerten (,,Isoelastizitgt") zeigten an Simulatoren anBerordentlich giinstige Werkstoffeigenschaften. Die Frage des direkten, zementlosen Einbaues artikulierender Versuchsk6rper war zu priifen. Bei 63 Schafen wurden daher isoelastische Hiifttotalprothesen ohne Knochenzement implantiert. Nach 2- bis 51w6chiger Versuchsdauer wurden die 8*
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G. Muhr et al. Tiere getStet und 44 Hiift- und Organpr/~parate makroskopisehen, radiologisehen, sph&rimetrisehen und histologischen Untersuehungen zugeffihrt. Die Auswertung ergab folgendes t~esultat: 1. Kunststoffprothesen werden vom Knoehen umsehlossen, an der Grenzschieht bildet sieh jedoch aus biomeehanischer Ursache ein kollagenes Fasersystem. 2. Bei Loekerungen kommt es, wie an den herk6mmliehen Modellen, zur Knoehenresorption und verst/irkter Ausdehnung des aueh strukturell ver/~nderten Bindegewebes. 3. Auftretende Umbauvorg/~nge an der Femureortiealis im Sinne einer Verspr6dung sind m6glieherweise als Folge unzureichender biologiseher Kraftiibertragung anzusehen. 4. Prothesenstielbrfiehe konnten nie beobaehtet werden. 5. Die radiologische Untersuehung lgA3t an der Beekenprothese siehere, an der Femurkomponente wahrseheinliehe Aussagen fiber die Stabilit~t zu. 6. Der Abrieb gestaltet sieh minimal, die Gewebsreaktion dutch Abriebteilehen ist unwesentlieh. 7. Kleine Abriebpartikel werden auf dem Lymphwege bis in die erste region&re Filterzone versehleppt und dort gespeichert. Eine weitere Ausbreitung ist nicht nachweisbar.
Einleitung und Fragestellung Zu den augenseheinliehsten Erfolgen in der Extremit~tenehirurgie dieses Jahrhunderts z/~hlt der Ersatz krankhaft vergnderter Gelenke. Im Zentrum des Interesses stehen die Hiiftalloarthroplastiken, heute ein operatives Standardverfahren mit erheblieher sozialmediziniseher Bedeutung. Die Gelenkteile bestehen durehwegs aus den Werkstoff-Kombinationen Metall-Kunststoff, seltener Metall-Metall, zur Verankerung im Knoehen dient Knoehenzement. Die Verbesserung der ProthesenmateriMien und der Operationsteehnik sowie zahlreiehe, fiber das faehliehe Interesse hinausgehende Publikationen ffihrten zu einer riskanten Senkung des Indikationsalters dieser imponierenden Methode, die bisher betagten Mensehen vorbehalten war. Damit riiekte der Knoehenzement in den Mittelpnnkt des Interesses. Waren seine Naehteile gegenfiber dem Vorteil der Sofortstabilisierung im hohen Alter und bei verminderter Lebenserwartung gering eingeseh/ttzt worden, welehe Problematik k6nnte nun eine Dauerimplantation bei jfingeren Patienten erbringen ? Zahlreiehe Untersuehungen best&tigen neben den bekannten Frfiherseheinungen die drohende M6gliehkeit der Umkehr physiologiseher in pathologiseher Reaktionen des Lagers and der periartikul~ren Gewebe [5, 6, 23, 24, 26]. Nut wenige Forsehergruppen besehgftigten sieh yon Anfang an mit der Entwieklung yon zementlos zu implantierenden Totalprothesen. Einige versuehen, mit keramisehen, aluminiumoxydhaltigen Werkstoffen zum Ziele zu gelangen. Naeh Untersuehungen fiber die biologisehe Vertr/tgliehkeit [1, 2, 10] wurde die kn6eherne Inkorporation nachgewiesen [2, 12, 21]. Mittelmeier [3, 16] implantiert
Hiiftarthroplastik mit isoelastischen Totalprothesen im Tierexperiment
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z . Z . eine K e r a m i k - M e t a l l - V e r b u n d - P r o t h e s e m i t T r a g r i p p e n , ohne K n o c h e n z e m e n t zu verwenden. DaB d e n n o e h eine A u s e i n a n d e r s e t z u n g zwisehen d e m Organismus a n d k e r a m i s c h e n F r e m d m a t e r i a l i e n e n t s t e h t , zeigte B o u t i n [4]. N a c h I m p l a n t a t i o n y o n 200 K e r a m i k - E n d o p r o t h e s e n an m e n s e h l i e h e n H i i f t e n k o n n t e er im P a t i e n t e n h a r n s p e k t r a l a n a l y t i s e h A l u m i n i u m naehweisen. A u e h die I m p l a n t a t i o n por6ser M e t a l l k S r p e r wird durehgefiihrt. N a e h erfolgv e r s p r e e h e n d e n A n s g t z e n m i t T i t a n b e r i e h t e t e J u d e t fiber bisher 828 t o t a l e r s e t z t e I-Ififtgelenke ans V i t a l l i u m [9, 13]. Das Bestreben, die zementfreie I n k o r p o r a t i o n zn erreiehen u n d d a b e i die physiologischen G e g e b e n h e i t e n des k n 6 e h e r n e n W i r t s l a g e r s m6glichst wenig zu gndern, bewog M a t h y s , t h e r m o p l a s t i s e h e K u n s t s t o f f e m i t anBerordentlieh giinstigen m e e h a n i s c h e n E i g e n s e h a f t e n zu benutzen. Die A n n ~ h e r u n g d e r Elastizit/itsverh/~ltnisse y o n K n o c h e n u n d I m p l a n t a t w u r d e ~ls ,,Isoelastizit/it" b e z e i c h n e t [14, 15]. D a m i t e r h o b e n sich die F r a g e n : 1. W i e r e a g i e r t der K n o c h e n a u f ein zementlos fixiertes ,,isoelastisches" K u n s t stoffimplantat ? 2. I s t eine kn6eherne I n k o r p o r a t i o n u n t e r den W e e h s e l d r u e k b e a n s p r u e h u n g e n eines Gelenkes m6glieh ? 3. Welehe biologisehe W e r t i g k e i t besitzen m6gliehe K u n s t s t o f f a b r i e b p a r t i k e l ? I)as T i e r e x p e r i m e n t sollte die B e u r t e i l u n g all dieser F r a g e n erm6gliehen a n d etwaige F e h l e n t w i e k l u n g e n aufzeigen, n a e h d e m erste Versuehe e r f o l g v e r s p r e e h e n d ersehienen [7, 18, 19].
Material und llIethode In der Versuchsreihe kamen an Werkstoffen zur Anwendung: 1. Hostadur, ein linearer Polyester auf der Basis yon PolygthylenglyeolterephthMat. 2. Hostaform C, ein Acetal-Copolymerisat aus den Grundstoffen Formaldehyd und Acethylenoxid. Diese Lagermaterialien, ltostadur als Pfanne und Hostaform C als Sehaftprothese, stellen teilkristMline thermoplastisehe Kunststoffe dar. Ihre physikalischen Eigenschaften sind denen des in der Implantatehirurgie bekannten PolySothylen ~hnlieh [14, 15]. Bemerkenswert ist der extrem niedrige Abrieb und die hohe Elastizitiit (Elastizitiitsmodul ca. 300 kp/mm 2) im Gegensa~z zu den in Anwendung stehenden MeLallimplantaten (Elastizit~itsmodul ca. 20000 kp/mm2). Bei einetn E-Modul der mensehliehen Cortiealis yon ca. 1500 kp/mm 2 ist d~mit der Kunststoff 5mal elastiseher als der Knoehen, der Knochen dagegen 10- bis 15mal elastiseher als Metall. Die Beekenprothese hatte 28 mm Augendurehmesser. Zwei seitliche Ohren erm6glichten eine Sehraubenfixation bis zur fragliehen ossS~ren Einheilung. Um die Pfannenkonvexit~t zogen zwei t~innen, um lm6chernes Einwaehsen zu erm6gliehen. Ein 10 mm langer, nach dorso-eranial ragender Pfannenzapfen diente zur Sieherung gegen Scherung und l~otation. Der Femurkopf wurde durch eine 9 em lange, 12 mm starke Endoprothese ersetzt. Der Kopfdurehmesser betrug 18 mm, im Troehanterabsehnitt verlief ein Kanal zur Aufnahme der Fixationssehraube. Diese sollte als temporgre Sieherung das Einwaehsen erm6gliehen und zugleieh dutch die Verankerung in der lateralen SehafteortieMis den Zuggurtungseffekt besitzen. Der Sehaftabsehnitt unterhalb des Prothesenkragens war yon zahlreichen halbkugeligen Vertiefungen knapp 2 mm z iibers~it, um aueh hier ein Einwaehsen yon Stiitzgewebe zu erm6gliehen (Abb. 1). Als Versu ehstiere dienten ausgewaehsene 1- bis 2j~hrige Schwarzkopfschafe mit einem Durehsehnittsgewieht yon 60 kg. Insgesamt kamen 61 Sehafe in die Versuehsreihe.
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Abb. 1. ,,Isoelastische °' Versuehs-Totalendoprothese mit deutlich erkennbaren I)fannenrinnen und Schaftvertiefungen zur Inkorporation
Zur Implantation wurde ein IIiiftgelenk von einem seitlichen Zugang aus freigelegt. Fenstern der Gelenkkapsel, Luxation des Sehenkelkopfes, Osteotomie am Schenkelhals und totale Synovektomie standen vor dem Entknorpeln der Pfanne. Bei Freiliegen der Beckenspongiosa wurden mit einem speziellen Zielger~t Vertiefungen zur Aufnahme der Pfannenohren und des Pf~nnenzapfens gefrg~Bt. Nun konnte Spongiosa in den Pfannenboden eingelegt und das Implantat in einem Winkel yon 45 ° auf die Interspinallinie mit 2 AO-Kleinfragmentsehrauben fixiert werden. Ansehliegend wurde das proximale Femurende aufgefr~igt, die Kopfprothese eingepagt und mit der Zugsehraube am Troehanter fixiert (Abb. 2). An 54 von insgesamt 63 ersetzten Hiiftgelenken wurde zusi~tzlieh auf die Femursehaftaehse eine zweite Sehraube zur Rotationssieherung eingebraeht. Reposition, Spiilung und WundversehluB waren die absehliet3enden Sehritte. Naeh Abklingen der Narkosewirkung gingen die Tiere unter roller Belastung des Implantates im Stall umher. Die Tiere warden kontrolliert, um auff~lliges Entlasten und sehwere Komplikationen frtihzeitig zu erfassen. Zur Gewinnung der Pr£parate wurden die Tiere 2 bis 51 Woehen naeh Implantation get6tet. Naeh Inspektion yon ttaut- und Weiehteilen wurde die Muskulatur abprg@ariert, das Femur entnommen und der prothesentragende Beekenteil entfernt. Naeh meehaniseher Stabilititspriifung des tmplantatsitzes wurden an den Femurprothesen die K6pfe abges~gt, um sie sph~rimetrisehen Untersuehungen zuzufiihren. Von den auf diese Weise gewonnenen Pril0araten wurden R6ntgenaufnahmen in 2 Ebenen angefertigt. Dann wurden die Prg~parate mit einer Sige zersehnitten und der histologisehen Aufarbeitung naeh Sehenk zugeftihrt [22]. Bei der T6tung der Tiere wurde gleiehzeitig mit dem kn6ehernen P r i p a r a t die Gelenkkapsel, Beeken- und Iliaeallymphknoten sowie Teile der inneren Organe (Herz, Lunge, Leber, Milz, Niere) entnommen,
Hfiftarthroplastik mit isoelastischen Totalprothesen im Tierexperiment
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Abb. 2. Kunststoffpfanne mit Schrauben fixiert, an der Femurprothese wird die Trochanterzuggurtungsschraube eingesetzt
Ergebnisse An 61 Tieren wurden 63 Hfiftgelenke total ersetzt. 4 Schafe verstarben intr~operativ bzw. unmittelbar postoperativ. Weitere 3 Tiere kamen innerhalb der ersten ¢ Tage ad exitum, sie sind den Komplikationen in Zusammenhang mit ~Narkose und Operation anzulasten. Die fibrigen 54 Tiere iiberstunden den Eingriff glatt. Infolge postoperativer Standunsicherheit sttirzten zahlreiche Tiere. Daraus resultierten Femurfrakturen, die bei 4 exzessiven Splitterungen zum frfihzeitigen Ausscheiden der betroffenen Tiere zwangen. Bei 7 Sehafen kam es fiber infizierte H£matome zu septisehen Krankheitsbildern, so dab aueh hier vorzeitiges Abt5ten unumg£nglich war. Wegen schwerer Besch~digung bei der Entnahme wurde ein Pr~parat nicht beurteilt, so daI~ schliel~lieh 44 Ersatzgelenke verblieben. Die Inspektion ergab iblgendes t~esultat: Bei 35 Tieren war die Operationswunde gut verheilt, 9 Schafe wiesen Fisteln bzw. abgekapselte Hi~matome auf. Die Bewegliehkeit der Alloplastik zeigte in 36 F/~llen keine wesentliehe Differenz zur gesunden Seite. 6 Gelenke hatten Excursionsbehinderungen his zu einem
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Drittel des Funktionsumfanges. Nur in 2 Fallen waren erhebliche Motilitiitseinschrankungen festzustellen. Letztere 8 Tiere litten unter mai~igen bis betrachtlichen Verkalkungen ihrer Gelenkskapsel. Die spharimetrische Kontrolle der FemurkSpfe konnte an keinen der zwischen 2 und 51 Wochen implantierten und belasteten Versuchsobjekte m e , b a r e Abschliffserscheinungen registrieren (diese Untersuchung erfo]gte im Labor der Fa. Mathys, Bettlach, Schweiz).
A cetabulumprothesen Makroskopisch. Bei manueller Priifnng erwiesen sich 35 dcr Pfannenprothesen als mechaniseh stabil, 9 I m p l a n t a t e waren gelockert. In 7 Fi~llcn war es zum Bruch eines oder beider Pfannenohren gekommen, trotzdem waren 5 dieser Pfannen fest eingeheilt. Radiologisch. Die RSntgenuntersuchung besti~tigte das klinische Ergebnis. Stabile Verankerung ergab eine deutliche Spongiosastruktur des Pfannenbodens, die
Abb. ]. RSntgenbild 32 Wochen postoperativ mit deutlicher Knochenleiste im Bereich der Pfannenrinne. Im Schliffradiogramm (rechts unten) die sichere oss~re Einheilung und ein stubiler Schr~ubensitz
Hiiftarthroplastik mit isoelastisehen Totalprothesen im Tierexperiment
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Konturen um den Pfannenzapfen waren scharf abzugrenzen. Als besonders bedeutungsvoll wurden oss£re Linien, konzentrisch zum Pfannenrand verlaufend, angesehen. Sic stellen den Ausdruek des knSchernen, reaktiven Anbaues im Bereich tier Verankerungsrille dar, wodurch letztlich die eigentliche Stabilit£t erreicht wurde. Diese Zeichen der sekund~ren biologischcn Verankerung beginnen sich in der Uberzahl der F~lle nach 10 Wochen darzustellen. Ab der 16. his 20. Woche sind sic regelm/~gig nachzuweisen (Abb. 3). Bei Lockerung vergndert sieh das radiologische Erscheinungsbild erheblieh. Die vorher deutliche Beekenbodenstruktur ist je nach Grad der Lockerung und Implantationsdauer unregelmS~gig his fehlend, h/~ufig ist ein zunehmender Knochenanbau zum Beckeninneren hin nachzuweisen. Auch die Pfannenzapfenkontur fehlt. Anf~nglich ist eine unseharf begrenzte VergrSgerung des Pfannenlagers auff~llig, bald finden sich Resorptionss~ume um die Sieherungsschrauben. Auch die periartikul/Lre Reaktion ist erheblich verst~rkt und vom Lockerungsgrad abh/~ngig. Diese beiden differenten Verlaufsformen werden dutch die Schliff-Radiographie verdeutlicht : Kurz nach dem Eingriff erkennt man den scharf markierten Grenzrand der Beckenspongiosa zum Implantat hin. 6 Wochen postoperativ ist bei Stabilit/i~t eine Verst/~rkung reaktiver Anbauten im Bereich der Pfannenrillen zu beobachten. ttier bildet sich eine kn6cherne Leiste, die ab der 14, bis 16. Woche im wechselnd starken Mage regelm/~gig ausgebildet ist. Im Sp/~tstadium der Implantation ist in mindestens eine der beiden Pfannenrillen eine solide Knochenleiste eingewachsen. Das iibrige Wirtslager bildet eine kompakte Zone hin zur Prothese (Abb. 3). Liegt eine Lockerung vor, zeigt sich schon bald naeh der Implantation um die Pfanne ein st/~rkerer kontrastloser Saum. Mit zunehmender Dauer verbreitert sieh diese Zone, die bis zum v611igen Schwund der Beckenspongiosa gehen kann. Reaktive oss/~re Neubildungen fehlen.
HistologiscA zeigt sich nach 14 bis 20 Tagen die Ausbildung yon osteoidem Geflechtsknochen, stabile VerhgJtnisse vorausgesetzt. Beckennah und an den Stellen der Pfannenrillen hat sich ein loekeres, zellreiches Gewebe gebildet, an der Grenze zum Kunststoff hin liegt eine einschichtige Reihe endothelartiger Zellen. Dort, wo das Knochenlager dem Implantat nahe komrat, beginnen sich entsprechend der Beanspruchung Faserziige auszubilden. In den ngchsten 8 bis 10 Wochen entstehen Kollagenbiindel mit wechselndem Faserverlauf, deren Urspriinge aus dem Knochen ahnlich den Sharpeyschen Fasern sind. Ihr Verlauf ist seherengitterbzw. arkadenf6rmig. Ist der Pfanneneinban abgeschlossen, zeigt sieh folgendes Bild: Der ehemalige Geflechtsknochen am Pfannenboden und in den Rillen hat sich in lamell~ren Knochen umgewandelt und reicht stellenweise an das Implantat heran (Abb. 4). Diesen knSchernem Acetabulum aufgelagert finder sich eine durehschnittlich 150 ~ dicke Bindegewebsschicht, deren Ziige sich in allen Richtungen des Raumes durchflechten (,,Druckarkaden") (Abb. 5). Liegt Instabilit~tt vor, kommt es ebenfalls zur Ausbildung einer Bindegewebsschicht zwischen Implantat und Knoehen, ihre St~rke h~ngt jedoch vom Instabilit~tsgrad ab. Beckennahe zeigt sieh Knochenabbau, implantatnahe eine zellreiche Gewebszone.
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G. Muhr et al.
Abb. 4. Ausbildung der knSchernen Verankerungsleisten an der Pfannenprothese nach 3, 32 und sehlieBlieh 51 Woehen mit lamellS~ren Knochen
Abb. 5. Fibr6ses Puffergewebe (,,Druckarkaden") zwischen Implantat und Beckenknochen im polarisierten Licht
F emurprothese Malcroslcopisch. Die an der Pf~nne durchwegs befriedigenden Stabilit/~tsverh/~ltnisse waren am Sch~ffemur nicht reproduzierbar. Bei manueller Prtffung des Sitzes stellte sich heraus, dab von 44 Implantaten nur bei 11 K6rpern eine mechanisch feste Verankerung gefunden wurde. Die verbleibenden 33 Kopfprothesen waren allesamt gelockert.
Radiologisch. Klinisch stabile Endoprothesen imponierten am fJbersichtsbild durch einen zarten Sklerosesaum knapp um den Prothesenstiel. Eine solide Abstiitzung am Prothesenkragen konnte infolge periostaler Auflagerungen nieht eindeutig gesiehert werden. I m Schaftbereich zeigten sich segmentale Knochenmanschetten mit zahlreichen Lamel]en, die sich zur CorticMis hin absttitzten.
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(b) Abb. 6a u. b. Stabile Femurprothese 8 Woehen naeh Implantation mit deutlicher Knoehenreuktion im Sehliffradiogramm (a). Ebenso stabiles Einheilen einer anderen Prothese naeh 10 Woehen trotz Femurfraktur (b) Disseminierte kleine Knochenherde sind den Oberfl/ichenvertiefungen des Prothesenstieles zuzuordnen. Lag ide~le Formschliissigkeit zwisehen I m p l a n t a t und Markh6hle vet, blieb die temporiire Sehraubenfixation intakt (Abb. 6). Stabil blieben aueh jene Sehrauben, deren tragendes Femur frakturierte. Hier geniigte die Zeitspanne der notgedrungenen Sehonung und Entla.stung bis zur Einheilung. I n der Mehrzahl der F£11e kam es jedoch zu fast skurrilen Verbiegungen und Schraubenbriichen, ohne dab daraus ein SchluB auf die spatere Stabilit~t gezogen werden konnte. Die Ver~nderungen am Knochen, in Vergleieh zwischen Stabilit/it und Lockerung, differieren radiologisch nicht in ihrer Verlaufsform, wohl aber im Erscheinungsbild. Ausbildung und Aufb~u des Stiitzgewebes um den Prothesenstiel entsprechen weitgehend den Phasen bei stabiler Inkorporation, different ist nut der deutlich breitere, bindegewebige H o f um den Stiel uncl die unverkennbaren Umbauvorg/~nge an der Cortiealis. Histologi~'ch. An stabilen I m p l a n t a t e n wurde 6 Wochen naeh dem Eingriff die endostale Ausbildung von Gefleehtsknoehen gefunden, An der Schaftoberflii.ehe zeigt sieh stellenweise eine periostale Reaktion. Zwischen der 16. und 24. Woehe werden zunehmend Cortiealislamellen angebaut, die sich konzentriseh um den Prothesenstiel anordnen, wobei senkreeht verlaufend Abstiitzstreben entstehen (Abb. 7). In der bisher dichten lamell~ren Sehaftstruktur entstehen stellenweise Umbauzonen. Diese ge~nderten Festigkeitsverh£1tnisse werden durch den Aufban endostaler und periostuler Manschetten zu kompens~eren versueht. Selten zeigen sieh oss£re Neubildungen, die den Vertiefungen der Prothesenoberfl~ehe folgen. I m Spiitstadium, 40 his 51 Woehen postoperativ, ist die Prothese veto Knoehen durch eine 200 bis 500 b~ starke Bindegewebszone getrennt. ])as Bindegewebe ist, wie am Becken, aus einer Fasersehieht aufgebaut, wobei an den Prothesenkanten, deft we I m p l a n t a t und W]rtslager eng benachbart liegen, Knorpel-
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Abb. 7. Knochenlamellen um den Prothesenschaft 24 Wochen postoperativ. In einer Schaftvertiefung liegt neugebildeter Verankerungsknochen (Pfeile)
polster zu finden sind. Bei Instabilit/~t zeigt sieh histologiseh eine biologisehe Wirtslagerreaktion, die gegenfiber dem vorherigen mehr quantitativ als qualitativ abweieht. Bald zeigen sieh an der Corticalisinnenfl/~che resorptive Vorg~nge, stellenweise bildet sich noch geflechtartiger Knochen. Aueh periostal zeigt sich Knoehenneubildung, die im Gegensatz zur Stabilit/~t die gesamte Schaftzirkumferenz erfaBt. Ungleich breiter ist der Kollagensaum, der zum Stiel hin an Faserdiehte verliert und in seiner Gesamtgefiigestruktur aufgelockert erseheint.
Gelenkkapsel Makroskopisch. Nach
totaler Synovektomie haben sieh wieder neue Kapseln gebildet. Diese in ihrer St/~rke schwankenden Regenerate zeigen bei mehreren Tieren herdfSrmige Verkalkungen. Histologisch. Mikroskopisch entspricht der Aufbau des Regenerates dem normalen Kapselgewebe mit straffen kollagenen Fasern untersehiedlieher Dichte. I m fibrSsen Bindegewebe wie in der Synovialis finden sich yon Tier zu Tier wechselnde, unterschiedlich starke Ablagerungen yon Kunststoffsplittern. Bei TeilchengrSBe yon fiber 100 Ez sind diese in lamell£re Bindegewebsmembranen eingebettet. Kleinere Kunststoffteilehen finden sich in selten vorkommenden FremdkSrperriesenzellen, Splitter in tier GrSgenordnung yon 10 ~z und darunter werden yon Makrophagen gespeiehert. Rundzel]enfi]trate, wie sie ehronischen Entzfindungen entsprechen, wurden nieht angetroffen.
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Lymphknoten und inhere Organe 1 Makroskopisch. Bei Inspektion der Lymphknoten und der inneren Organe unmittelbar naeh T6tung der Tiere fanden sieh in allen Fallen die regiongren Lymphknoten gegeniiber der niehtoperierten Seite deutlieh vergr613ert. All die anderen Lymphknoten und die inneren Organe waren makroskopiseh unauffi~llig. Histologisch. Die Beekenlymphknoten der betroffenen Seite enthielten in der Regel in ihrem Rindensinus herdfSrmige Ansammlungen von Zellen mit sehaumigem, hellen Cytoplasma (Uferzellen). In polarisiertem Licht zeigen sich hier in der Menge differierende Ablagerungen kleinster, um 10 ~ messender, doppelbreehender Partikel, die Kunststoffteilehen entspreehen. Bei wenigen Versuehstieren war es dariiber hinaus zu Ablagerungen yon Prothesenmaterial in die Uferzellen paraaortaler Lymphknoten gekommen. Dies entsprieht nieht der l~egel und steht auch nieht rail der Dauer der Implantation in Zusammenhang. An allen iibrigen Lymphknoten und inneren Organen finden sich keine implantationsabh/ingigen Vergnderungen. Diskussion
An vorderer Stelle der Verankerungsfrage steht die das Implantat umgebende Bindegewebskapsel. 1st diese Grenzsehieht als Fremdk6rperreaktion [26] oder vielmehr als biologiseher Ansgleieh in der Kraftiibertragung versehiedener meehaniseher Medien [7, 8, 25] aufzufassen ? Die Frage der Verankerung isoelastischer Implantate lieg sich im Tierversueh weitgehend kl/~ren. Aufgrund der Ergebnisse an den Actabulumprothesen kann auf eine dauerhafte Verankerung gesehlossen werden. Das his auf wenige Ausnahmen unbefriedigende Ergebnis an den Femurendoprothesen ist dutch die ungiinstige Anatomie der Sehaffemora zu erkl£ren. Unmigverst/indlieh stellte sieh die Reaktion des kn6ehernen Lagergewebes dar. In jedem Fall kam es zur Ausbildung einer Bindegewebspufferzone zwisehen Prothese und Knochen. Stabilit£t und Instabilit/~t unterseheiden sieh dureh die Saumbreite. An meehaniseh festen Teilen lag die Dieke dieser Zone bei 150 B, n/~her heranreiehender Knoehen wurde meist abgebaut, an weiten S/iumen zeigte sieh eine osteogene l~eaktion. In der Bindegewebssehicht fehlten rundzellige Elemente oder Fremdk6rperriesenzellen, wodureh ein entziindliehes Gesehehen auszusehliegen ist. Lag eine Infektion vor, konnten diese Zellen histologiseh naehgewiesen werden. Ursprung und Verlaufsriehtung der kollagenen Faserelemente erinnern deutlieh an den Meehanismus des Zahnhalteapparates mit seiner 1Jbertragung des enormen Kaudruekes vom harten Zahn anf die diinne Alveole. Im Versueh folgt der Knoehen den Oberflitehenvertiefnngen des Implantates bis in den Bereieh der die Osteogenese st6renden Kr/ifte. Dort bildet sieh ein Kollagengiirtel aus, der gut belastbar, fiir eine ausgleiehende Druekiibertragung Sorge tr£gt. Dies erkl/~rt aueh den Umbau der Sehafteortiealis, der damit geradezu notwendig erscheint [27]. Der Kraftflul3 liegt ja nieht mehr im Knoehen selbst, sondern er wird, verteilt auf die groBe Prothesenoberfl/iehe, auf das oss/~re Wirtslager iibertragen. Daraus erfolgt gezwungermagen die typisehe Umstrukturierung [8, 20, 25]. 1 Die Beurteilung wurde yon Prof. Dr. Kief und Dr. P/ischner, Forschungsabteilung der Fa. Hoechst, vorgenommen.
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Folgende Schlfisse sind zu ziehen: 1. Ein mechanisch-stabiles IJmwaehsen isoelastiseher Kunststoffimplantate ist m6glieh. 2. Der Lagerknoehen folgt der Prothesenoberfl~ehe in Verankerungsrillen, die Kraftiibertragung erfolgt jedoeh fiber eine kollagene Grenzzone. 3. Eine Wiederherstellung der biologisehen Kraftfibertragung ist mit keinem Prothesenmodell m6glieh. Der Druek wird fiber die Implantatoberfl/~eh¢ verteilt und dureh das fibr6se Puffersystem ged/~mpft auf das Knoehenbett iibertragen. Umbauvorg/inge sind daher unabwendbar. 4. Um jedoeh hinsiehtlieh yon Stabilit/~t und Verankerung ein 0ptimales Resultat zu erzielen, sind folgende Konditionen notwendig: a) Biomeehaniseh gfinstige Formgebung der Implantate (absolute Formsehlfissigkeit im Wirtslager, breiter Prothesenkragen). b) Ann/iherung der Werkstoffelastizit/~t an die des Knoehens, um die Umbauvorg/£nge zu limitieren. e) Ausgefeilte Operationsteehnik und sorgf/tltige Naehbehandlung. Eine der weiteren Zielsetzungen war die Prfifung der meehanisehen Eigensehaften bestimmter Werkstoffe unter den Weehselbeanspruehungen eines grogen Gelenkes. Dutch die Fusionierung zweier Kunststoffe, in der vorliegenden Serie Acetalharz und Polyester, konnte der Reibungskoeffizient weiter gesenkt und die Versehleigrate erniedrigt werden. Da die mechanisehen Eigensehaften des Polyester bekannt waren, interessierte vor allem der VersehleiB des Aeetalharzes. Naeh sph/irimetrischer Kontrolle der Zirkumferenzen konnte nach 51 Woehen an stabil wie instabil verheilten Femurimplantaten kein mel~barer Abrieb gefunden werden. Ein weiterer Vorteil der neuen elastisehen Konzeption zeigte sieh am Femurstiel. In keinem Full braeh die Prothese, aueh wenn bei unsieherer Fixation der proximalen Implantath&lfte die Spitze umwaehsen war. Gerade dieses Problem belastet die Sp/~tresultate herk6mmlieher Prothesen im zunehmenden Mage. Aueh dem periartikul/iren Gewebe ist entspreehende Aufmerksamkeit zu sehenken. Die im polarisierten Lieht untersuehte Gelenkskapsel 1/£13t das Vorhandensein doppelbreehender Kunststoffsplitter erkennen. Die Weiehteilreaktion darauf ist jedoeh auBerordentlich milde, Nekrosen fehlen ganz. Um das Nahtmaterial sind wesentlieh st/~rkere Reaktionen zu finden. Weiter sprieht gegen eine bedenkliehe Versehleppung der Abriebprodukte in den Organismus die alleinige Vergr6gerung der region/iren Lymphknoten. Der seltene Naehweis der Speieherung im paraaortalen Knoten kann mit einer direkten LymphabfluBbahn aus dem Hfiftgelenk in diese Region erkl/irt werden. Die I-Iistologie zeigt neben den geringen Fremdk6rperspeieherungen die vermehrte Ausbildung von IJferzellen im Sinne eines Sinuskatarrhs. Alle anderen Lymphknoten und die inneren Organe der Tiere waren frei yon implantatbedingten Auff/£11igkeiten.
Schlullfolgerung und klinische Aspekte Die zunehmende Zahl an Sp/ttkomplikationen infolge der bekannten Naehteile des Knoehenzementes erzwingen neue Wege in der Hfiftalloarthroplastik. Die M6glichkeit einer dauerhaften Implantation ohne Zementverankerung w&re ein
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Abb. 8. ,,Isoelastischc'° Humanprothese in situ. Exakter Abschlufi am Prothesenkragen bei idealer Formschlfissigkeit
Ausweg. Werkstoff, M e c h a n i k u n d biologische W e r t i g k e i t der isoelastischen K u n s t stoffk6rper b i e t e n sich als folgerichtige u n d auffiillige A l t e r n a t i v e n an. Vor allem an der O r t h o p ~ d i s c h e n Universit~itsklinik Basel [17], a b e r much a n unserer K l i n i k w u r d e zwischenzeitlich eine gr6Bere A n z a h l isoelastischer Totalp r o t h e s e n in H u m a n g e l e n k e i m p l a n t i e r t . A b g e s e h e n y o n f a b r i k a t i o n s t e c h n i s c h e n M/ingeln einer kleinen I m p l a n t a t z a h l d e r ersten P r o t o t y p e n , die zur R e i n t e r v e n t i o n zwangen, sind die Ergebnisse bisher in klinischer u n d radiologischer Hinsicht als erfolgversprechend u n d r i c h t u n g s w e i s e n d anzusehen, wenn much d e r Beo b a c h t u n g s z e i t r a u m noch zu gering erscheint (Abb. 8).
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