Vergleichende biomechanische Analyse mineralischer Knochenzemente zur knöchernen Defektauffüllung am Tibiakopf

• Antragstellerin: Professorin Dr. Stefanie Hölscher-Doht
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317685773

Tibiakopffrakturen umfassen 10 % aller Frakturen der Alterstraumatologie. Durch den metaphysären Knochenverlust treten häufig Impressionsfrakturen insbesondere des lateralen Tibiaplateaus auf. Diese Frakturen bedürfen oft einer operativen Therapie mit Reposition des gelenktragenden Impressionsfragmentes, wonach typischerweise ein metaphysärer Knochendefekt verbleibt. Um den postoperativen Belastungen stand zu halten bedarf es sowohl einer stabilen osteosynthetischen Versorgung als auch einer Defektauffüllung mit Knochenersatzmaterialien. Eine Spongiosaplastik vom Beckenkamm ist bei älteren Patienten aufgrund der fettigen Degeneration des Knochenmarks nicht erfolgsversprechend. Zwar weisen die verfügbaren Calciumphosphatzemente eine hohe Festigkeit bei axialen Belastungen auf, sind jedoch nicht bohrbar. Ein bohrbares Knochenersatzmaterial hat den Vorteil, dass die Auffüllung des Defektes zuerst vorgenommen werden kann und erst anschließend die Schrauben gesetzt werden können. Dadurch wird insbesondere der obere Anteil der Defekthöhle direkt unterhalb des Impressionsfragmentes vollständiger aufgefüllt, als wenn die zuerst gesetzten Schrauben die Verteilung des Zementes im gesamten Defekt verhindern. Neue dual-härtende und/oder faserverstärkte Calciumphosphat- und Magnesiumphosphatzemente mit bohrbaren Eigenschaften stellen vielversprechende Neuentwicklungen dar. Insbesondere Magnesiumphosphatzemente zeigen eine hohe Festigkeit nach kurzer Abbindezeit und sind in ihren rheologischen Eigenschaften besser steuerbar als die Calciumphosphatzemente. In dem hier vorliegenden Antrag sollen neue mineralische Zemente auf Magnesiumphosphat- und Calciumphosphatbasis den etablierten Zementen gegenübergestellt werden. Nach einer ersten Basischarakterisierung mit biomechanischer Überprüfung der Druck- und Biegefestigkeit werden die Zemente am Tibiakunstknochen allein zur Defektauffüllung und mit einer etablierten Schraubenosteosynthese getestet. Anschließend erfolgt die Optimierung der Eigenschaften der Zemente durch Modifikation der Polymilchsäure-co-glycolsäure (PLGA) Verstärkungsfasern, der Länge der Fasern und des 2-Hydroxyethylmethacrylat (HEMA) - Gehalts. Im Tibiakopffrakturmodell werden die verbesserten Zemente und die reinen keramischen Calciumphosphatzemente in Kombination mit etablierten Osteosynthesen am Tibiakopf biomechanisch analysiert. Dabei werden sie einer axialen zyklischen Belastungsphase, die einer typischen postoperativen Teilbelastung entspricht, und einer maximalen Belastungsphase in der Materialprüfmaschine Zwick Roell Z020, Ulm, Deutschland, unterzogen. Die erfolgversprechendsten Gruppen werden zuletzt am humanen Knochen überprüft. Kernhypothese dieses Antrags ist, dass modifizierte Magnesiumphosphatzemente (mit Faserverstärkung und Polymerphase) sich biomechanisch besser als Knochenersatzmaterialien im Verbund mit Osteosynthesen eignen als rein keramische Calciumphosphatzemente.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Uwe Gbureck