Comparative investigations for evaluating the osseous fixation of orthopedic implants

Im Knochengewebe stellt die Matrixmineralisation die Basis für die Entwicklung mechanischer Kompetenz dar. Durch das Zusammenwirken von mineralisierter Masse, dem morphologischen Aufbau und dem Grad der Mineralisation gewinnt der Knochen an Qualität, die das Kriterium für die Frakturresistenz bildet. Durch die Kombination von Struktur-, Festigkeits- und Mineralisationsanalysen soll die Frage beantwortet werden, welchen Einfluss der Mineralisationsgrad für sich und in kollektiver Wirkung auf die Knochenqualität hat. Die Ergebnisse sollen zeigen, wie sich die Knochenqualität im Altersverlauf unter Berücksichtigung des Geschlechts darstellt und welchen Einfluss orthopädische Implantate auf das Mineralisationsprofil im periprothetischen Knochen haben. Analysen an gepaarten Beckenkammbiopsien, die zur prospektiven Therapiekontrolle entnommen wurden, sollen darlegen, ob sich die Qualität des Knochengewebes unter Therapie verändert und ob sich aus den Behandlungen standzeitverlängernde Effekte nach Endoprothesenimplantation ableiten lassen. Zur Analyse der Struktur, Festigkeit und Mineralisation bei Kontrollfällen und Fällen mit Totalendoprothese dienten 84 Autopsiefälle. Im Therapieverlauf unter Bisphosphonaten und Strontiumranelat wurden 60 Beckenkammbiopsien von Patienten mit manifestierter Osteoporose untersucht. Alle Knochenproben wurden zu unentkalkten histologischen Präparaten aufgearbeitet. Das Mineralisationsprofil dieser Knochenproben wurde durch die Auswertung quantitativer Rückstreuelektronen, protoneninduzierter Röntgenemission, Mikroröntgenfluoreszenz und energiedispersiver Röntgenspektroskopie analysiert. Die Bildanalysesyteme Osteomeasure™, Ibas Kontron™, NIH ImageJ™ dienten zur statischen histomorphometrischen Auswertung der Knochenstruktur- und Zellparameter sowie zur Charakterisierung von Implantatabrieb. Festigkeitsparameter wie Elastizitätsmodul, Bruchlast, Streckgrenze, Bruchspannung, Biegesteifigkeit und Energieabsorption wurden durch Materialprüfung singulariserter Trabekel im 3-Punkt-Biegeversuch erhoben. Die kombinierte Analyse der biomechanischen Kennwerte und der Mineralisation zeigt, dass die Knochenstabilität nicht nur von Veränderungen der Knochenmasse und Trabekelarchitektur abhängt, sondern darüber hinaus von Grad und Homogenität der Mineralisierung. Die Analysen belegen, dass bei einer geringen Bandbreite von Kalziumkonzentrationen in den individuellen Knochen- Umbaueinheiten ein homogen mineralisierter Knochen vorliegt, der hohe Festigkeitswerte aufweist. Bei weiblichen Patienten >70 Jahre erhöht sich der Knochenumbau, welches in einem niedrigeren Mineralisationsgrad und inhomogeneren Mineralisationsprofil resultiert. Ein vergleichbarer Effekt tritt nach der Implantation von Totalendoprothesen auf, da der Umbau im periprothetischen Knochen durch die Reaktion auf Implantat-Abriebpartikel und „stress shielding“ verändert wird. Die Analyse des periprothetischen Gewebes zeigt, dass die Legierungskomponente Kobalt (Co) in einer mittleren Konzentration von bis zu 413 ppm in die mineralisierte Matrix inkorporiert werden kann. Dabei zeigt die Co-Konzentration eine Lokalisationsabhängigkeit sowie eine Relation zur Standzeit der Prothese. Eine Störung des lamellären Matrix-Aufbaus konnte durch die Deposition des Schwermetalls Co nicht nachgewiesen werden. Die Deposition von Bisphosphonaten und Strontium in die Matrix hat dagegen Einfluss auf das Mineralisationsprofil des Knochens von therapierten Patienten. Nach 36-monatiger Bisphosphonattherapie zeigt sich ein reduzierter Umbau mit Inhibierung der Osteoklastenfunktion und einem konsekutiven Anstieg der Knochenmineraldichte. Eine 12-monatige Therapie mit Strontiumranelat nach stattgehabter Bisphosphonat-Therapie führt zur Substitution/Adsorption des schwereren Elementes Strontium in die Matrix. Unter dieser Therapie wird eine Aktivitätssteigerung der Osteoblasten bei anhaltender Repression der osteoklastären Aktivität nachgewiesen. Die Auswertung der Rückstreuelektronenintensitäten des Knochens von mit Strontiumranelat-therapierten Patienten zeigt, dass eine erhöhte Deposition des schwereren Strontiums in neu gebildete Umbaueinheiten zu einem homogenen Mineralisationsprofil beiträgt. Zusammenfassend zeigen die durchgeführten Untersuchungen, dass das Frakturrisiko bei manifestierter Osteoporose und/oder die feste Verankerung von Implantaten von einem ausbalancierten Umbaustatus des Knochens abhängig ist. Eine negative Balance des Remodeling mit gesteigerter Aktivität der Osteoklasten führt zur Resorption biomechanisch relevanter Knochenmasse. Aber ein erhöhter Knochenumbau mit vielen aktiven Umbaueinheiten führt auch zu einem inhomogenen Mineralisationsprofil und einer ungünstigen Scherspannungsverteilung. Die Gabe von antiresorptiven und/oder osteoanabolen Medikamenten kann zur Verbesserung der Knochenqualität führen; sie sollte jedoch nach Kenntnis des bestehenden Umbaustatus erfolgen, um Frakturrisiken gezielt zu senken oder die ossäre Fixation von Endoprothesen zu fördern.Mineralization of the bone matrix provides the basis for bone’s mechanical strength. The interplay of mineralized bone mass, morphological shape and the degree of mineralization determine bone quality. The latter is defined as the effects of characteristics of bone that influence bone's ability to resist fracture. The various analyses of bone structural parameters, material properties and mineral distribution in this study were designed to provide insight into the effect that the degree of mineralization has on bone quality. The investigations of autopsy material should contribute to our understanding of how bone quality changes in a sex- and age-dependent manner, and how orthopedic implants affect periprosthetic bone tissue. Moreover, paired iliac crest biopsies taken from patients undergoing prospective osteoporosis treatment were analyzed to investigate whether the patients’ bone quality changed while undergoing bisphosphonate and/or strontium ranelate therapy, and to determine whether these effects could be transferred into a method that prolongs the lifetime of implanted endoprostheses. Analyses of bone structure, bone strength and matrix mineralization were carried out on bone samples taken from 84 cases due to full autopsy. During the patients’ prospective treatment for osteoporosis 60 bone biopsies were obtained for the investigation. All biopsies were prepared as undecalcified bone specimens. The bone mineral distribution was assessed by quantitative backscattered electron imaging, proton induced X-ray emission, micro-X-ray-fluorescence and energy dispersive X-ray microanalysis. The image analysis systems Osteomeasure™, Ibas Kontron™ and NIH ImageJ™ were used to evaluate static bone and cell histomorphometry, as well as to characterize abrasive wear debris. The bone samples’ material properties, such as Young’s modulus, fracture load, yield strength, ultimate stress, work to failure and bending stiffness were determined using three- point bending tests of singularized trabeculae. When considered together, the analyses of the bone samples’ biomechanical properties and bone mineral density distribution showed that the bones’ stability depends not only on bone mass and microarchitecture, but also on the degree of mineralization. In particular, the homogeneity of mineralization plays a decisive role on bone quality. The findings proved that congeries of individual bone packets or BSUs (Basic Structural Units) with a slender calcium width represent homogenously mineralized bone with improved material properties. Bone turnover increases in females over 70 years of age, and coincides with decreased mean calcium content and increased inhomogeneous bone mineralization. A comparable effect occurs following the implantation of orthopedic implants, which results from the remodeling of periprosthetic bone tissue due to “stress shielding” and the consequences of wear debris. Analyses of periprosthetic bone revealed that the implant alloy component cobalt (Co) was incorporated into the bone in concentrations of up to 413 ppm that were dependent on the implantation period and the localization of measuring fields near the implant. In these cases, neither a deterioration of bone mineralization, nor lamellar structure impairment due to cobalt uptake was observed. In contrast, a significant relationship was observed between the uptake of osteoporosis treatment agents (bisphosphonates and strontium (Sr)) and the bone remodeling’s influence on the bone’s mineralization profile. Bisphosphonate treatment for 36 months decreased bone turnover by inhibiting osteoclast function, which resulted in increases in bone mineral density. Treatment with strontium ranelate for 12 months following bisphosphonate therapy leads to substitution/adsorption of the element strontium, which has a higher atomic weight than calcium, into the bone matrix. Moreover, this treatment option resulted in an increase in osteoblast activity in addition to a prolonged suppression of osteoclast activity. The evaluation of quantitative backscattered electron images from strontium ranelate treated bone revealed that increased Sr deposition had occurred in newly formed bone, and may lead to a more homogeneous mineralization profile. In conclusion, these analyses have demonstrated that the fracture risk attributed to clinically manifested osteoporosis and/or the risk of implant loosening is offset by well-balanced bone turnover.A negative balance in bone remodeling, which is caused by an increase in osteoclast activity,leads to the resorption of biomechanically relevant bone mass. However, increases in bone turnover involving several active bone packets lead to an inhomogeneous mineralization profile, which results in an adverse distribution of shear stress within single trabeculae. The administration of antiresorptive and/or osteoanabolic agents lead to improvement of bone quality, though the present bone turnover should be considered in order to minimize fracture risk or to support the osseous fixation of endoprostheses