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Licensed Unlicensed Requires Authentication Published by De Gruyter March 17, 2008

Anwendung eines Bandscheibenersatzimplantats aus einer neuartigen porösen TiO2/Glas-Keramik – Teil 2: Biomechanische Untersuchungen nach Implantation in die Schafs-Halswirbelsäule / Application of a Stand-Alone Interbody Fusion Cage Based on Porous TiO2/glass Composites – Part 2: Biomechanical Evaluation after Implantation in the Sheep Cervical Spine

M. C Korinth, T Hero, T Pandorf and D Zell
From the journal

Abstract

Zur Beurteilung des radiologischen, biomechanischen und histologischen Einwachsverhaltens neuer Materialien, Implantate und Cages für die zervikale interkorporelle Fusion, bieten sich Tiermodelle und hier insbesondere das Schafs-Halswirbelsäulenmodell an.

Nachdem in biomechanischen In-vitro-Versuchen an humanen Kadaver- Halswirbelsäulen erste Erfahrungen hinsichtlich der Primärstabilität eines Cage aus einer neuartigen, porösen TiO2/Glas-Keramik (Ecopore) im Vergleich zu Polymethylmethacrylat (PMMA) gewonnen wurden, fusionierten wir im ersten Teil unseres In-vivo-Versuchs 10 Schafs-Halswirbelsäulen in den Höhen C2/3 und C4/5 jeweils mit PMMA und einem Ecopore-Keramik-Cage und führten radiologische Verlaufsuntersuchungen während der folgenden 2-4 Monate durch. Die bisher festgestellten morphologischen Veränderungen im Sinne einer Einsinterung der Implantate, einer signifikanten Kyphosierung der Segmente und einer radiologisch beurteilbaren Fusion, sollen in diesem zweiten Teil biomechanisch evaluiert und in Bezug dazu interpretiert werden.

20, entweder mit einem Ecopore-Cage oder durch PMMA-Interposition fusionierte Schafshalswirbelsäulensegmente, sowie 10 native Segmente der Höhen C2/3 und C4/5 wurden nach Einbettung biomechanisch in Flexion/Extension, lateraler Biegung und axialer Rotation in einem speziellen Wirbelsäulenbelastungssimulator untersucht. Die resultierende dreidimensionale „Range of Motion“ (ROM) wurde durch ein Bewegungsanalysesystem auf Ultraschallbasis bestimmt. Bei den biomechanischen Messungen der nativen Schafshalswirbelsäulensegmente C2/3 und C4/5 zeigt sich, dass die ROM insgesamt in kranio-kaudale Richtung zunimmt, besonders ausgeprägt in Flexion/ Extension, weniger stark in lateraler Biegung und axialer Rotation (p<0,05). Das gesamte Bewegungsausmaß ist in beiden untersuchten Höhen in lateraler Biegung am größten, in Flexion/Extension um die Hälfte auf 52% reduziert und in axialer Rotation beträgt es noch 16% der ROM in lateraler Biegung. Nach 2 Monaten zeigen die Segmente der Höhen C2/3 und C4/5 mit Palacos-Interposition in lateraler Biegung und die Segmente der Höhe C2/3 mit Ecopore-Implantat in lateraler Biegung eine Abnahme der ROM im Vergleich zu den nativen Ausgangsmessungen im Sinne einer zunehmenden Versteifung. Demgegenüber sind alle nach 4 Monaten biomechanisch untersuchten Segmente, unabhängig von der Höhe oder dem implantierten Material „steifer“ als die entsprechenden nativen Vergleichssegmente. Die Abnahme der Beweglichkeit des Segments, d.h. die Zunahme der Steifigkeit korreliert deutlich mit dem radiologisch-morphologischen Fusionsgrad.

Unsere Untersuchungen mit einer neuartigen, porösen TiO2/Glas-Keramik als Bandscheibenersatzimplantat haben bei der Anwendung in der Schafshalswirbelsäule neben einem zufriedenstellenden radiologischen Einwachsverhalten auch eine deutliche Sekundärstabilität mit Fusion und Versteifung der Segmente nach 4 Monaten im Vergleich zu PMMA gezeigt. Nach der histologischen Auswertung der Grenzflächen sind weitere Untersuchungen vor dem Einsatz dieses Biomaterials als Alternative zu gebräuchlichen Cages beim Menschen nötig.

 

Animals are becoming more and more common as in vivo models for the human spine. Especially the sheep cervical spine is stated to be of good comparability and usefulness in the evaluation of in vivo radiological, biomechanical and histological behaviour of new bone replacement materials, implants and cages for cervical spine interbody fusion. In preceding biomechanical in vitro examinations human cervical spine specimens were tested after fusion with either a cubical stand-alone interbody fusion cage manufactured from a new porous TiO2/glass composite (Ecopore) or polymethylmethacrylate (PMMA) after discectomy. Following our first experience with the use of the new material and its influence on the primary stability after in vitro application we carried out fusions of 20 sheep cervical spines levels with either PMMA or an Ecopore-cage, and performed radiological examinations during the following 2-4 months. In this second part of the study we intended the biomechanical evaluation of the spine segments with reference to the previously determined morphological findings, like subsidence of the implants, significant increase of the kyphosis angle and degree of the bony fusion along with the interpretation of the results.

20 sheep cervical spines segments with either PMMA- or Ecoporefusion in the levels C2/3 and C4/5 were tested, in comparison to 10 native corresponding sheep cervical spine segments. Non-destructive biomechanical testing was performed, including flexion/extension, lateral bending and axial rotation using a spine testing apparatus. Threedimensional range of motion (ROM) was evaluated using an ultrasound measurement system.

In the native spine segments C2/3 and C4/5 the ROM increased in cranio-caudal direction particulary in flexion/extension, less pronounced in lateral flexion and axial rotation (p<0,05). The overall ROM of both tested segments was greatest in lateral flexion, reduced to 52% in flexion/extension and to 16% in axial rotation. After 2 months C2/3- and C4/5-segments with PMMA-fusion and C2/3-segments with Ecoporeinterposition showed decrease of ROM in lateral flexion in comparison to the native segments, indicating increasing stiffening. However, after 4 months all operated segments, independent from level or implanted material, were stiffer than the comparable native segments. The decrease of the ROM correlated with the radiological-morphological degree of fusion.

Our evaluation of the new porous TiO2/glass composite as interbody fusion cage has shown satisfactory radiological results as well as distinct biomechanical stability and fusion of the segments after 4 months in comparison to PMMA. After histological analysis of the bone-biomaterial-interface, further examinations of this biomaterial previous to an application as alternative to other customary cages in humans are necessary.


*Priv.-Doz. Dr. med. Marcus C. Korinth, Neurochirurgische Klinik, Universitätsklinikum der Rheinisch Westfälischen, Technischen Hochschule Aachen, Pauwelsstr. 30, 52057 Aachen, Deutschalnd, Tel.: +49(241)8088490, Fax: +49(241)8082420

Published Online: 2008-03-17
Published in Print: 2005-04-01

© Walter de Gruyter

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