Arch. orthop. Unfall-Chir. 90, 15--27 (1977)

Archiv for orthop dische und UnfalI-Chirurgie © J.F, Bergmann Verlag 1977

Vergleichende experimentelle Untersuchungen an Bioglas (L. L. Hench)*, Al203-Keramik und mit mod. Bioglas beschichteter Al203-Keramik I. Ergebnisse mit unbelasteten Implantaten

P. Griss ], E. Werner I, G. Heimke 2 und R. Buchinger ] Orthop~idische Klinik Lindenhof (Direktor: Prof. Dr. G. Jentschura), Fakult~it ffir Klinische Medizin Mannheim der Universit~it Heidelberg, Meerfeldstral3e 69, D-6800 Mannheim I, 2Friedrichsfeld GmbH, Postfach, D-6800 Mannheim 51, Bundesrepublik Deutschland

Comparative Experimental Investigations with Bioglass (L. L. Hench), Al203Ceramic and Al203-Ceramic Coated with a Mod. Bioglass I. Results of Experiments under Non-Loaded Conditions Summary. This report deals with comparative results obtained with unloaded intra-osseous implants of bioglass (L. L. Hench), A1203-ceramic and A1203ceramic coated with a rood. bioglass. A1203-ceramic and bone form a direct bony interface without fibrous tissue interposition, this resulting in a pure mechanic fixation of the implant through frictional forces of the surface roughed ceramic. Pure bioglass (45 S 5) and bone form a unique persisting direct interface by means of physico-chemical or biochemical phaenomena stabilizing the implant. Interface stability seams to be higher than the fatique strenth of the glass itself. This interface is developed as a consequence of solubility of some of the glass constituents within a surface layer of up to 200 microns, running parallel with a reduction of strength of this surface glass layer. The boronoxide containing bioglass, flame-sprayed onto A1203-ceramic samples seams to be less soluble and therefore seams to have lesser bonding capability to bone. The stability of the interface bioglass coating-A1203ceramic was low. Zusammenfassuug. Es wird fiber vergleichende Untersuchungen zur Grenzfl/ichenentwicklung um unbelastete intraoss/ire Implantate aus Bioglas (L. L. Hench), A1203-Keramik und mit modifiziertem Bioglas beschichteter A1203Keramik berichtet. Zwischen A1203-Keramik und Knochen entsteht eine * Herrn Professor Dr. L. L. Hench sowie Dr. D. Greenspan, Gainesville/Florida, sind wir ftir die Oberlassung der Implantate zu auBerordentlichem Dank verpflichtet

16

P. Griss et al. direkte bindegewebsfreie knScherne Kontaktfl~iche, die infolge der mikroskopischen Rauhigkeit der Keramik eine mechanisch-verzahnende Haftung bewirkt. Zwischen dem reinen Bioglas (45 S 5) und Knochen entsteht eine augerordentlich halbare, durch physiko-chemische oder biochemische Ph/inomene stabilisierte Grenzfl/iche, deren Festigkeit h6her ist als die des Glases selbst. Diese innige Bindung zwischen Glas und lebendem Knochen entsteht vermutlich auf Kosten einer breiten oberfl/ichlichen Elution des Glases (Schicht etwa 100--200~tm dick), was mit einer Festigkeitsabnahme dieser oberfl/ichlichen Glasschicht einhergeht. Das im Flammenspritzverfahren auf AlzO3-Keramik aufgebrachte boroxidhaltige Bioglas ist vermutlich geringer 16slich und deshalb weniger bindungsfiihig zum Knochen. Die Haftfestigkeit dieser Verbindung auf dem Keramiktr/iger war gering.

Einleitung Mit verschiedenen keramischen Materialien werden seit 10 Jahren Versuche unternommen, Hiiftendoprothesen einerseits in ihren Gleiteigenschaften zu verbessern und andererseits direkte Verankerungsm6glichkeiten zwischen Endoprothese und Knochen zu entwickeln, ohne dab ein organischer Polymerzement als Zwischenglied der Verankerung dienen mug. Hulbert u. Mitarb. (1970) haben por6se Keramiken verschiedener Zusammensetzung vorgeschlagen, in die Knochen zur direkten Verzahnung von Implantat und Lagergewebe einwachsen kann. Predecki u. Mitarb. (1972) sowie Boutin (1973) und Griss u. Mitarb. (1973; 1975 a) haben dichte A1203-Keramik mit Rinnen- oder Schraubenprofilen zur direkten Verankerung im Knochen angegeben. Hier liegen auch bereits positive klinische Erfahrungen vor (Boutin, 1977; Griss u. Mitarb., 1977). Weder bei den por6sen Keramiken noch bei den mechanisch wesentlich widerstandsfiihigeren dichten Oxidkeramiken wird jedoch eine ,,intime", d.h. direkt chemisch verbindende Allianz zwischen Implantat und tragendem Knochen erreicht. Der Kontakt wird hier jedoch bereits so innig, dab Pfannenimplantate beispielsweise aus Oxidkeramik ohne Zement dauerhaft verankert werden kSnnen (Griss u. Mitarb., 1976). Leider reicht jedoch die hervorragende Bioinertheit dieses Materials alleine nicht aus, um auch dauerhafte direkte Schaftverankerungen zu erm6glichen, da hier zus~itzliche biomechanische Probleme existieren. Die bei der endostalen Schaftverankerung an der Htifte auftretenden Biege- und Rotationskrgfte sind offenbar fiir eine im Makrobereich gedachte, nur verzahnende Befestigung zwischen Implantat und Knochen zu grog, um eine dauerhafte Lasttibertragung zu gew~ihrleisten. Die Ausschaltung von sch/idlichen Relativbewegungen k6nnte nur auf dem Wege einer bio- bzw. physikochemischen Verbindung von Implantat und Knochen - - beispielsweise durch einen bioaktiven Uberzug von inerten Schaftmaterialien - - m6glich werden. Einen solchen bioaktiven Implantatwerkstoff haben L. L. Hench u. Mitarb. (1970) als Bioglas erstmals angegeben, in der Folge seine biologischen und mechanischen Eigenschaften charakterisiert und eine Theorie zur Bindung zwischen Glas und lebendem Knochen entwickelt (Hench u. Mitarb., 1971; 1972; 1973; 1974; 1975). Die erstaunlichen Bioeigenschaften solcher Phosphatgl~iser bzw. ihrer teilkristal-

Experimentelle Untersuchungen an Bioglas

17

lisierten V a r i a n t e n ( G l a s k e r a m i k e n ) k o n n t e n von Blencke u. M i t a r b . (1974a, b; 1975) weiter hinsichtlich Z u s a m m e n s e t z u n g u n d A n w a c h s e i g e n s c h a f t e n vervollk o m m n e t werden. Eine Reihe y o n B i o g l a s p r o b e n , die uns y o n L. L. H e n c h z u r Verftigung gestellt w o r d e n waren, w u r d e n a n u n s e r e m t i e r e x p e r i m e n t e l l e n L a b o r u n t e r V e r w e n d u n g des y o n B e c k h a m u. M i t a r b . (1971) b e s c h r i e b e n e n V e r s u c h s m o d e l l s im R a t t e n f e m u r getestet. Als V e r g l e i c h s i m p l a n t a t e w u r d e n reine A1203-Keramikplfittchen u n d v o n H e n c h im F l a m m s p r i t z v e r f a h r e n einseitig mit Bioglas beschichtete Oxidk e r a m i k p r o b e n untersucht. In zwei weiteren E x p e r i m e n t a l s e r i e n w u r d e n k o m plette H t i f t e n d o p r o t h e s e n ftir Schafe aus A1203-Keramik getestet, w o b e i die e n d o s t a l e n F l a c h e n m i t einer ein- o d e r zweischichtigen Bioglasschicht y o n D. C. G r e e n s p a n u n d L . L . H e n c h tiberzogen w o r d e n w a r e n ( G r e e n s p a n u. H e n c h , 1976). W / i h r e n d die R a t t e n v e r s u c h s s e r i e einer vergleichenden C h a r a k t e r i s i e r u n g b i o i n e r t e r u n d b i o a k t i v e r K n o c h e n - I m p l a n t a t g r e n z f l ~ i c h e n in u n b e l a s t e t e m Z u s t a n d dienten, sollten in d e r G r o g t i e r s e r i e die Stabilit/it b i o a k t i v e r Schichten a u f O x i d k e r a m i k u n d ihre Ntitzlichkeit ftir direkte V e r a n k e r u n g s p r o b l e m e u n t e r L a s t b e d i n g u n g e n getestet werden. Dieser Teil der U n t e r s u c h u n g wird allerdings G e g e n s t a n d einer zweiten M i t t e i l u n g sein.

Material und Methode Insgesamt 20 Bioglasproben v o n d e r Gr6Be 8 x 4 x 1 mm wurden bei 10 erwachsenen (400 Gramm schweren) Sprague-Dawley Ratten (Lieferant: Mus Rattus AG, Brunntal; Futter: Altromin und Wasser ad libidum; Haltung: 4 Tiere/Kfifig in klimatisiertem Tierstall) bds. in den Femur eingesetzt. In i.p. Nembutalnarkose wurde hierzu nach Freilegung des Femur mit cer oszillierenden S~ige ein Lgngsschlitz bis zum Markraum angelegt und das gassterilisierte Pl~ittchen darin so verklemmt, dab eine Hfilfte im Markraum und die zweite H/ilfte im Muskel zu liegen kam (Abb. 1 a). Zur Erprobung gelangte das Standardbioglas 45 S 5 yon L. L. Hench ohne Keramisierung in der folgenden Zusammensetzung: SiO2 : 45 Gew.% Na20: 24,5 Gew.% CaO : 24,5 Gew.% P205 : 6 Gew.% Eine zweite Gruppe yon 10 Ratten erhielt die einseitig im Flammspritzverfahren mit Bioglas iJberzogenen Oxidkeramikplgttchen implantiert. Die Schicht was 100--200 gm dick und porenfrei (Hench et al., 1975b). Als bioinerte Vergleichsproben dienten noch nicht aufgearbeitete Prgparate einer ersten Rattenserie mit reinen A1203-Keramikimplantaten (Griss et al., 1973) (dichtgesinterte Oxidkeramik: Frialit F 99: A1203=99.7%, Rest Mg0). Die Bioglaszusammensetzung fiir das Flammspritzverfahren war aus technischen Grfinden wie folgt modifiziert: SiO2 : 30,0 Gew.% Naz0: 24,5 Gew: % CaO : 24,5 Gew.% P205 : 6,0 Gew.% B203 :

15,0 G e w . %

Alle Tiere erhielten einmalig 4 Wochen post impl. an drei aufeinanderfolgenden Tagen je eine Injektion von 0.8 ml Tetracyclin (Reverin®) i.p. 3, 5, 7, 9 und 12 Monate post op. erfolgte dann jeweils die T6tung von 2 Tieren je Serie. Die Femora und Implantate wurden anschliegend sorgf/iltig pr~ipariert, in 70% Alkohol fixiert, photographiert und auf Mammographiefilm ger6ntgt. Die weitere Verarbeitung der Pr~iparate erfolgte nach den Angaben von Schenk (1965)

18

P. Griss et al.

bis zur Einbettung der unentkalkten Knochen mit Implantat in situ in Methylmetacrylat. Von Implantationsort wurden schlieBlich mit einem diinnen Diamants~igeblatt auf der Pr~zisionss/ige (Btihler Isomet) 100--200 ~m dicke Querschnitte hergestellt. Nach Aufkitten derselben auf spezielle Objekttr~iger wurden die S/~geschnitte mit der Bfihler Micromet Schleif- und Polierausrt~stung unter Verwendung von Diamantschleifpapierenund Pasten absteigender Korngr6Be plan geschliffen und poliert. Nach Ultraschallreinigung der Pr~parate und anschlieBender Erw~irmung der Objekte auf 40° C wurde die Oberfl~ichenschicht mit Paragon F®-F~rbel6sung fur einige Minuten gef~rbt, mit Wasser abgesptiit und schlief~lich mit Canadabalsam und Deckglas eingebettet. Da mit dieser Methode nur die dutch Schliff freigelegten oberfl~ichlichen Gewebestrukturen angef~rbt werden, lassen sich auch 100--200 Jim dicke Schliffe im Durchlichtmikroskop ausgezeichnet betrachten und auswerten, ohne dal~ aufwendige Dtinnschliffmethoden benutzt werden mt~ssen. Mikrophotos entstanden mit dem Leitz Orthoplan Photomikroskop im Durchlicht oder im Auflichtfluoreszenzverfahren.

Ergebnisse Nach P r / i p a r a t i o n der F e m o r a saBen die Bioglaspl~ttchen sowie die einseitig mit Bioglas tiberzogenen Oxidkeramikpl/ittchen bereits nach 3 M o n a t e n fest im K n o c h e n v e r a n k e r t u n d ~nderten bis Versuchsende ihre Stellung nicht mehr. D e r

b Abb. la. Makroaufnahme der Femora mit Bioglas-Implantaten in situ der Ratte V13II. b R6ntgenkontaktaufnahmen der gleichen Femora; weitere Erl~iuterungen im Text

Experimentelle Untersuchungen an Bioglas

19

Abb. 2. Histophotogramm eines Bioglasschliffpr~iparates(Ratte V 13 IV) 5 Monate post implant. Bei 100facher Vergr6Berung erkennt man im Zentrum (Z.) den Kern des Bioglases, in der scharf begrenzten helleren Schicht E die ,,Elutionsschicht" des Bioglases und unten den direkt der Bioglasoberfl~iche anliegenden Knochen (K). Aufffillig ist weiterhin, dab sich pr~iparationsbedingte Brtiche nur in der Schicht E finden

Versuch, die Plfittchen aus ihrem Lager mit Hilfe einer Zange zu entfernen, ftihrte nur zum Bruch des Glases bzw. zur L6sung der Glasschicht v o n d e r Oxidkeramikunterlage. Auch die reinen Oxidkeramikpl~ittchen wurden dicht von Knochen umfaBt und erreichten eine gute mechanische Verankerung im Knochen. Die Kontaktr6ntgenaufnahmen der Prfiparate (Abb. l b ) zeigten lediglich, dab sich im intraossfiren Anteil entlang der Glasoberfl~iche eine dtinne Cortikalisschicht entwickelt hatte und konstant fiber die ganze Versuchsdauer erhalten blieb. Sie umschlol3 den Probek6rper dicht ohne transparenten Weichgewebezwischenraum. Zusgtzlich war auf den GlasplMtchen eine oberfl~ichliche weniger schattengebende ,Elutionsschicht" entstanden, die nach 3 Monaten im K6rper bereits voll vorhanden war und dann nicht mekr an Dicke zunahm. Bei Betrachtung der Schliffe in Auflichtfluoreszenz konnten die folgenden Befunde erhoben werden. U m beide Materialien sowie deren Kombination war die Tetracyclinfluoreszenz 3 Monate post implant, vor allem an der Plfittchenoberflfiche, dann endostal und subperiostal konzentriert. Gegen Versuchsende jedoch fand man die Tetracyclinbanden infolge des appositionellen Knochenwachstums im Zentrum des Cortikalisquerschnitts und mehr zentral in der die Implantate umgebenden Knochenmanschette. Dies deutet darauf hin, dab auch

20

P. Griss et al.

Abb. 3 a. Histophotogramm der Grenzfl~ichezwischen A1203-Keramik(oben) und direkt anliegendem Knochen (Zentrum). Der Knochen hat sich an seiner Grenzfl/iche (G) der kristallinen unregelm~tBigen Keramikoberfl/iche vollst/indig angepaBt, ohne dab Weichgewebe interponiert wird. Unten Knochenmark. Unentkalktes Schliffpr~iparat, Durchlicht61immersion, Paragon-FF~irbung, Vergr6Berung 800fach

nach v611iger Umwachsung des Implantates mit reifem Knochen dort noch weiteres Dickenwachstum, d.h. eine Stabilisierung des Implantates erfolgt. Das Glas selbst zeigte in Obereinstimmung mit den in den Kontaktr6ntgenaufnahmen vorgefundenen oberfl~ichlichen Dichteunterschieden eine breite oberfl~ichliche Zone, die im UV-Licht heller als der Kern des Glasimplantates war und sich gegen diesen relativ scharf abgrenzte (Abb. 2). Diese ,,Elutionszone" konnte bis zu 200 pm dick sein, war 3 Monate post implant, bereits voll ausgebildet und wurde im weiteren Verlauf nicht breiter. Bei den Glasiiberztigen yon Oxidkeramik war eine solche unterschiedliche Liehtbrechung im Glas nicht zu sehen. G r o b korrosive Ver~inderungen an der Glasoberfl~iche wie z.B. LochfraB oder lakun~ire Resorptionen waren am untersuchten Bioglas nicht zu finden.

Abb. 3b. Tier V 13 I, 3 Monate post implant, von Bioglas (oben). Die Grenzflfiche (G) besteht zumeist aus noch nicht voll mineralisiertem Geflechtknochen rechts und links am Bildrand, im Zentrum noch Fasergewebe an der Grenzfl~iche. Unentkalktes Schliffpr/iparat, Durchlicht61immersion, Paragon-F-F~irbung, Vergr6gerung 625lath

Abb. 3 c. Tier V 13 Ill, 5 Monate post implant, yon Bioglas. Die Grenzfl~iche (G) ist jetzt nur noch als feine Linie erkennbar, der Knochen (unten und Zentrum) hat sich vollst/indig dem Bioglas (oben) angelegt. Osteozyten in reichlicher Zahl in n/ichster N/~he der Glasoberfl/iche. Schliffpr~iparat, Durchlicht61immersion, Paragon-F-Ffirbung, Vergr6gerung 800fach

22

P. Griss et al.

Abb. 3ft. Tier V 13 VIII, 12 Monate post implant, von Bioglas. Die Grenzfl~iche (G) zwischen Bioglas (oben) und reifem Knochen (unten) ist gegent~ber e unver~indert, fast grenzenloser fJbergang vom Knochen zum Glas. Im Zentrum Osteozyt, der einen Ausl/iufer (F) bis zur Glasoberfl/~che entsendet. Schliffpr~iparat, Durchlicht61immersion, Paragon-F-F~irbung, Vergr6Berung 800fach

Die vergleichende histologische Untersuchung von Schliffen der drei verschiedenen Implantatarten war besonders aufschluBreich. Die Grenzfl~ichenreaktion um reine oxidkeramische Implantate wurde yon uns an anderer Stelle bereits mehrfach beschrieben (Griss u. Mitarb., 1973; 1976a, b, c). In diesen Publikationen war aus entkalkten Schnitten, wo vorher das Implantat entfernt worden war, geschlossen worden, dab AlzO3-Keramik und neugebildeter Knochen innerhalb von 4 Monaten einen innigen Kontakt eingehen, ohne dab auf grol~e Strecken Weichgewebe interponiert wird. Es blieb der Zweifel, ob nicht das Weichgewebe, wie im Rasterelektronenmikroskop sichtbar (Griss und Mitarb., 1973) an der granul/~ren Oberfl~iche der Keramik beim Entfernen des Pr~iparates haften blieb, am Knochen deshalb abgerissen war und sich so der histologischen Verifizierung entzogen hatte. Die jetzt mit der Schlifftechnik aufgearbeiteten Pr/~parate der damaligen Experimentalserie best~itigen jedoch die alten Befunde. In der Tat findet man reifen Knochen, der breitfl~ichig bis an die granul/~re Oberfl~iche der Keramik herangeht, wobei innerhalb des Aufl6sungsverm6gens des Lichtmikroskopes an diesen Stellen keine Weichgewebeinterposition erkennbar ist (Abb. 3 a). Vereinzelt finden sich in oberfl~ichlichen Lakunen Zellen, die direkt der Keramik anzuliegen scheinen. Neben diesen Arealen finden sich jedoch auch Bezirke, wo zwischen Knochen und Oxidkeramik ein mehrschichtiges

Experimentelle Untersuchungen an Bioglas

23

Abb. 4. Tier V 10 V, 5 Monate post implant, eines Oxidkeramikplfittchens mit Bioglasfiberzug. Der reife Knochen (unten) bildet an der Grenzfl~iche (G) einen fast nahtlosen Ubergang zur Glasschicht (Zentrum hell). Im Vergleich zum massiven Bioglas hier allerdings Spaltbildung an der Grenzfl/iche, in der sich Farbstoff angesammelt hat. AhO3-Keramik= dunkle Schicht oben. Schliffpr~iparat, Durchlicht, Paragon-F-Ffirbung, Vergr6gerung 256fach

Bindegewebe interponiert ist. Die Haftfestigkeit des Keramik-Knochenverbundes ist geringer als die zwischen Bioglas und Knochen. Dies zeigt sich daran, dab die bei der Schliffherstellung auftretenden Grenzfl/ichenspannungen ausreichen, um zwischen Knochen und Oxidkeramik meist eine Trennung zu bewirken. Solche Spaltbildungen am ,,interface" treten beim reinen Bioglas in der angegebenen Bearbeitung nicht auf. Dort kommt es aber durch den Schleif- und Poliervorgang hfiufig zum Bruch des Glases innerhalb der fiugeren Elutionszone bzw. die Glasschicht 16st sich voll yon der Oxidkeramikunterlage ab. Die Haftung Bioglas-Knochen scheint also besser zu sein, als die zwischen Oxidkeramik und Knochen einerseits bzw. Glas und Oxidkeramik andererseits, wfihrend beim Glas

24

P. Griss et al.

in der oberfl~ichlichen Elutionsschicht eine Festigkeitsabnahme nach l~ingerer Verweildauer im Knochen zu vermuten ist. Die Reifung der Grenzfl~iche bis bin zu breitfl~ichigem lamell~iren Knochenkontakt ben6tigt beim Bioglas ebenfalls mindestens 3 Monate. Zu diesem Zeitpunkt finden sich noch einzelne Areale am ,,interface", wo Bindegewebe und Geflechtknochen erkennbar sind, die noch nicht zu lamell~irem Knochen'umgewandelt wurden (Abb. 3 b). Ist diese Reifung der kn6chernen Grenzfl~iche jedoch einmal abgeschlossen, so bietet sich bis Versuchsende (12 Monate post implant.) das weitgehend uniforme Bild, daiS das Bioglas von einer zwar unterschiedlich dicken, jedoch fast geschlossenen lamell~iren Knochenschicht eingescheidet ist und kein direkter Weichteilkontakt innerhalb des Knochens mehr erkennbar ist. Die genaue Grenze Knochen - - Glas ist nur am Brechungsunterschied beider Medien als feine Linie erkenntlich (Abb. 3 c). Reife Osteozyten liegen wie auch bei der Oxidkeramik bis nahe an der Implantatoberfl~iche. Unter gfinstigen Bedingungen ist sichtbar, daiS die Osteozytenauslfiufer bis zur Glasoberflfiche herangehen (Abb. 3d). Die Bioeigenschaften des Beschichtungsglases wurden weder durch die Modifikation der Zusammensetzung noch durch die Flammspritztechnik gravierend modifiziert. Die erhobenen histologischen Befunde glichen den bei reinem Bioglas gesehenen guten Reaktionen des Lagerknochens. Allerdings fanden sich hier doch etwas reichlicher bindegewebige Interpositionszonen. Auch war die direkte Kontaktfl~iche modifizierte Glasschicht - - Knochen hfiufig durch den beim F~irbevorgang eingesickerten Farbstoff linienf6rmig dargestellt (Abb. 4). Dies deutet m6glicherweise darauf hin, dab die Bindung der modifizierten Glasschicht an Knochen geringer ist als die der klassischen Bioglaszusammensetzung.

Besprechung der Befunde Im weitgehend unbelasteten Zustand, wie in den hier wiedergegebene Versuchen anzunehmen, w~ichst der Knochen des Implantatlagers so dicht an die 3 untersuchten Werkstoffe heran, dab direkter Kontakt zwischen Knochen und Implantat entsteht, ohne dab Weichgewebe wie fiblicherweise bei Metallen und Kunststoffen zu beobachten interponiert wird. Ffir die bioinerte Oxidkeramik ist daraus bereits aus frfiheren Versuchen geschlossen worden, dab sie ffir die zementfreie Implantation hochbelasteter Gelenke geeignet ist (Boutin, 1972; 1973; Griss u. Mitarb., 1973; 1975; 1976). In zahlreichen Versuchen mit zementfrei eingesetzten ganzkeramischen Hfiftdoprothesen zeigte sich jedoch, dab dies in klinisch sicherem Ausmage nur ffir besondere Pfannenformen zutrifft (Griss, 1976). An den Schgften kam es bei allen bisher getesteten verschiedenen Modellen fiber kurz oder lang stets zur sog. Grenzflgchenpseudoarthrose (Griss u. Mitarb., 1975) infolge sch~idlicher Biege- und Rotationsbewegungen des Femurschaftes gegen den endossalen Implantatteil. Entgegen den mit zementfrei eingesetzten Schraubpfannen gemachten gfinstigen Erfahrungen blieb bei den Experimentalsch~iften aus biomechanischer Ursache die mechanisch-verzahnende Stabilisierung des Implantates aus. Es lag deshalb nahe, die im artikulierenden Teil

Experimentelle Untersuchungen an Bioglas

25

besonders ganstigen mechanischen Eigenschaften der inerten Oxidkeramik im Verankerungsteil mit einem bioaktiven Glast~berzug zu versehen, um fiber diesen Umweg permanente Verankerung vor allem der auf Biegung, Scherung und Rotation belasteten Teile grogflfichig zu erm6glichen. Die hier mitgeteilten Experimente dienten der Vorbereitung yon belasteten Versuchen. Bezfiglich der biologischen Eigenschaften des Glases im kn6chernen Lager konnten frfihere Versuche von Hench u. Mitarb. (1970; 1971) sowie Beckham u. Mitarb. (1971) bestfitigt werden. W~ihrend die Verbindung Oxidkeramik - Knochen lediglich durch die rauhe Oberflfiche der Keramik auf mechanischer Basis zustande kommt, entsteht an der Bioglasgrenzfl~iche sei es durch Apatitkeime im Glas bedingt (Blencke u. Mitarb., 1974) oder vermittels einer oberflfichlichen SiO2-Gelschicht (Hench und Paschall, 1974) eine physiko-chemische oder sogar biochemische Verbindung zwischen Glas und kollagenen Fibrillen, die dann durch Elution von Calciumphosphaten aus dem Glas u n d / o d e r mit Hilfe von Apatitbausteinen aus der Blutbahn inkrustiert werden und schliel31ich lamell~iren Knochen direkt verschweil3t mit dem Glas entstehen lassen. Es bleibt jedoch v611ig often, ob es sich bei der besonders guten und geschlossenen Knochenbildung an der Bioglasoberfl~iche bei Implantation desselben im Knochen um eine echte bioaktive Leistung des Fremdk6rpers handelt. Vielmehr ist anzunehmen, dab die Kombination der im Glas enthaltenen 16slichen Ionen, des pH an der Glasoberfl/~che und die besonderen physiko-chemischen Eigenschaften des SiO2-Gels an der Glasoberflfiche die Leistung nahegelegener Osteoblasten nachhaltiger beeinflussen als dies die bioinerten Implantatmaterialien zu tun verm6gen. Mechanisch ist die Verbindung Bioglas - - Knochen jedenfalls so stabil, dag Brfiche eher im Glas als am ,,interface" entstehen. Hench u. Mitarb. (1976; 1977) haben mit besonderen Untersuchungsmethoden zeigen k6nnen, dag zumindest in den ersten Monaten nach Implantation des Glases im Knochen Na+, Ca++ und PO4----Ionen aus der Glasoberfl~iche herausgel6st werden. Allerdings mug aus unseren Versuchen und aus Beobachtungen anderer Untersucher (Blencke, 1977; Weinstein, 1977) der Verdacht ge~tul3ert werden, dag die Elutionsschicht wesentlich breiter ist als Hench bisher gefunden hat. Auch deuten seine Ergebnisse, dag bei Torsionsversuchen mit fest eingewachsenen Implantaten der Bruch in der Glasoberflfiche erfolgt (Hench u. Mitarb., 1973) sowie unsere Beobachtungen der Brfichigkeit der ,,Elutionsschicht" bei der Schliffprfiparation darauf hin, dab mit der Ionenabgabe aus der Glasobertl~iche gleichzeitig eine wesentliche Festigkeitsabnahme dieser Schicht erfolgt. Dies dfirfte fur die Dauerwechselbest~indigkeit des Glases als tragendem Implantatteil wesentlich sein. Andererseits war in den im Flammspritzverfahren auf Oxidkeramik aufgebrachten Glasschichten keine solche Elutionszone erkennbar. Hier schien jedoch im histologischen Pr/iparat die ,,interface"-Verschmelzung im Vergleich zum r einen Bioglas nicht vollstfindig zu sein, d.h. es kommt der Verdacht auf, dab das boroxidhaltige Bioglas schlechtere ,,Bonding"-Eigenschaften besitzt als das borfreie Bioglas, da dort offensichtlich die L6slichkeit reduziert ist. AuBerdem zeigte die im Flammspritzverfahren aufgebrachte Glasschicht nur eine geringe Haftfestigkeit auf der Oxidkeramik. Dies konnte fibrigens auch yon L. L. Hench in fihnlichen Versuchen mit V2A-Stahl als Grundlage beobachtet werden (Hench u. Mitarb., 1975b).

26

P. Griss et al.

Abschliel3end k 6 n n e n aus dieser vergleichenden Pilotstudie fur Versuche an gleichartigen, jedoch belasteten I m p l a n t a t e n die folgenden Schliisse gezogen werden. 1. Die hochreine dichte Oxidkeramik ist z. Zt. der vertr/iglichste Werkstoff far artikulierende Fl~ichen hochbelasteter Endoprothesen und fiir Endrprothesenteile, die vorwiegend auf Druck belastet werden (z. B. Htiftpfannen, Htiftk0pfe etc.). Die Bioinertheit des Materials garantiert einen innigen Knochen - - Keramikkontakt, der unter gtinstigen biomechanischen Bedingungen (vorwiegend Drucktibertragung) eine dauerhaft belastbare direkte Grenzfl~iche entstehen l~igt. 2. Das Bioglas 45 S 5 kann beziiglich seiner biologischen Eigenschaften als Optimierung der Biokeramik angesehen werden, entsteht doch der wtinschenswert feste, belastungsffihige Knochen - - Implantatkontakt in idealem Ausmage, bleibt zumindest in den unbelasteten Versuchen fiber 12 Monate stabil und weist eine h6here Festigkeit auf als die oberfl/ichlichen Glasschichten selbst. 3. Die Bindungskapazit~it des im Flammspritzverfahren aufgebrachten boroxidhaltigen Bioglases scheint geringer zu sein als die des 45 S 5-Glases. Beztiglich seiner Grenzfl~iche zum Knochen steht es zwischen Al~O3-Keramik und dem klassischen Bioglas. Die Haftfestigkeit yon im Flammspritzverfahren auf Oxidkeramik aufgebrachten Bioglasschichten ist gering. 4. Die L/~slichkeit, d.h. die Dicke der oberfl~ichlichen Elutionsschicht des klassischen Bioglases 45 S 5 scheint h6her zu sein, als nach den bisherigen Angaben yon L. L. Hench zu erwarten war. Im Fluoreszenzmikroskop erscheint jedenfalls konstant eine 100--200 gm dicke Grenzschicht, die eine h0here Brtichigkeit besitzt als die Verbindung Glas - - Knochen. W / i h r e n d diese b e l a s t u n g s a r m e n Versuche d a r a u f h i n d e u t e n , dab die unters u c h t e n Biogl~iser den wiinschenswerten Bioeigenschaften fiir direkte E n d o p r o t h e s e n v e r a n k e r u n g e n n a h e k o m m e n , k 6 n n e n endgiiltigere P r o g n o s e n erst n a c h D a r s t e l l u n g der E x p e r i m e n t e mit Bioglas beschichteter E n d o p r o t h e s e n erarbeitet werden. Diese werden G e g e n s t a n d einer zweiten Mitteilung sein. Die diesem Berfchte zugrunde liegenden Arbeiten wurden mit Mitteln des Bundesministers ftir Forschung und Technologie (NT0 27) gef/Srdert. Der Bundesminister for Forschung und Technologie iibernimmt keine Gew~ihr fiir die Richtigkeit, Genauigkeit und Vollst/indigkeit der Angaben sowie fiir die Beachtung privater Rechte Dritter.

Literatur Beckham, C. A., Greenlee, T. K., Crebo, A. R.: Bone formation at a ceramic implant interface. Calc. Tiss. Res. 8, 165--171 (1971) Blencke, B. A., Pfeil, E., Br6mer, H.: Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen der Reaktion des Knochens auf glaskeramische Implantate. Z. Orthop. 112, 978--980 (1974a) Blencke, B. A., Allentsee, P., Br0mer, H., Pfeil, E.: Untersuchungen fiber die Reaktion yon Weichgeweben auf glaskeramische Implantate. Arch. orthop. Unfall-Chir. 82, 135--146 (1975) B:lencke, B. A.: Pers6nl. Mitteilung (1977) Boutin, P.: Arthroplastie totale de la hanche par proth~se en alumine fritt6e. Etude exp6rimentale et premibres applications cliniques. Rev. chir. orthop. 58, 229--246 (1973) Boutin, P., Blanquaert, D., Ribonet, M.: Total hip arthoplasty by prosthesis using an alumina/ alumina/titanium alloy combination with and without use of bone cement. Transactions Ann. Meeting Soc. Biomat. 1, 17 (1977) Br6mer, H., Deutscher, K., Blencke, B., Pfeil, E.: Glaskeramiken fiir Osteoplastik und Osteosynthese. Zwischenbericht. Bundesmin. Forsch. Technol. NT0 26 1974

Experimentelle Untersuchungen an Bioglas

27

Clark, A. E., Hench, L. L., Paschall, H. A.: The influence of surface chemistry on implant interface histology. A theoretical basis for implant materials selection. J. Biomed. Mater. Res. 10, 161--174 (1976) Greenspan, D. C., Hench, L. L.: Chemical and Mechanical Behaviour of Bioglas coated Alumina. J. Biomed. Mater. Res. Symp. 7, 511--518 (1976) Griss, P., Andrian-Werburg, H. v., Krempien, B., Heimke, G.: Biological Activity and HistocomPatibility of Dense A1203/MgO Ceramic Implants in Rats. J. Biomed. Mater. Res. Syrup. 4, 453--462 (1973) Griss, P., Andrian-Werbung, H. v., Heimke, G.: Die Aluminiumoxidkeramik-Metall-Verbundendoprothese. Eine neue Htiftgelenktotalendoprothese zur teilweise zementfreien Implantation. Arch. orthop. Unfall-Chir. 81, 259--266 (1975) Griss, P., Silber, R., Merkle, B., Haehner, K., Heimke, G., Krempien, B.: Biomechanically induced tissue reactions after A1203-ceramic hip joint replacement. Experimental and early clinical results. J. Biomed. Mater. Res. Symp. 7, 519--528 (1976) Griss, P., Heimke, G., Krempien, B., Jentschura, G.: Ceramic hip joint replacement. Experimental results and early clinical experience. Symp. Advances in Hip and Knee Technology, pp. 446--455. Berlin-Heidelberg-New York: Springer 1976 Griss, P., Andrian-Werburg, H. v., Heimke, G., Krempien, B., Reipa, S., Hartung, H. J., Lauterbach, H. J.: Ergebnisse der experimentellen PriJfung und klinischen Anwendungsm6glichkeiten der Aluminiumoxydkeramik in der Alloarthroplastik. Z. Orthop. 113, 756--759 (1975) Griss, P., Heimke, G., Krempien, B., Silber, R., Haehner, K., Merkle, B.: Erste Erfahrungen mit der Keramik-Metall-Verbundprothese. Med: Orthop. Technik (MOT) 95, 159--162 (1975) Griss, P.: Die Aluminiumoxydkeramik - - ein neuer Werkstoff ftir Endoprothesen. Ergebnisse der experimentellen PriJfung und erste klinische Anwendungen. Habilitationsschrift Univ. Heidelberg/Mannheim, 1976 Griss, P., Werner, E., Buchinger, R., Heimke, G.: Die Mannheimer Oxidkeramik-MetallVerbundendoprothesen. Eine kritische Wertung unserer bisherigen klinischen Erfahrungen. Arch. orthop. Unfall-Chir. 87, 73--84 (1977) Hench, L. L., Greenlee, T., Allen, W. C., Piotrowski, G.: An investigation of bonding mechanisms at the interface of a prosthetic material. Report No. 1, US Army Med. Res. and Development Command, Contract No. DADA 17-70-C-0001 (1970) Hench, L. L., Greenlee, T., Allen, W. C., Piotrowski, G.: Report No. 2 (1971) Hench, L. L., Greenlee, T,, Allen, W. C., Piotrowski, G.: Report No. 3 (1972) Hench, L. L., Greenlee, T., Allen, W. C., Piotrowski, G.: Report No. 4 (1973) Hench, L. L., Greenlee, T., Allen, W. C., Piotrowski, G.: Report No. 5 (1974) Hench, L. L., Greenlee, T., Allen, W. C., Piotrowski, G.: Report No. 6 (1975) Hench, L. L., Paschall, H. A.: Histochemical responses of a Biomaterials interface. J. Biomed. Mater. Res. Symp. 5, 49--64 (1974b) Hench, L. L., Paschall, H. A., Allen, W. C., Piotrowski, G.: Interracial behaviour of ceramic implants. Natl, Bureau Standards, Spez. Publ. No. 415, 19--36 (1975b) Hench, L. L., Pantano, C. G., Buscemi, P. J., Greenspan, D. C.: Analysis of bioglass fixations of hip prostheses. J. Biomed. Mater. Res. 11, 267--282 (1977) Hulbert, S. F., Young, F. A., Mathews, R. S., Klawitter, J. J., Talbert, C. D., Stelling, F. H.: Potential of ceramic materials as permanently implantable skeletal prostheses. J. Biomed. Mater. Res. 4, 433--456 (1970) Predecki, P., Auslaender, B. A., Stephan, J. E., Mooney, V. L., Stanitzki, C.: Attachment of bone to threaded implants by ingrowth and mechanical interlocking. J. Biomed. Mater. Res. 6, 401--412 (1972) Schenk, R.: Zur histologischen Verarbeitung yon unentkalkten Knochen. Acta Anat. 60, 3--19 (1965) Weinstein, A. L.: Pers6nl. Mitteilung (1977) Eingegangen am 12. August 1977