Verbesserte Osseointegration von Titanprüfkörpern unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit durch Beschichtung mit Bone Morphogenetic Protein (BMP-3) - eine tierexperimentelle Studie im metaphysären Knochenlager des Hundes

Zusammenfassung

Studienziel: Ziel der Arbeit war es festzustellen, ob durch Beschichtung von Titanprüfkörpern unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit mit Bone Morphogenetic Protein 3 (BMP-3) eine verbesserte knöcherne Einheilung erreicht werden kann. Methode: Pro Implantat standen jeweils 190 µg aus Schweineknochen isoliertes BMP-3-Präzipitat zur Verfügung, mit dem 24 zylindrische Titanprüfkörper (12 mit Hydroxylapatit- und 12 mit Plasmapore-Oberfläche) beschichtet wurden. 24 weitere Prüfkörper gleicher Oberflächenbeschaffenheit dienten als Negativkontrollen. Alle Prüfkörper wurden in den medialen beziehungsweise lateralen Femurkondylus der Hinterläufe von 12 Schäferhunden unter Spaltbildung von 1 mm implantiert. Nach 42 Tagen Liegedauer erfolgten die biomechanische sowie histologische Auswertung. Ergebnisse: Bei der biomechanischen Testung zeigte sich, dass zum Herausziehen der BMP-3-beschichteten Prüfkörper aus dem explantierten Knochenblock bis zu 70 % höhere Kräfte als bei den unbeschichteten Kontrollimplantaten aufgewandt werden mussten. Quantitativ-histomorphometrisch war bei den BMP-3-beschichteten Implantaten oberflächennah eine vermehrte Knochenneubildung (Spaltheilung) feststellbar (Hydroxylapatit + BMP-3 32,1 %; Hydroxylapatit-Kontrolle 20,3 %; Plasmapore + BMP-3 30,2 %; Plasmapore-Kontrolle 13,1 %). Auch der direkte Implantat-Knochenkontakt in Prozent des Implantatumfangs (ongrowth) war unter Zusatz von BMP-3 deutlich vermehrt (Hydroxylapatit + BMP-3 37,7 %; Hydroxylapatit-Kontrolle 22,4 %; Plasmapore + BMP-3 15,3 %; Plasmapore-Kontrolle 6,4 %). Schlussfolgerung: In dieser Studie konnte erstmals nachgewiesen werden, dass die Beschichtung von in der Endoprothetik gebräuchlichen Oberflächen mit dem osteoinduktiven Wachstumsfaktor BMP-3 möglich ist und dadurch metallischen Implantaten osteogene Eigenschaften verliehen werden können.

Abstract

Aim: Aim of this study was to determine whether coating of titanium implants of various surfaces with BMP-3 would improve the osseous integration of the implants into the orthotopic bony implant bed. Method: In this experimental study 190 µg per implant of highly purified bone morphogenetic protein 3 (BMP-3) precipitate isolated from porcine bone were available for the coating of each of 24 cylindrical test implants (12 with hydroxyapatite and 12 with plasmapore surface). The remaining 24 test implants with the same surface makeup served as negative controls. Implantation sites were randomly assigned for the 4 versions of implants available and all implants were embedded into the medial or lateral femoral condyle of both legs of 12 German shepherds. The drilling holes were performed in such a matter that after embedding the cylindrical devices a gap of 1 mm surrounding the implants remained. A biomechanical testing and histological evaluation was performed on the explants 42 days after surgery. Results: In biomechanical testing forces necessary to extract the implants from the explanted bones in BMP-3 coated devices were up to 70 % higher compared to the ones in the non-coated reference groups. Quantitative histomorphometric examination showed in BMP-3-coated implants an increasing formation of new bone close to their own surface (gap-healing) which was higher than in the corresponding non-coated controls (hydroxyapatite + BMP-3 32.1 %, hydroxyapatite controls 20.3 %, plasmapore + BMP-3 30.2 %, plasmapore controls 13.1 %). The extent of direct bone implant contact as percentiles of the corresponding implants perimeter (ongrowth) was also significantly higher in the BMP-3-coated implants compared to the non-coated controls (hydroxyapatite + BMP-3 37.7 %, hydroxyapatite controls 22.4 %, plasmapore + BMP-3 15.3 %, plasmapore controls 6.4 %). Conclusion: In this study it was proven the first time that implants of various surface textures as used in endoprosthetics are able to be coated by the osteoinductive growth factor BMP-3. In that way metallic implants can achieve osteogenic properties which have positive effects in osseointegration.

Endoprothetik - Wachstumsfaktoren - Bone Morphogenetic Protein (BMP) - Hydroxylapatit - Plasmapore

Joint replacement - growth factors - bone morphogenetic protein (BMP) - hydroxyapatite - plasmapore

Literatur

• 1 Aldinger G, Beyer A, Schmid U, Herr G. Grundsätzliche Aspekte der osteoinduktiven Aktivität von Knochengewebe und Möglichkeiten ihrer klinischen Anwendung.  Z Orthop. 1996;  134 205-209
• 2 Burr D B, Mori S, Boyd R D, Sun T C, Blaha J D, Lane L, Parr L. Histomorphometric assessment of the mechanisms for rapid ingrowth of bone to HA/TCP coated implants.  J Biomed Mater Res. 1993;  27 645-653
• 3 Cook S D, Baffes G C, Wolfe M W, Kuber-Sampath T, Rueger D C, Whitecloud T S . The effect of recombinant human osteogenic protein-I on healing of large segmental bone defeccts.  J Bone Joint Surg. 1994;  76-A 827-838
• 4 Dávid A, Eitenmüller J, Muhr G, Pommer A, Bär H F, Ostermann P AW, Schildhauer T A. Mechanical and histological evaluation of hydroxy-apatite-coated, titanium-coated and grit-blasted surfaces under weight-bearing conditions.  Arch Orthop Trauma Surg. 1995;  114 112-118
• 5 Esenwein S A, Hartwig C H, Esenwein S, Herr G, Küsswetter W, Muhr G. Eignung von Titanprüfkörpern unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit als BMP-Träger - eine tierexperimentelle Studie im orthotopen Lager des Riesenkaninchens.  Langenbecks Arch Chir. 1999;  Suppl I (Forumband) 73-77
• 6 Friedenstein A J, Kuralesova A J. Osteogenic precursor cells of bone marrow in radiation cimeras.  Transplantation. 1971;  12 99-106
• 7 Goldring S R, Goldring M B. Cytokines and skeletal physiology.  Clin Orthop. 1996;  324 13-23
• 8 Hartwig C H, Herr G, Boll C, Küsswetter W. Knocheninduktion durch Beschichtung metallischer Prüfkörper mit Bone Morphogenic Protein (BMP). Hefte zur Zeitschrift „Der Unfallchirurg”. Berlin, Heidelberg, New York; Springer 1995: 291
• 9 Hartwig C H, Rehak L, Milz S, Benner K U, Küsswetter W, Willmann G. Das Einwachsverhalten von Titan-Prüfkörpern unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit im metaphysären Knochenlager des Hundes - eine biomechanische und histologische Analyse.  Biomed Tech. 1995;  40 99-105
• 10 Herr G, Küsswetter W, Thielemann F, Schmid U, Holz U. Kombination von BMP mit verschiedenen keramischen Trägermaterialien. Hefte zur Zeitschrift „Der Unfallchirurg”. Berlin, Heidelberg, New York; Springer 1994: 168-175
• 11 Herr G, Hartwig C H, Boll C, Küsswetter W. Ectopic bone formation of BMP and metal implants in rats.  Acta Orthop Scand. 1996;  67 606-610
• 12 Katthagen B D. Knocheninduktion mit „Bone morphogenetic protein” (BMP).  Z Orthop. 1987;  125 559-566
• 13 Lukas P A, Syftestad G T, Goldberg V M, Caplan A I. Ectopic induction of cartilage and bone by water-soluble proteins from bovine bone using a collagenous delivery vehicle.  J Biomed Mater Res. 1989;  23 23-39
• 14 Ono I, Gunji H, Kaneko R, Saito T, Kuboki Y. Efficacy of hydroxyapatite ceramic as a carrier for recombinant human bone morphogenetic protein.  J Craniofac Surg. 1995;  6 238-244
• 15 Owen M. Bone morphogenetic proteins, bone marrow stromal cells and mesenchymal stem cells.  Clin Orthop. 1995;  313 115-119
• 16 Reddi A H. Regulation of cartilage and bone differentiation by bone morphogenetic proteins.  Curr Opin Cell Biol. 1992;  4 850-855
• 17 Ripamonti U, van den Heever B, van Wyk J. Expression fo the osteogenic phenotype in porous hydroxyapatite implanted extraskeletally in baboons.  Matrix. 1993;  13 491-502
• 18 Rueger J M. Knochenersatzmittel. Hefte zur Zeitschrift „Der Unfallchirurg”. Berlin, Heidelberg, New York; Springer 1992
• 19 Sampath T K, Muthukumaran N, Reddi A H. Isolation of osteogenin, an extracellular matrix-associated, bone-inductive protein, by heparin affinity chromatography.  Proc Natl Acad Sci USA. 1987;  84 7109-7113
• 20 Sachs L. Angewandte Statistik. 6. Auflage. Berlin, Heidelberg, New York; Springer 1992
• 21 Søballe K, Hansen E S, Brockstedt-Rasmussen H, Pederson C M, Bünger C. Hydroxyapatite coating enhances fixation of porous coated implants. A comparison in dogs between press fit and noninterference fit.  Acta Orthop Scand. 1990;  61 299-306
• 22 Søballe K, Hansen E S, Brockstedt-Rasmussen H, Hjortal V E, Juhl G I, Pederson C M, Hvid I, Bünger C. Gap healing enhanced by hydroxyapatite coating in dogs.  Clin Orthop. 1991;  272 300-307
• 23 Søballe K. Hydroxyapatite ceramic coating for bone implant fixation.  Acta Orthop Scand. 1993;  64 (255) 1-58
• 24 Stevenson S, Cunningham N, Toth J, Davy D, Reddy A H. The effect of osteogenin (a bone morphogenetic protein) on the formation of bone in orthotopic segmental defects in rats.  J Bone Joint Surg. 1994;  76-A 1676-1687
• 25 Thomas K A, Kay J F, Cook S D, Jarcho M. The effect o surface macrotexture and hydroxyapatite coatings on the mechanical strengths and histologic profiles of titanium implant materials.  J Biomed Mater Res. 1987;  21 1395
• 26 Urist M R, Nilsson O, Rasmussen J, Hirota W, Lovell T, Schmalzreid T, Finerman G A. Bone regeneration under the influence of a bone morphogenetic protein (BMP) beta tricalcium phosphate (TCP) composite in skull trephine defects in dogs.  Clin Orthop. 1987;  214 295-304
• 27 Wang E A, Rosen V, Cordes P, Hewick R M, Kriz M J, Luxenberg D P, Sibley B S, Wozney J M. Purification and characterization of other distinct bone-inducing factors.  Proc Natl Acad Sci USA. 1988;  85 9484-9488
• 28 Wang X, Jun Y, Liu B, Zhou S, Yang L, Xi Y, White F H. Tissue reactions to titanium implants containing bovine bone morphogenetic protein: a scanning electron microscopic investigation.  Int J Oral Maxillofac Surg. 1994;  23 115-119