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Quantitative und morphologische Erfassung der Gewebereaktion auf Metallimplantate (Osteosynthesematerial)

I. Eine morphometrische, histologische, mikroanalytische und rasterelektronenmikroskopische Studie am Schafsknochen

Quantitative and morphologic analysis of the tissue reaction

I. A morphometric, histologic, microanalytic and scanning electronmicroscopic study on sheep bone

  • Published:
Archiv für orthopädische und Unfall-Chirurgie, mit besonderer Berücksichtigung der Frakturenlehre und der orthopädisch-chirurgischen Technik Aims and scope Submit manuscript

Summary

The tissue compatibility of titanium and steel implants of different surface treatment was studied in animal experiments. The reaction of connective tissue surrounding metallic implants is the resultant of the following factors:

  1. a)

    Local currents due to combination of metallic material or metal surface. In the case of steel implants the ultrastructural surface studied with the aid of scanning electron microscopy is smooth, apart from some corrosions spots. In the case of surface treated titanium implants, the surface is orange peel like.

  2. b)

    Quantity and kind of metallic particles detached from the implant surface were studied by electron probe X-ray microanalysis. The connective tissue surrounding the steel implants contains the cytotoxic elements iron and chronium. In addition to this, the environment of the titanic implants shows titanium of good tissue affinity.

  3. c)

    The cytotoxicity of the particles was studied by the morphometric analysis of the metalsurrounding connective tissue. In comparison with the titanium combinations, the steel combinations show a stronger cell reduction in the connective tissue and consequently, a higher cytotoxicity. This fact is also reflected in the ratio between cell number and nuclear size.

In the case of steel combinations, this proportion is maintained in a constant ratio of 1∶10 due to a smaller number of larger cell nuclei; in the case of titanium combinations due to a higher number of smaller cell nuclei. This means that stimulus and response to stimulus, such as produced by metallic implants, is most intensive in the case of steel combinations.

Zusammenfassung

Metallimplantate (Osteosynthesematerial) aus Stahl und/oder Titan mit unterschiedlicher Oberflächenbehandlung wurden im Tierexperiment (Schweizer Bergschafe) auf ihre Gewebeverträglichkeit untersucht. Der Einfluß der Metallimplantate auf das umgebende Bindegewebe ist die Resultante aus:

  1. a)

    Elektrochemisches Milieu auf Grund der Metallkombination oder der Metalloberfläche. Die Oberflächenfeinstruktur der Implantate wurde mit Hilfe des Rasterelektronenmikroskopes untersucht. Sie ist bei den Stahlimplantaten, abgesehen von Korrosionsstellen, relative glatt und bei den oberflächenbehandelten Titanimplantaten orangenhautähnlich.

  2. b)

    Menge und Art der Metallpartikel, die sich von der Implantatoberfläche ablösen. Eine Antwort darauf gibt die Röntgenmikroanalyse. Die Bindegewebeumgebung der Stahlimplantate enthält die chtotoxischen Elemente Eisen und Chrom, die Umgebung der Titanimplantate dazu das gewebefreundliche Titan.

  3. c)

    Cytotoxicität der Metallpartikel. Sie wurde mit Hilfe einer morphometrischen Analyse des metallumgebenden Bindegewebes analysiert. Die verschiedenen Stahlkombinationen weisen, verglichen mit den Titankombinationen, die größere Zellreduktion im Bindegewebe auf und haben folglich auch die größere Cytotoxicität. Diese Tatsache drückt sich auch im Verhältnis der Zellzahl und der Kernanschnittsfläche aus.

Diese Proportionalität wird bei den Stahlkombinationen durch eine kleinere Anzahl größerer Zellkerne und bei den Titankombinationen durch eine größere Anzahl kleinerer Zellkerne in einem konstanten Verhältnis von 1∶10 gehalten. Dies bedeutet, daß Reiz und Reizbeantwortung, wie sie durch die Metallimplantate ausgelöst werden, bei den Stahlkombinationen am größten sind.

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Literatur

  • Adhami, H., Merkle, U.: Zur Wirkungsweise der Mineralocorticoide auf die Bindegewebszellen. Biometrische Untersuchungen. Z. mikr.-anat. Forsch.86, 289–296 (1972)

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  • Allison, A. C.: Lysosomes and cancer. In: Lysosomes in biology and pathology, Dingle, J. T., Fell, H. B., Hrsg., Bd. 2, S. 178–204. Amsterdam-London: North-Holland Publishing Company 1969.

    Google Scholar 

  • Bayer, H. v.: Fremdkörper im Organismus. Münch. med. Wschr.56, 2416–2417 (1909)

    Google Scholar 

  • Benninghoff, A.: Funktionelle Kernschwellung und Kernschrumpfung. Anat. Nuchr.I, 50–52 (1949)

    Google Scholar 

  • Bucher, O.: Zum Problem der Amitose. In: Handbuch der allg Pathologie, “Der Zellkern”d, S. 626–699. Berlin-Heidelberg-New York: Springer 1971

    Google Scholar 

  • Buechner, F.: Allgemeine Pathologie, S. 49–50. München-Berlin: Urban u. Schwarzenberg 1962

    Google Scholar 

  • Cameron, D. A.: The fine structure of osteosarcomata produced experimentally in rats. Pathology2, 223–230 (1970)

    CAS  Google Scholar 

  • Curran, R. C., Codling, B. W.: The cellular basis of pathology. In: The pathological basis medicine, Curran, R. C., Harnden, D. G., Hrsg., S. 1–27. London: William Heinemann Medical Books 1972

    Google Scholar 

  • Danis, R.: Le vrai but et les dangers de l'ostéosynthèse. Lyon chir.51, 740–762 (1956)

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  • Dube, V. E., Fisher, D. E.: Hemangioendothelioma of the leg following metallic fixation of the tibia. Cancer30, 1260–1266 (1972)

    Article  PubMed  CAS  Google Scholar 

  • Ehrsam, R.: Die dynamische Kompressionsplatte aus Titan. Med. Inaug.-Diss., Basel, 1970

  • Emneus, H., Stenram, U.: Reaction of tissues to alloys used in osteosynthesis. Acta orthop. scand.29, 315–330 (1960)

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  • Frost, H. M., The physiology of cartilaginous fibrous and bone tissue, S. 58–63. Springfield (Ill.): Thomas 1972

    Google Scholar 

  • Grogan, C. H.: Experimental studies in metal cancerigenesis. VIII. On the etiological factor in chromate cancer. Cancer10, 625–638 (1957)

    Article  PubMed  CAS  Google Scholar 

  • Hancox, N. M.: Biology of bone. In: Biological structure and function, Harrison, R. J., McMinn, Hrsg., S. 75–81. Cambridge: Cambridge University Press 1972

    Google Scholar 

  • Herman, M. M.: The effects of goldthioglucose on mouse fibroblasts in vitro; morphological and laser microprobe studies. Exp. molec. Path.16, 186–200 (1972)

    Article  PubMed  CAS  Google Scholar 

  • Homsy, C. A.: Bio-compatibility in selection of materials for implantation. J. Biomed. Mater. Res.4, 341–356 (1970)

    Article  PubMed  CAS  Google Scholar 

  • Hueper, W. C.: Experimental studies in mental cancerigenesis. I. Nickel cancers in rats Tex. Rep. Biol. Med.10, 167–186 (1952)

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  • Johnson, H. A., Pavelec, M.: Thermal noise in cells, a cause of spontaneous loss of cell function. Amer. J. Path.69, 119–130 (1972)

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  • Krishan, A.: Fine structure of the kinetochores in vinblastine sulfate-treated cells. J. Ultrastruct. Res.23, 134–143 (1968)

    Article  PubMed  CAS  Google Scholar 

  • Laing, P. G., Ferguson, A. B., Hodge, E. S.: Tissue reaction in rabbit muscle exposed to metallic implants J. Biomed. Mater. Res.,1, 135–149 (1967)

    Article  PubMed  CAS  Google Scholar 

  • Little, K.: Bone behaviour, S. 149–191. London-New York: Academic Press 1972

    Google Scholar 

  • Mears, D. C. Electron-probe microanalysis of tissue and cells from implant area. J. Bone Jt Surg.48-B, 567–576 (1966).

    CAS  Google Scholar 

  • Mueller, M. E., Allgöwer, M., Willengger, H.: Manual der Osteosynthese. Berlin-Heidelberg-New York: Springer 1969

    Google Scholar 

  • Perren, S. M.: Cortical bone healing. Acta orthop. scand., Suppl.125 (1969)

  • Shelley, W. B., Raque, C. J.: Experimental zirconium granulomas and chondromas in CBA-mice. J. invest. Derm.57, 411–418 (1971)

    Article  PubMed  CAS  Google Scholar 

  • Straumann F.: Grundlagen der Alloplastik mit Metallen und Kunststoffen, Straumann, F., Contzen, H., Hrsg. Stuttgart: Thieme 1970

    Google Scholar 

  • Straumann, F., Steinemann, S.: Metallurgische Fragen. In: Mueller, M. E., Allgöwer, M., Willenegger, H., Technik der operativen, Frakturenbehandlung, S. 32–43. Berlin-Göttingen-Heidelberg: Springer 1963

    Google Scholar 

  • Swierenga, S. H. H., Basur, P. K.: Effect of nickel on cultured rat embryo muscle cells. Lab. Invest.19, 663–674 (1968)

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  • Tapp, E.: Osteogenic sarcoma in rabbits following subperiosteal implantation of beryllium. Arch. Path.88, 89–96 (1969)

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  • Tschermak-Woess, E.: Endomitose. In: Handbuch der allg. Pathologie, “Der Zellkern”, Altmann, H. W., Büchner, F., Cottier, H., Grundmann, E., Holle, G., Letterer, E., Masshoff, W., Meessen H., Roulet, F., Seiffert, G., Hrsg., Bd. 2, 2, S. 569–625, Berlin-Heidelberg-New York: Springer 1971

    Google Scholar 

  • Weisman, S.: Metals for implantation in the human body. Ann. N.Y. Acad. Sci.146, 80–95 (1968)

    PubMed  CAS  Google Scholar 

  • Williams, D. F.: The properties and medical uses of materials. Bio-med. Engng.6, 152–156 (1971)

    CAS  Google Scholar 

  • Zollinger, H. U.: Allgemeine Pathologie, Bd. I, S. 81 ff Stuttgart: Thieme 1972

    Google Scholar 

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Authors and Affiliations

  1. Institut für Pathologie der Universität Basel, Basel, Schweiz

    U. N. Riede, Th. Ruedi, Y. L. E. Rohner, S. Perren & R. Guggenheim

  2. Department für Chirurgie der Universität Basel, Basel, Schweiz

    U. N. Riede, Th. Ruedi, Y. L. E. Rohner, S. Perren & R. Guggenheim

  3. Laboratorium für experimentelle Chirurgie Davos und Laboratorium für, Rasterelek-tronenmikroskopie der Universität Basel, Basel, Schweiz

    U. N. Riede, Th. Ruedi, Y. L. E. Rohner, S. Perren & R. Guggenheim

  4. Pathologisches Institut der Universität, Albertstraße 19, D-7800, Freiburg i. Brsg., Bundesrepublik Deutschland

    U. N. Riede

Authors
  1. U. N. Riede
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  2. Th. Ruedi
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  3. Y. L. E. Rohner
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  4. S. Perren
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  5. R. Guggenheim
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Riede, U.N., Ruedi, T., Rohner, Y.L.E. et al. Quantitative und morphologische Erfassung der Gewebereaktion auf Metallimplantate (Osteosynthesematerial). Arch orthop Unfall-Chir 78, 199–215 (1974). https://doi.org/10.1007/BF02433477

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