Mechanischer Vergleich biodegradierbarer intervertebraler lumbaler Cages

Abstract.

Introduction: A biodegradable interbody cage for lumbar spine fusion would be able to solve several problems associated with the use of metallic cages. In a biomechanical in vitro study using human lumbar spines three different biodegradable poly(L-lactide-co-D,L-lacitide)(PLDLLA) cages were compared to metallic cages of the same design. Material and method: 40 human cadaver lumbar specimens (L3-S1) were tested in flexion, extension, rotation, and bending with a non-destructive flexibility method using a nonconstrained testing apparatus. Seven different groups were examined: (1) control group (intact) (n = 40); (2) unstable group (after discectomy L4/5) (n = 40), (3) autologous iliac crest bone graft (n = 8), (4) BAK-Cage (n = 8), (5) BIO-Cage 1 (PLDLLA) (n = 8), (6) BIO-Cage 2 (PLDLLA/hydroxylapatite-buffer) (n = 8) and (7) BIO-Cage 3 (PLDLLA /hydroxylapatite particles of different size) (n = 8). Additionally, destructive compression tests of all implants were performed. Results: In comparison to the intact motion segment all cages showed significantly lower range of motion (ROM) in all test modes (P < 0.01). There was no significant difference in stiffness values and ROM between BIO-Cages and metallic cages. Axial compression stiffness and failure load were significantly highest for metallic BAK-cages (P < 0.05). No significant difference for failure load was observed between BIO-cage 1 and the intact motion segment. However, in comparison to the intact motion segment failure load was significantly lower for BIO-cage 2 and 3 (P < 0,05). Conclusion: The results of this study are encouraging, because the biodegradable cages were able to limit lumbar spine motion similar to the metallic cages. Especially, the biodegradable PLDLLA cage consisting of pure polymer (BIO-Cage 1) showed adequate initial compression strength. However, further in vivo animal experiments are essential prior to the clinical application of biodegradable lumbar interbody fusion cages.

Zusammenfassung.

Einleitung: Poly-(L-co-D,L-laktide) (PLDLLA) konnte in zahlreichen In-vivo-Untersuchungen seine Wertigkeit als biodegradierbares Biomaterial beweisen. Ein biodegradierbares intervertebrales Implantat (Cage) aus PLDLLA könnte zahlreiche Probleme, die mit der Verwendung metallischer Implantate verbunden sind, lösen. Ziel dieser Untersuchung war es, erstmalig intervertebrale Cages aus neu entwickelten biodegradierbaren PLDLLA-Composite-Biomaterialien im Vergleich zu metallischen Cages biomechanisch zu testen. Material und Methode: 40 intakte humane Wirbelsäulenexplantate (LWK 3-SWK 1) wurden in Flexion, Extension, Rotation und Seitneigung mittels nichtdestruktiver Steifigkeitsmessung getestet. Folgende Gruppen wurden untersucht: (1) intaktes Präparat (Kontrollgruppe; n = 40), (2) nach Diskektomie L4/5 (instabile Gruppe, n = 40) sowie nach Stabilisierung mit (3) autologem Beckenkammspan (n = 8), (4) BAK-Cage (n = 8), (5) BIO-Cage 1 (PLDLLA; n = 8), (6) BIO-Cage 2 (PLDLLA/Hydroxylapatit-Puffer; n = 8) oder (7) BIO-Cage 3 (PLDLLA/Hydroxylapatit unterschiedlicher Partikelgröße; n = 8). Additiv wurden destruktive axiale Kompressionstests aller Cages vorgenommen. Ergebnisse: Im Vergleich zum intakten Bewegungssegment waren sämtliche Cages in der Lage, den Bewegungsumfang in allen Bewegungsrichtungen signifikant zu vermindern (p < 0,01). Es bestand kein signifikanter Unterschied im Bewegungsausmaß und der Steifigkeit zwischen den verschiedenen BIO-Cages und dem metallischen BAK-Cage. Die axiale Kompressionssteifigkeit und die Versagenslast war beim metallischen BAK-Cage höher als im intakten Bewegungssegment (p < 0,05). Es bestand kein signifikanter Unterschied zwischen der Versagenslast des intakten Bewegungssegment und dem BIO-Cage 1, jedoch war die Versagenslast von BIO-Cage 2 und 3 niedriger als die des intakten Bewegungssegments (p < 0,05). Schlussfolgerung: Die getesteten biodegradierbaren Cages waren in der Lage, die lumbale Beweglichkeit in Analogie zu metallischen Cages zu limitieren. Während das primäre Stabilisierungspotenzial im Wesentlichen durch das Cagedesign bestimmt wird, definieren sich die Kompressionseigenschaften durch das verwendete Material. BIO-Cage 1 wies eine initiale Kompressionsfestigkeit auf, die eine weitere Evaluierung des Implantats erlaubt.