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Synthetische Knochenersatzstoffe

Synthetic bone replacement substances

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Zusammenfassung

Knochenersatzmaterialien werden bei Knochendefekten seit Langem in der Orthopädie und Unfallchirurgie erfolgreich eingesetzt. Es gibt jedoch Fälle, insbesondere bei Knochendefekten kritischer Größe, bei denen sich die Therapie kompliziert gestaltet. Es ist heutzutage eine Vielzahl an Knochenersatzmaterialien verfügbar. Autologe Spongiosa gilt bis heute als der Goldstandard unter den Knochenersatzmaterialien. Jedoch stellen die Morbidität an der Entnahmestelle und die begrenzte Verfügbarkeit von autologer Spongiosa Limitationen für deren Anwendung dar. Allogene Spongiosa wird ebenfalls seit Jahren erfolgreich zur Behandlung von Knochendefekten angewandt. Es wurden jedoch Infektionsraten von über 10 % bei der Anwendung von allogener Spongiosa beschrieben. Durch die Einführung von synthetischen Knochenersatzstoffen stehen dem Anwender weitere Materialien zur Verfügung, um Knochendefekte individuell zu behandeln. Dieser Beitrag hat das Ziel, die Vor- und Nachteile verschiedener synthetischer Knochenersatzmaterialien zu demonstrieren.

Abstract

Bone substitute materials have been successfully used for bone defects in orthopedics and trauma surgery for a long time; however, there are cases, especially in bone defects with a critical size, in which the treatment is complicated. Nowadays, multiple bone substitute materials are available. Autologous cancellous bone grafts remain the gold standard among the bone replacement materials; however, donor site morbidity and the limited availability of autologous cancellous bone represent restrictions for autologous bone grafting. Allogeneic cancellous bone grafts have also been successfully for years in the treatment of bone defects; however, infection rates of more than 10% have been described for the use of allogeneic cancellous bone. By introducing synthetic bone substitutes further alternatives are currently available to the user for the individual treatment of bone defects. The aim of this study is to demonstrate the advantages and disadvantages of various synthetic bone substitute materials.

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Author information

Authors and Affiliations

  1. Lehrstuhl für Orthopädie und Unfallchirurgie, Universität Duisburg-Essen, Essen, Deutschland

    André Busch & Marcus Jäger

  2. Klinik für Orthopädie, Unfall- und Wiederherstellungschirurgie Katholisches Klinikum Essen, Philippusstift, Essen, Deutschland

    André Busch & Marcus Jäger

Authors
  1. André Busch
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  2. Marcus Jäger
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Corresponding author

Correspondence to André Busch.

Ethics declarations

Interessenkonflikt

Gemäß den Richtlinien des Springer Medizin Verlags werden Autoren und Wissenschaftliche Leitung im Rahmen der Manuskripterstellung und Manuskriptfreigabe aufgefordert, eine vollständige Erklärung zu ihren finanziellen und nichtfinanziellen Interessen abzugeben.

Autoren

A. Busch: A. Finanzielle Interessen: gibt an, dass kein finanzieller Interessenkonflikt besteht. – B. Nichtfinanzielle Interessen: Oberarzt der Klinik für Orthopädie, Unfall- und Wiederherstellungschirurgie Katholisches Klinikum Essen, Philippusstift, Deutschland | Mitgliedschaften: DGOOC, DGU, AGA. M. Jäger: A. Finanzielle Interessen: Forschungsförderung und Beratung: Braun Aesculap AG, Microport Orthopaedics; Forschungsförderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft, EU/Land NRW. – Reisekostenerstattung: Mathys; Reisekostenerstattung und Honorar: Aesculap, Microport Orthopaedics; Reisekostenerstattung Arbeitsgemeinschaft Endoprothetik (AE). – Bezahlter Berater/interner Schulungsreferent/Gehaltsempfänger o. Ä.: Fa. Braun Aesculap, Fa. Microport Orthopaedics. – Patente, Geschäftsanteile, Aktien o. Ä. an einer im Medizinbereich aktiven Firma: TissueFlow GmbH (Co-Founder & Mehrheitsgesellschafter). – B. Nichtfinanzielle Interessen: Klinikdirektor der Klinik für Orthopädie, Unfall- und Wiederherstellungschirurgie, St. Marien Hospital Mülheim an der Ruhr; Lehrstuhlinhaber „Orthopädie und Unfallchirurgie“: Universität Duisburg-Essen | Mitgliedschaften: Deutscher Hochschulverband, Deutsche Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie e. V. (DGOOC), Deutsche Gesellschaft für Unfallchirurgie (DGU), Verein Deutscher Elektroingenieure (VDE), Verband der Leitenden Orthopäden und Unfallchirurgen (VLOU), BVOU, Arbeitsgemeinschaft Endoprothetik, American Academy of Orthopaedic Surgeons (AAOS), Orthopaedic Research Society (ORS), Fachbeirat Medizintechnik im Verein Deutscher Ingenieure (VDI), Deutsche Forschungsgemeinschaft (Fachkollegiat Biomaterialien).

Wissenschaftliche Leitung

Die vollständige Erklärung zum Interessenkonflikt der Wissenschaftlichen Leitung finden Sie am Kurs der zertifizierten Fortbildung auf www.springermedizin.de/cme.

Der Verlag

erklärt, dass für die Publikation dieser CME-Fortbildung keine Sponsorengelder an den Verlag fließen.

Für diesen Beitrag wurden von den Autoren keine Studien an Menschen oder Tieren durchgeführt. Für die aufgeführten Studien gelten die jeweils dort angegebenen ethischen Richtlinien.

Additional information

Wissenschaftliche Leitung

C. Chiari, Wien

H. Gollwitzer, München

J. Grifka, Bad Abbach

M. Jäger, Essen

A. Meurer, Frankfurt a.M.

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CME-Fragebogen

CME-Fragebogen

Welche Aussage zu Knochengewebe trifft zu?

Knochengewebe ist ein stabiles Gewebe mit wenig Aktivität.

Knochengewebe dient alleine der Stützfunktion beim Stehen, Sitzen und Gehen.

Knochengewebe ist eine von mehreren Gewebearten im menschlichen Körper, die vollständig ohne Narbenbildung ausheilen kann.

Die Selbstheilungsfähigkeit von Knochengewebe wird u. a. durch den Abstand der Knochenfragmente, die biologische Mikroumgebung, die biomechanischen Kräfte (Bewegung vs. Stabilität) sowie die Blutversorgung begrenzt.

Knochendefekte mit einem Abstand von mehr als 20 % der diaphysären Zirkumferenz und Fragmentdislokationen von mehr als 1 cm werden als kritische Knochendefekte bezeichnet.

Welche Aussage zu Knochenersatzmaterialien trifft zu?

Osteokonduktive Materialien dienen als Gerüst und ermöglichen das Einwandern von Zellen und Gefäßen bei der Knochenregeneration.

Osteoinduktive Materialien bestehen ausschließlich aus Zellen, die die Knochenheilung fördern.

Osteopromotive Materialien sind einzig für die Gefäßeinsprossung in das Kallusgewebe verantwortlich.

BMP(„bone morphogenetic protein“)-2 ist das am häufigsten verwendete osteokonduktive Material.

Kollagen-beschichtete Knochenersatzmaterialien werden aufgrund zytotoxischer Effekte von Kollagen nicht mehr verwendet.

Was lässt sich bezüglich Spongiosaplastik feststellen?

Die autologe Spongiosaplastik wird mittlerweile nicht mehr als Goldstandard in der Behandlung von Knochendefekten angesehen.

Die Verfügbarkeit von autologer Spongiosa ist begrenzt, und die Morbidität an der Entnahmestelle ist ein zu berücksichtigender Faktor.

Immunologische Nebenwirkungen sind bei der Anwendung von autologer Spongiosaplastik häufig.

Die allogene Spongiosaplastik stellt die einzige Alternative zur autologen Spongiosaplastik dar.

Knochen- und Weichteilinfektionen sind bei der Anwendung von allogener Spongiosaplastik keine ernst zu nehmende Komplikation.

Welche Aussage zu synthetischen Knochenersatzstoffen ist korrekt?

Eine Porengröße von weniger als 100 µm wird als optimal für das Einwachsen von Knochengewebe und Gefäßen angesehen.

Querverbindungen zwischen den Poren eines Knochenersatzstoffes sind von entscheidender Bedeutung für die Angiogenese.

Das Einwachsen von Bindegewebe in den Knochenersatzstoff stellt kein Problem beim Remodelling des Knochenersatzstoffes dar.

Synthetische Knochenersatzstoffe werden durch das Sterilisieren von humanem Knochenmaterial gewonnen.

Knochenersatzstoffe werden in der Regel nicht vom Körper resorbiert.

Welche Aussage zu Calciumphosphat-basierten Knochenersatzmaterialien ist korrekt?

Die beim Abbau von Calciumphosphat freigesetzten Calciumionen verkürzen die Lebensdauer von Osteoblasten.

Die beim Abbau von Calciumphosphat freigesetzten Calciumionen hemmen die Differenzierung von osteogenen Vorläuferzellen.

Die beim Abbau von Calciumphosphat freigesetzten Phosphationen erhöhen die Konzentration von Osteoprotegerin. Hierdurch wird die Osteoklastenaktivität gehemmt.

Calciumphosphatzementreste im Weichteilgewebe führen nie zu einer inflammatorischen Reaktion.

Calciumphosphatzemente sind durch ihre hohe mechanische Belastbarkeit besonders für lasttragende Regionen des Skelettapparats geeignet.

Welche Aussage zu β‑Tricalciumphosphat (β-TCP) ist korrekt?

β‑TCP ist unter physiologischen Bedingungen (pH = 7,4) löslich.

β‑TCP wird in der Orthopädie und Unfallchirurgie eher selten als Knochenersatzmaterial eingesetzt.

Durch die Freisetzung von basischen Valenzen durch mononukleäre Riesenzellen an der β‑TCP-Oberfläche kommt es zur lokalen Auflösung des β‑TCP-Gerüstes.

Teils kommt es zu einem raschen Einwachsen von Bindegewebe in β‑TCP, sodass die Knochenneubildung behindert wird.

β‑TCP ist äußerst mechanisch stabil, sodass es ohne Bedenken in lasttragenden Anteilen eigesetzt werden kann.

Welche Aussage zu Calcium-basierten Knochenersatzstoffen ist korrekt?

Hydroxylapatit weist niedrigere Widerstandkräfte gegen Kompressions- und Zugkräfte auf als β‑TCP.

Hydroxylapatit wird in der Regel innerhalb von wenigen Wochen komplett resorbiert.

Calciumsulfate bilden nach der Implantation eine nanoporöse zellokklusive Membran, die das Einwachsen von Bindegewebe verhindert.

Calciumsulfate weisen eine hohe mechanische Belastbarkeit auf.

Calciumsulfate lösen in der Regel keine Entzündungsprozesse im Weichteilgewebe aus.

Welche Aussage trifft hinsichtlich Polymer-basierter Knochenersatzstoffen zu?

Polymethylmethacrylat (PMMA) gehört zu den biologisch abbaubaren, polymeren Knochenersatzstoffen.

Die Mikrostruktur von Polycaprolacton ähnelt der von trabekulärem Knochen.

In In-vitro-Studien zeigten Knochenersatzstoffe aus Polyester eine langsame Abbaugeschwindigkeit.

Polycaprolacton gehört zu den nicht biologisch abbaubaren, polymeren Knochenersatzstoffen.

Polylactid-co-Glycolid (PLGS) ist ein Copolymer aus Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polymilchsäure (PMS) und eignet sich als Arzneimittelträger.

Was lässt sich hinsichtlich der Anwendung von Magnesium als Knochenersatzmaterial feststellen?

Magnesiumgemische sind nicht biologisch abbaubar.

Magnesiummangel spielt beim Knochenstoffwechsel kaum eine Rolle.

Magnesium wird täglich in erheblicher Menge mit der Nahrung aufgenommen und ist nur für den Muskelstoffwechsel wichtig.

Das freigesetzte Magnesium wird hepatisch eliminiert und kann systemische Nebenwirkungen auslösen.

Durch den Abbau von Magnesiumgemischen kann es zu Gasbildungen im Gewebe kommen, die mit osteolytischen Läsionen und Wundheilungsstörungen assoziiert sind.

Welche Aussage zu Kompositen als Knochenersatzstoff ist korrekt?

Polymere sind selten Bestandteil von Kompositen.

Tricalciumphosphate sind ein obligater Bestandteil von Kompositen als Knochenersatzstoff.

Kollagen wird in Kompositen als osteoinduktives Material verwendet.

Durch die Dehnbarkeit von Kollagen wird die Bruchfestigkeit von Kompositen erhöht.

Polycaprolacton wirkt in Kompositen zytotoxisch.

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Busch, A., Jäger, M. Synthetische Knochenersatzstoffe. Orthopädie 51, 1023–1032 (2022). https://doi.org/10.1007/s00132-022-04319-5

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  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00132-022-04319-5

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