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Ein verbessertes Wirbelkörperersatzimplantat für die thorakolumbale Wirbelsäule

Biomechanischer In-vitro-Test an humanen Lendenwirbelkörpern

An improved vertebral body replacement for the thoracolumbar spine

A biomechanical in vitro test on human lumbar vertebral bodies

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Der Unfallchirurg Aims and scope Submit manuscript

Zusammenfassung

Hintergrund

In den letzten Jahren haben sich Wirbelkörperersatzimplantate aus Titan zur Behandlung von Tumoren, Wirbelsäulenverletzungen oder posttraumatischen Deformitäten etabliert. Exzessive Sinterung oder Sekundärdislokation der Implantate können Probleme verursachen. Deshalb wurde ein modulares Wirbelkörperersatzimplantat für die thorakolumbale Wirbelsäule (TLWS) mit modifizierten Endplatten entwickelt und einem vergleichenden biomechanischen Kompressionstest zur Bestimmung des Einsinkverhaltens an humanen Lendenwirbelkörpern unterzogen.

Material und Methoden

24 frischen entnommene humane Lendenwirbelkörper der Segmenthöhen L1–L4 wurden 4 Testgruppen mit homogener Knochendichte- und Segmenthöhenverteilung zugeteilt. Durch axiale Krafteinleitung wurden mit einer Materialtestmaschine (MTS Mini Bionix) die am Implantat-Wirbelkörperübergang auftretenden Kompressionskräfte eines neuen Prototyps (Synex II) mit 3 weiteren Titancages bestimmt und verglichen: Synex I (Fa. Synthes), Obelisc (Fa. Ulrich Medical) und X-Tenz (Fa. DePuy Spine). Alle getesteten Implantate verfügen über Funktionen, um in situ distrahiert werden zu können. Die Präparate wurden in kraniokaudaler Richtung bei konstanter Geschwindigkeit von 5 mm/min axial belastet. Kraft-Weg-Kurven wurden kontinuierlich bis zum Testende, entweder durch Einbrechen des Implantats in die Wirbelkörperdeckplatte oder markanten Abfall der Kraft-Weg-Kurve, aufgezeichnet. Kompressionsweg (dmax), maximale Kompressionskraft (Fmax) und Kompressionskräfte nach 1, 2, 3 und 4 mm Weg (F1–4mm) wurden einer Varianzanalyse (ANOVA) mit Post-hoc-Tests nach Bonferroni unterzogen.

Ergebnisse

Die 4 Wirbelkörperersatzimplantate zeigten keine statistisch signifikanten Unterschiede in Bezug auf die maximale Kompressionskraft (Fmax) bis zum Versagen: Synex II (1782 N/4,7 mm); Synex I (1645 N/4,7 mm); Obelisc (1314 N/4,2 mm); X-Tenz (1470 N/6,9 mm). Jedoch widersteht der Prototyp (Synex II) über einen Kompressionsweg bis 4 mm den größten Kompressionskräften (F1–4 mm: 300–1600 N). Dieser Unterschied war bei einem Kompressionsweg von 2 mm für Synex II (F2 mm=879 N) und X-Tenz (F2 mm=339 N) statistisch signifikant (p=0,028).

Schlussfolgerung

Das neue Endplattendesign des Prototypen gewährleistet ein verbessertes Einsinkverhalten unter uniaxial Belastung im Vergleich zu seinem Vorgängermodell (Synex I). In vitro können dadurch höhere Kompressionskräfte durch das Implantat aufgenommen werden ohne in die Wirbelkörperdeckplatte einzubrechen. Es liegt nahe, dass deshalb auch in vivo ein geringeres Risiko durch frühzeitigen Sekundärdislokation und Versagen der Implantat-Knochen-Grenze (z. B. bei Osteoporose) zu erwarten sind.

Abstract

Background

In recent years, the use of expandable titanium cages for vertebral body replacement in the thoracolumbar spine has been well established for the treatment of tumors, unstable traumatic lesions, or posttraumatic deformity. Collapse of the implant into the vertebral body remains a point of concern. A biomechanical compression test was designed to assess implant subsidence for a newly developed prototype for vertebral body replacement in the thoracolumbar spine using human cadaveric lumbar vertebrae. The objective of this study was to compare the compressive performance of a new expandable cage with modified end-plate design with three commonly available expandable cages for vertebral body replacement.

Materials and Methods

The compressive strengths at the implant-vertebral body interface were measured via axial loading of the new prototype (Synex II) in comparison with three different expandable titanium cages: Synex I (Synthes), Obelisc (Ulrich Medical) and X-Tenz (DePuy Spine). Twenty-four intact, fresh frozen human lumbar vertebrae (L1–L4) were distributed into four identical groups according to BMD (determined by quantitative computed tomography) and the vertebral level. Specimens were loaded in the craniocaudal direction with a material testing machine at a constant speed of 5 mm/min. Load displacement curves were continuously recorded for each specimen until failure (diminishment of compressive force (F)/obvious implant migration through the vertebral body endplate). One-way analysis of variance and post-hoc tests (Bonferroni) were applied to detect differences at 1, 2, 3, 4 mm displacement (F1–4 mm), and Fmax between implant groups.

Results

The four expandable cages did not show statistically significant biomechanical differences in terms of maximum compression force (Fmax) until failure: Synex II (1,782 N/4.7 mm); Synex I (1,645 N/4.7 mm); Obelisc (1,314 N/4.2 mm); X-Tenz (1,470 N/6.9 mm). However, the mean compression force until 4 mm displacement (F1–4 mm: 300–1,600 N) was highest for Synex II. The difference at 2 mm displacement was significant (p=0.028) between Synex II (F2 mm=879 N) and X-Tenz (F2 mm=339 N).

Conclusion

The modified endplate design of the new prototype was found to improve its compressive performance under constrained uniaxial loading conditions at the implant-bone interface. The improved compressive behaviour of the new implant might help to reduce the risk of implant subsidence and collapse into the vertebral body in vivo.

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Interessenkonflikt

Es besteht kein Interessenkonflikt. Der korrespondierende Autor versichert, dass keine Verbindungen mit einer Firma, deren Produkt in dem Artikel genannt ist, oder einer Firma, die ein Konkurrenzprodukt vertreibt, bestehen. Die Präsentation des Themas ist unabhängig und die Darstellung der Inhalte produktneutral.

Danksagung

Der getestete Prototyp und finanzielle Unterstützung dieser Studie wurden von Fa. Synthes bereitgestellt.

Author information

Authors and Affiliations

  1. Universitätsklinik für Unfallchirurgie und Sporttraumatologie, Anichstraße 35, A-6020, Innsbruck, Österreich

    M. Reinhold, W. Schmölz, F. Canto, D. Krappinger, M. Blauth & C. Knop

Authors
  1. M. Reinhold
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  2. W. Schmölz
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  3. F. Canto
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  4. D. Krappinger
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  5. M. Blauth
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  6. C. Knop
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Reinhold, M., Schmölz, W., Canto, F. et al. Ein verbessertes Wirbelkörperersatzimplantat für die thorakolumbale Wirbelsäule. Unfallchirurg 110, 327–333 (2007). https://doi.org/10.1007/s00113-006-1221-3

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  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00113-006-1221-3

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