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Z Orthop Ihre Grenzgeb 2006; 144(5): 539-544
DOI: 10.1055/s-2006-942168
Grundlagenforschung

© Georg Thieme Verlag Stuttgart · New York

In-vivo-Analyse zur systemischen Verteilung von metallischen Abriebpartikeln

Systemic Spread of Wear Debris - An In-Vivo StudyB. Burian1 , M. A. Wimmer2 , J. Kunze3 , C. M. Sprecher4 , P. H. Pennekamp1 , L. V. von Engelhardt1 , O. Diedrich1 , C. N. Kraft5
  • 1Klinik und Poliklinik für Orthopädie, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
  • 2Department of Orthopedics, Section of Tribology, RUSH University Medical Center, Chicago, USA
  • 3Technische Universität Hamburg Harburg, Zentrallabor Chemische Analytik
  • 4AO Forschungsinstitut Davos, Tissue Morphology Group, Schweiz
  • 5Klinik und Poliklinik für Orthopädie, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
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Publication Date:
22 September 2006 (online)

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Zusammenfassung

Studienziel: Ziel dieser Studie war es zu beurteilen, inwieweit es nach peripherer Implantation von Abriebpartikeln aus rostfreiem Edelstahl und Reintitan zu einer systemischen Verteilung in parenchymatöse Organe kommt. Methode: In eine an der Rückenhautfalte des Syrischen Goldhamsters angebrachte Beobachtungskammer erfolgte die Implantation von 2 mm3 rostfreien Edelstahl- bzw. Titanpartikeln. Tiere ohne Abriebimplantation dienten als Kontrollgruppe. Vor sowie 24 h und 14 d nach Partikelimplantation wurden Blutproben entnommen. Nach 14 Tagen wurden Gewebeproben aus der Implantatstelle sowie aus Organhälften von Herz, Lunge, Leber und Milz histologisch sowie elektronenmikroskopisch nach systemisch verteilten Partikeln untersucht. In den anderen Organhälften sowie in den Blutproben wurde mittels Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma- bzw. Graphitrohr-Atomabsorptionspektrophotometrie der Gehalt an den Elementen Chrom, Nickel und Titan gemessen. Ergebnis: An der Implantatstelle der Tiere mit Titanabrieb waren histologisch freie und phagozytierte Partikel ohne pathologische Gewebereaktion zu beobachten. In der Edelstahlgruppe fand sich dagegen eine massive Entzündungsreaktion bis hin zur Nekrosebildung. In der Blut- und Organanalyse dieser Gruppe zeigten sich deutlich erhöhte Werte für Chrom, wohingegen Nickel nur in der 24 h Blutprobe erhöht war. Die Organanalyse der Tiere mit implantiertem Titanabrieb ergab signifikant erhöhte Werte für das Element Titan, jedoch keine signifikante Diskrepanz zwischen den Blutproben. Histologisch ließen sich in keinen Organen Partikel nachweisen. Schlussfolgerung: Edelstahlpartikel haben im Vergleich zu Titanpartikeln ein ausgeprägteres inflammatorisches Potenzial. Erhöhte Blutserumspiegel der Elemente weisen zusammen mit Anreicherungen von Legierungsbestandteilen und Korrosionsprodukten in verschiedenen Organen auf eine hämatogene systemische Verteilung von ionalen Bestandteilen der Abriebpartikel hin.

Abstract

Aim: The aim of this study was to elucidate whether there is a systemic spread of wear debris from peripherally applied stainless steel and titanium particles into the blood and subsequently to parenchymatous organs. Furthermore, we report on histological findings at the implantation site. Method: In Syrian Gold hamsters we implanted 2 mm3 wear debris of stainless steel and titanium into the dorsal skin fold chamber. Over a period of 2 weeks we took blood samples and afterwards explanted the implant area, the heart, lung, liver and spleen. One half of the organs and the implant area were used for histological analysis. The other half of the organs and the blood samples were analysed by optical emission spectrometer with inductively coupled plasma and graphite furnace atomic absorption spectrophotometry for their contents of chromium, nickel and titanium. Results: In the group with titanium particles, histological analysis of the implant site showed moderate phagocyted wear in granulocytes but no other pathological findings. Animals treated with stainless steel wear debris had a massive inflammatory reaction, in some cases leading to necrosis. The analysis of the blood and one half of the organs showed increased levels of chromium and, already 24 hours after implantation, raised values for nickel. The result of the hamsters treated with titanium showed significantly elevated levels of titanium ions in the organs, but not in the blood samples. Histology of the organs did not reveal pathological findings. Conclusion: In this study we could show a massive inflammatory reaction for stainless steel wear debris in contrast to titanium wear debris at the implantation site. The elevated blood levels of chromium and increased values of other metals in the organs suggest the haematogenic distribution of ions from the peripherally implanted wear debris.

Schlüsselwörter

Osteosynthesematerial - Abriebpartikel - systemische Verteilung - Organanalyse

Key words

osteosynthesis - wear debris - haematological distribution - organ analysis

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Dr. med. B. Burian

Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität · Klinik und Poliklinik für Orthopädie

Sigmund-Freud-Str. 25

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