Biomechanische Prinzipien bei der Metallverwendung am Knochen

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<ul><li><p>Bericht der ersten Tagung der Deutschen Gesellschaft </p><p>fiir plastische und Wiederherstellungs-Chirurgie Sonnabend, den 20. April 1963, 15.00--17.55 Uhr </p><p>Tagungsort: H6rsaal,der Chirurgischen Universit~its~,linik Mi~nchen (Eingang Pettenko/erstrafle) </p><p>Alloplastik in der Wiederherstellungs-Chirurgie* Die Verwendung yon Metallen in der Clfirurgie </p><p>Verhandlungsleiter: Professor Dr. M. ALI~(~OWER-Chur (Schweiz) </p><p>Verhandlungsleiter M. ALLGfiWER-Chur erSlfnet die Nachmittagssitzung der Deutsehen Gesellsehaft fiir plastische und Wiederherstellungs-Chirurgie am 20. April 1963, 15 Uhr, in der Chirurgischen Universit~tsklinik Miinchen: </p><p>Meine Damen und Herren! Herr Prof. v. SEEM~ war so unvorsichtig, den Boek zum G~rtner, d.h. reich zum Verhandlungsleiter zu machen. Daher bin ieh in der unangenehmen Lage, mir als Verhandlungsleiter selbst das Wort zu erteilen zum Thema </p><p>1. Biomechanische Prinzipien bei der Metallverwendung am Knochen </p><p>Von </p><p>M. ALLOfiWER-Chur~ M. E. MI3LLER-St. Gallen, R. SCHENK-Basel und H. WILLENEGGER-Liestal (Schweiz)** </p><p>Mit 11 Abbildungen in 20 Einzeldarstellungen </p><p>Der Wunsch zur inneren Schienung gebrochener oder osteotomier~er Knochen hat zweierlei Grfinde. Sie besi~zen kaum eine innere Verwand~- schaft, werden aber in der Diskussion oft durcheinander gebracht. In erster Linie mSchten wir die ~atalen Folgen der lunge dauernden Im- mobilisierung an den Gelenken und ~r - - also die Frakturkrank- heir - - vermeiden. Wenn diese Frakturkrankhei~ durch innere S~abili- sierung und sofortige Mobilisierung vermieden werden kann, so miil3te man im tt inbl ick auf das Endresultat sogar eine verzSgerte Knochen- heilung in Kauf nehmen. Der zweite Grund liegt darin, dal3 eine solche VerzSgerung der Knochenheilung bei biomechanisch richtiger Metall- </p><p>* Der erste Teil der Sitzung mit den VortrKgen fiber ,,Die Verwendung yon Kunststoffen in der Chirurgie" ersehien in Langenbecks Arch. klin. Chir., Kongrel~- band 304, 899--995 (1963). </p><p>** Vortragender : M. ALLGOW]~I~-Chur. Langenbecks Arch. klin. Chir., Bd. 305 1 </p></li><li><p>2 M. A~6w~, M. E, MiYLL~'~, II,. Se~K und H. WI~E~C~r </p><p>verwendung nicht einzutreten braucht, ja, dal~ wir im Gegenteil dem Knochen dutch riehtige Stabilisierung oft eine 8konomische, zeit- und materialsparende Abheilung yon Defekten ermSglichen k6nnen. Die Begriindung dieser Behaup~ung soll Gegenstan d tier je~zigen Aus. fiilmmgen bilden. </p><p>Das klassisehe Schema der Frakturheilung ist bekannt: Die beiden Frakturenden werden dutch einen mehr oder weniger grogen Callus immobflisier~. Ansehliegend effolg~ tier langsame Umbau des Callus in den ~ragfghigen Lamellenknoehen. Es ist anztmehmen, daft der Frak~ur- callus nieht nut die spontane lmmobflisierung der Fraktnrenden herbei- ffihrt, sondern ein zweites Element beinhaltet, das bisher zu wenig Be- aehtung gefunden hat, namlich den betr~chtlichen Wachs~umsdruck des callusbildenden Zcllverbandes. Wird beispielsweise die osteotomierte Tibia eines Schafes mit einer Platte ohne Druck vereinigt, so kommt diese Plagte im Verlaufe der Callusbildung under betr/ichtliehe Zug- spannung, die fiir eine solche Tibia in tier Gr6ftenordnung yon 50 kg liegt (WI~S~GOEi~ et al. 1962). So resultiert die unbeeinfluftte Knoehen- heilung aus spontaner Stabilisierung and Waehstumsdmck des ,,Callus- blastems". </p><p>Stabilisierung trod Druek sind fiir dan spongiSsen Knochen als Voraus- setzung einer ,,Skonomischen Knochenheilung" heute fast atlgemein an- erkannt (K~o.~CHE~., CtIAt~L~r). CHA~NLEY hat diese Erkenn~nis im Prinzip der Kompressions-Arthrodese der Klinik dienstbar gemachr </p><p>Wie steht es in dieser Beziehung mit der Corticalis bzw. den dia- physKren Knochenanteilen ? Werfen wit zun/ichst cinen Blick auf die Geschelmisse beim Embryo. Es finder sich bei allen Ossifikationsformen eine enge Bindung der 0steoblasten an die Blutgef/~13e. Der Komplex Gef/iftschlinge und Osteoblastenmantel dart als eigentliches knochen- bildendes Element angesehen werden. </p><p>Es is~ das Verdienst KtcO~IPECttE~s, dan !dassisehen Begriffen VOlt der desmalen and der chondralen Ossiffl~ation die prim/ir angiogene Ossi- fika$ion gegentibergestellt zu haben. Sic erfotgt ohne Bildung eines inter- medi~.ren Hflfsgewebes. Dieses Verkn6cherungsprinzip ist alIerdings nut an wenigen SteIlen des embryonalen Organismus aufzufinden, weft seine biomechanischen Voraussetzungen - - n/imlich tin mechanisch neutrales Feld - - nur an wenigen Stellen des K6rpers gegeben sind, wie z. B. am Sch/idel. Wenn wir uns trotzdem damit befassen, so darum, well wit bei der mechanisch neutralisiei~en Fraktur des Erwachsenen ganz/~hn- liche Vorg/inge beobachten k6nnen. I)as Gesagte sei an eiIfigen Bildern illustriert (die der Vortragende Herrn Prof. SCHE~K verdankt) : Ant der Gesamtansieht des Seh/tdeldaches einer jungen Ratte erkennt man im Nahtbereich das dieke Netz der Gef~gsehlingen. Knochenschliffe naeh Rvrt~IC~T zeigen in den Orig~alzeichnungen yon KI~OM~CI~E~ die Ge- f/iBe and die sie begleitenden OsSeob]asten. Knochenschnitte naeh </p></li><li><p>Prinzipien bei der Mer am Knochen 3 </p><p>K~OMpECU~s ursprtingIicher Technik gef/ixbt, zeigen die Osteoc~en in ihrer Anordnung zu den Gef~l~en. Gef/~l~wand und Osteoblasten sind abet wenig deutlich voneina~nder ge~renn~. Mit geeigneten hlstochemi- schen Reaktionen (Siethylgriin-Pyronin) lassen sich beute die Osteo- blasten mit alter Deutliehke~ hervorheben. Es zeigt sieh dadnrch im Pra.parat besonders eindriieklieh die Einheit des knochenbfldenden Ele- menf, es, ngmlich BIu~gef/iBsehlinge und Osteoblastenman~el. </p><p>Sobald die Ossifika$ion in mechanischen Spa~nungsfeldern erfolg~, werden die yon Osteoblasten tnnhfi~ten Gef/if~netze dnrch Int:ermediar- gewebe gegen die meehanisehen Einftfisse abgesehh~mt. Dies fiihr~ ent- weder zur chondralen oder zur desmalen Ossifikation. Die desmMe Ossi- fikation bedeutet Ausbildnng eines provisorischen Bindegewebsnetzes znr Absehirmung der Ossifikation gegen Zugspannungen, ehondrale Ossi. fikation beruht andererseits auf Einsehaltung yon Knorpel als Inter- mediargewebe zum Schutze gegen direk~e Druekwirkung. Gerade bei dieser ehondralen Ossifikation ist es reizvoll, an einigen Praparatcn die Tatigkeit der EinheR Gef~i.f~schlinge und 0steoblastenmantel zu stu. dieren: Beim klassisehen entkalk~en Pr~parat, bei dem die mesen- chymalcn Elemen~e fibel zugerichtet werden, trit~ das Knorpelgerfis~ nnd die neugebildete Knochensubsta.nz als domh~ierendes Element in den Vordergrund. Ganz anders aber prasentie~ sich die Zone, wenn unentkalkte Dannsehnitte z~w Untersuchung herangezogen werden. Ins- besondere Querschnitte durch die VerknSehemngszone belegen noch besser den KompIex Gefa6sehtinge and Osteoblastenmantel auch fiir fiir diese enehondraie Ossifikatdonsform. Die embryonale Ossifikation l~13t sieh also in dem foIgenden Schema restimieren: </p><p>Schema I. Embryo~ate Ossi/ikationsvorg~inge 1. Knochenbfldende Etemente = B]ut, gefgBe -~ Osteoblast~n, 2. Die Ossifikar er~otgt nut in meehanisch stabilisier~en Zonen, gegebenen- </p><p>fails iiber ein intermedigres Stiitzgewebe. </p><p>........ Ossifika~ion in ! Interme4iii~res SVdtzgewebe Oss~fika~ions~}'p </p><p>Zugspannungsfeld 1 Bindegewebe Druckspannungsfeld Knorpet </p><p>~Mechanisch neutrale Zone I </p><p>desmale Ossifikation chondrale Ossifika~ion </p><p>primgr angiogene 0ssifika~ion (Kao~eH~) </p><p>Wit heben diese ffir den Embryo fundamentalen Vorg~nge hervor, weft die gleiehen Potentialit~ten dem erwachsenen Knoehen weitgehend erhalten bleiben. Wenn der Gruppe ,,Arbeitsgemeinscha/t /i~r Osteo- synthese]ragen" und den mit Jhr zusammenarbeitendcn Grundiagen- forschern vielleicht ein kleines Verdienst zukomm%, so dasjcIfige, auf die MSglichkeit der direkten angiogenen Ossifikation des erwaehsenen Knochens - - insbesondere auch im Corticalisbereich ~ hingewiesen zu haben. </p><p>1" </p></li><li><p>Ich mSehte die~ Probteme am BeLspiel der diaphysaren Cort,icalis verdeu~liehen. Vorerst, habe ich Ihnen fiber die Versuehe yon BASSl~T:S aus der Columbia University zu referieren, der sich eingehend mit, der Cor~iealisregenerat,ion in einer Defektwunde der Hundediaphyse befal~t hat,. M]t Itilfe der eiweil~durchl/~ssigen, zellundurchl/issigen Millipor- Membran war es ibm mSglich, den Corticalisdefekt je nach Versuchs- anordnung gegen das Endost, gegen das Peri0s~, oder gegen beide ab- zuschirmen. Er konnt,e so die Cort,iealisregeneration unter verschiedenen </p><p>Abb. 2, Norm~le Corticalis, lianas. Obersicht 3'2:1. Reichliche, verzweigte ttaverssche Kanfi,le </p><p>Bedingungen s~udieren. Hier seine Resul~ate: Bei geeigneter Versuchs. anordnung t~,f~t sich eine direkt,e Co~iealisregenerat,ion ~us den }Iavers. sehen Kanalen feststellen, und zwar entsteht direkt ein in Os~eonen aufgebauter, geordneter Knochen. Unsere ArbeitsgTuppe hat sieh an der Diaphyse des SchweL~s, des Scha~es und des Hundes ebenfa]]s mi~ ~hnliehen Fragen befa~t und wh" sind Herrn Prof. Scm~ f~h" die Aul- urbe~tung und vet a]lem fiir die Interpretation unserer Prgpa, ra, te zu gr6f,~tem D~nk verpflichtet. Vorerst refer'fete ich Ihnen fiber die Beob~ aehtungen an der Tibi~diaphyse des Schafes, an der die Cortiealis- vergnderungen nach einer dutch Pla~ten stabilisiert,en Ost,eot,omie mi~ feinstem Siigeblatt studiert wurden: In Abb. 1 sieht, man die noIlnale Cort,icalis des Sehafes mit, ihren relehlich verzweigt,en I-Iaverssehen Kan/ilen. Abb. 2 entspricht der Cori;icalis in unmi~t,elbarer 5I/~he der Os~eo~omJestelle, 4 Wochen nach der Osteot,omie. Es finder sich eine starke Erweiterung der Haversschen Kan/ile in den devita,|isierten. </p></li><li><p>Prinzipien bei der Metallverwendung am Knochen 5 </p><p>Zonen. Dieser Prozeft loiter die sog. ,,creeping substitution" ein. Abb. 3 zeigt in einem solchen Haversschen Kanal einen eigentlichen ,,Bohrkopf" aus Osteoklasten, Blutgef~l]en und mesenehymalen Elementen, der gegen die Osteotomiestelle vordringt und den toten Knoehen abbaut. Abb. 4 beweis~, daI~ sogleieh nach dem Abbau aus den erweiterten Haversschen Kan~len aueh der Aufbau wieder erfolgen kann. Um den Haversschen Kanal herum findet sich neuer Knoehen mit kerlfltaltigen Osteocyten. </p><p>Abb. 2. Corticalis in ulxmittelbarer Nachbarschaft der Frakturstelle. ~f3bersieht 32:1. Starke Erweiter lmg tier Haversschen Kan~le in den 4evitalisierten Zonen. ,,Spongiosierung </p><p>tier Corticalis" nach WILI~ENEGGER. Einleitung tier ,,creeping substitut ion" </p><p>Die nachste Bilderreihe resfimiert histologische Beobaehtungen nach stabilen Osteos~=a~hesen beim Hund. Es wurde eine sehr feine 0steo- ~omie am Radius angelegt and mit einer 4-LochplaCte ohne Druek s~abili- siert. Die histologisehe Untersuchung wurde 4 Woehen naeh 0s~eo~omie durchgefiihr~. Nach dieser Zeit war die Fraktur stabil and es liel~en sieh sogar Knoehensehliffe des verfesr Frakturspaltes herstellen (Abb. 5). Die Osteotomiestelle ist knSchern ausgefiillt, die Knoehen- enden sind lest vereinigt. Blutgef~l~e wachsen aus den Itaversschen Kan~len in die Spalte vor. Bei der Fuehsinf~rbung wird neugebildeter Knochen in der Substanz intcnsiver gef~rbt. Abb. 6 zeig~ einen Aus- schnitt desselben Praparates bei grSSerer Vergr56erung. Besonders sehSn last sieh die Verbindung eines Haverssehen Kanals mit einem Gef~l~ im Bereich der Os~eot.omies~elle erkennen. Die Aktivitat der Os~eoklasten ist beendet, die Gefa,~e sind mit einem I~fantei aus </p></li><li><p>6 M. ALLG6W]~, M. E. MULLER, ]~. SCttENK und g . ~rILLENEGGEI~: </p><p>Osteoblasten umgeben, welche neuen Knochen anbauen. Die Methyl- grfin-t&gt;yronin-Ffi, rbung hebt die 0steoblas~en infolge ihres hohen Ge- haltes an Ribonucleins~ure im Cytoplasma rot hervor. </p><p>Abb, 3. Ent la~ eines thrombosier~en Haversschen Gef~.Bes schiebt sich eiu ,,Bohrkops aus Osteoklasten, Blutge~,Ben v:u4 ,,mesenchynlal.en Elementen" gegen die </p><p>Osteotomieste]le vor un4 baut toten Knochen ab. 200:1 </p><p>Abb. 4. :~euaufbau yon Osteonlamellen ~uf die ~Vand der Resorptionskau~le. 200:1. Neuer ]~nochen ~nit kernhaltige~ Osteoe~%en, devitalisierte Zonen kernlos </p></li><li><p>Prinzipien bei der Met~llverwendung ~m Knochen 7 </p><p>Naeh diesen Untersuchungen yon BASSET~ wie aueh yon unserer Gruppe diirfte die angiogene 0ssifikation im neutralen Feld einer Corti- calisos~eotomie eindeutig bewiesen sein. Es ist dies eigentlieh niche </p><p>Abb. 5. Osteotorniezone l~ngs, Schliff, Fuchsinfiirbung, 80:1. Die Osteotomiestelle ist knSchern ausgefiillt, die , ,Frakturenden" sind fest vereinigt. Blutgef~Be wachsen aus den Haversschen Kan~len in die Spalte vor. Bei der Fuchsinf~rbung wird neugebfldeter Knochen </p><p>in der Substanz intensiver gefarbt </p><p>Abb. 6. Gleiches Prgparat , 200 : 1. Verbindung eines Haversschen Gefgl~es mit einem GefgB ira Bereich tier Osteotoiniestelle. Neugebildeter Knochen und junge Oste0cyten gut </p><p>erkennbar. Die angrenzenden Cortiealispartien sind teflweise nekrotiseh </p></li><li><p>8 M. ALLGSWER, M. E. MiiLL~R, R. SCHEI~K und H. WLLLENEGGER." </p><p>verwunderlich, wenn man an den intensiven An- und Abbau dcr Corti- calisosteone denkt, wie er sich st~ndig abspiel~ und durch Einlagerungs- versuche radioaktiver Substanzen dargestellt werden kann. Die Ent- wicklung eines Osteons dauert nach PO~LOT und L~cRoIx etwa 3 Monate. </p><p>Ein spezielles Wort verdient noch die Bedeutung des Druckes Ifir die Ossifikation. Es wurde ausgeffihrt, dab Knorpel unter Umsti~nden die Gef~f~-Osteoblastensprossen vor starkem Druck abschirmt. Dosierter Druck scheint abcr doch die Ossifikation yon 0steoblas~en f6rdern zu kSnncn. BASSETT hat in sehr eleganten Gewcbeziichtungsversuchen die Knochenbildung in vitro studiert, indem er embryonale Osteoblasten- kulturen zwei verschiedenen Bedingungen unterwarf: In der einen Serie wird das Mutterstfick wiederholt ausgeschnitten. Das Zentrum der Kultur kommt unter den Druck der Wachstumszone und verknSchert. Bei der zweiten Serie von Gewebekulturen wird die Kultur jedesmal auf einen zentralen Stab zunehmender Dicke aufgezogen, so dab die inneren Anteile der Wachstumszone unter Zug kommen. Es entsteht lediglich desmales Bindegewebe. Durch Variation des Sauerstoffgehaltes im Zfichtungsmedium konnte schlie$lich BASS~TT folgendes Resultat er- reichen : </p><p>Schema 2. Mechanische Beeinflussung der Sti~tzgewebsdi//erenzierung in vitro </p><p>ZeU]culturen (BAssETT) Embryonale Osteoblasten </p><p>Zug q- O~ Druck -- O~ Druck q- 0 2 </p><p>faseriges Bindegewebe Knorpel Knochen </p><p>Ergebnis: Embryonale Osteoblasten kSnnen ihre knochenbildenden Potenzen nut verwirklichen, wenn sie reichlich mi~ Sauerstoff versorgt werden und unter einer allseitigen hydrostatischen Kompression stehen. Bei Sauerstoffmangel enb- wickelt sich Knorpel (anaerober Stoffwechsel der Knorpelzellen!), bei Zugbean- spruchungen Bindegewebe. </p><p>Ffir den erwachsenen Knochen ist die Situation noch etwas undurch- sichtig, well jede Druckanwendung naturgemi~f~ zugleich die Stabilit/~t einer Montage erh6ht. Wir werden auf diese Frage beim Problem der Pseudarthrose nochmals zuriickkommen. </p><p>Welches sind nun die technischen Mittel, um die mSglichst 6kono- mische, d. h. direkte angiogene Ossifikation beim Erwachscnen herbei- zuffihren ? Wir brauchen Stabiliti~t, vielleicht mit Vorteil auch axialen Druck und Druck im Frakturspalt. Letzte...</p></li></ul>