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Titel: Biomechanische Studie an porcinen Testpräparaten zur tibialenFrontcross Fixation des Patellarsehentransplantates (BTB) zumvorderen Kreuzbandersatz in transtendinöser und extratendinöserTechnik mit bovinen Kompaktapins (CB-Pins)
Autor: Tuschen, Stefan
Weitere Beteiligte: Schnabel, Michael (Professor Dr.)
Erscheinungsjahr: 2011
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2011/0237
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2011-02378
DOI: https://doi.org/10.17192/z2011.0237
DDC: Medizin, Gesundheit
Titel(trans.): Biomechanical study at porcine knees for a tibial frontcross fixation of a patellar bone-tendon-bone transplant (BTB) with bovine cortical bone pins in transtendon und extratendon technique for anterior-cruciate ligament substitution

Dokument

Schlagwörter:
Fixation technique, Porcine, Schwein, Kompaktapin, Fixationstechnik, Biomechanische Studie, Ligamentum cruciatum anterius, Cortical bone pin, Biomechanical study

Zusammenfassung:
Rasche Mobilisation und frühes Muskeltraining in der Kreuzbandchirurgie führen sowohl zu einzelnen Spitzenbelastungen als auch zu zyklischen Belastungen auf das fixierte Transplantat. Die in dieser Arbeit untersuchte Crosspin-Fixation in der transtendinösen und extratendinösen Frontcross-Technik mit einem CB4 oder CB5 Kompaktapin ist ein biologisches Fixationsverfahren für das BTB-Transplantat. An einem Frontcross-Belastungsmodell wurde in einem kombinierten Scher- und Biegeversuch nachgewiesen, dass nach single-load und nach vorhergehender zyklischer Belastung, die maximale Bruchkraft der Kompaktapins mit 600,7 N bzw. 735 N in den Gruppen mit CB4 Pin und mit 1393,9 N bzw. 1452,5 N in den Gruppen mit CB5 Pin oberhalb der Maximalbelastung während der Rehabilitation liegt. In einem zweiten Vorversuch wurde an der Tibia vom Schwein der Einfluss des dorsalen Bohrkanalabstandes bzw. der Implantationstiefe der Kompaktapins in der Spongiosa auf deren Bruchfestigkeit bestimmt. Sowohl in den drei Gruppen mit CB4 Pin mit einer durchschnittlichen maximalen Bruchkraft von 535,2 N bis 558,7 N als auch in den drei Gruppen mit CB5 Pin mit einer durchschnittlichen maximalen Bruchkraft von 1222,7 N bis 1332,7 N fand sich kein signifikanter Unterschied zwischen einer Implantationstiefe von 3,5 cm, 4,5 cm oder 5,5 cm am Tibiakopf des Schweins. Um das Ausmaß der Ligament¬schädigung zu bestimmen, wurde in einem weiteren Vorversuch die maximale Reißkraft isolierter BTB-Transplantate vom Schwein nach Einbringen eines CB4 bzw. CB5 Kompaktapins vor dem Knochenblock mit einer Kontrollgruppe verglichen. Sowohl nach Implantation eines CB4 als auch eines CB5 Pins kam es zu keiner signifikanten Verminderung der maximalen Reißkraft im Vergleich zur Kontrollgruppe. Allerdings zeigte sich bei einer durchschnittlichen maximalen Reißkraft von 978,8 N in der Kontrollgruppe und 953,4 N in der Gruppe mit CB4 bzw. 880 N in der Gruppe mit CB5 Pin eine kritisch zu bewertende Abnahme der maximalen Reißkraft bei zunehmendem Pindurchmesser. Im Hauptversuch wurden für fünf Varianten der Frontcross-Fixation jeweils sowohl nach single-load als auch nach vorhergehender zyklischer Belastung die maximale Haltekraft und die Steifigkeit des gesamten Systems bestimmt. Bei der transtendinösen Technik der Frontcross-Fixation wurde ein Kompaktapin direkt vor dem Knochenblock und mittig durch den Patellarsehnenstreifen eingebracht wird. Bei zwei extratendinösen Varianten wurde der Knochenblock um 90 Grad im Bohrkanal gedreht und ein Kompaktapin parallel zur Unterfläche der Patellarsehe plaziert. In einer fünften Variante wurde die Länge des Knochenblocks auf 10 mm reduziert und ein CB5 Pin in der transtendinösen Technik eingebracht. Insgesamt wurden so 10 Gruppen mit jeweils mindestens 10 Ausrißversuchen in Bezug auf die maximale Haltekraft und die Steifigkeit der einzelnen Varianten miteinander verglichen. Die Messungen konnten zeigen, dass die mittlere maximale Haltekraft aller Varianten mit 619 N – 962 N deutlich über den Belastungen währen einer Rehabilitationsphase lag. Auch eine vorhergehende zyklische Belastung wie sie während der Krankengymnastik auftritt, führte nicht zu einem signifikanten Unterschied im Vergleich zum single-load (p=0,587). Allerdings fand sich in den Gruppen mit 10 mm Knochenblock und CB5 Kompaktapin eine signifikant schlechtere maxiamle Haltekraft als in den Gruppen mit 20 mm Knochenblock und CB5 Kompaktapin (p<0,001 und p<0,009), bedingt duch eine Schwächung der Sehneninsertion und ein Vorbeigleiten des Knochenblockes an dem Kompaktapin. Als weiterer biomechanischer Parameter wurde die Steifigkeit des Fixationssystems untersucht. Im Gegensatz zum single-load mit durchschnittlich 56,1 bis 71,6 N/m verbesserte sich die Steifigkeit signifikant (p<0,001) nach zyklischer Belastung auf durchschnittlich 137,7 bis 173,8 N/m. Dies ist auf ein Nachrutschen und Setzen des Systems während der ersten Zyklen zurückzuführen. Hierdurch konnte die Bedeutung des Präkonditionierens des gesamten Systems während der operativen Versorgung aufgezeigt werden. Diese liegen Werte noch immer unterhalb der Steifigkeit eines nativen Kreuzbandes liegen, allerdings weisen nur wenige Fixationssysteme eine ähnlich gute Steifigkeit auf. Das hier vorgestellte Verfahren gewährleistet eine stabile Fixation des BTB-Transplantates auch bei verminderter Knochenqualität, verbunden mit der Möglichkeit einer Rumdumheilungsmöglichkeit der Transplantatblöcke. Die Frontcross Fixation weist in dieser Versuchsserie vielversprechende biomechanische Parameter auf und kann in mehrfacher Hinsicht einen wesentlichen Beitrag zur Optimierung der Transplantatfixation leisten. Allerdings ist eine Übertragung von Ergebnissen, die in einem Tierversuchsmodell erhoben wurden, auf humane Kniegelenke immer kritisch zu beurteilen. Daher sind weitere Messungen an Spenderkniegelenken des jungen Menschen im Vergleich mit bereits in der Praxis bewährten Fixationssystemen notwendig.

Summary:
Rapid mobilization and early muscle training in cruciate ligament surgery result in both individual peak loads and cyclical load on the fixed transplant. The cross-pin fixation method analyzed here, using trans-tendon and extra-tendon front-cross techniques with a cortical bone pin with 4mm (CB4) or 5 mm (CB5) diameter, is a biological fixation for BTB transplants. In a front-cross load model, it was shown in a combined shear and bend trial that after single loads and previous cyclical loads, the maximum CB pin breaking strength was 600.7 N or 735 N in the groups with a CB4 pin, and 1393.9 N or 1452.5 N in the groups with a CB5 pin above maximum load during rehabilitation. In a second preliminary trial, the influence of the dorsal drilling channel distance or the implantation depth of the pin in cancellous bone was tested for breaking strength using a porcine tibia. In both cases—the three CB4 pin groups with an average maximum breaking strength of 535.2 N to 558.7 N and the three CB5 pin groups with an average maximum breaking strength of 1222.7 N to 1332.7 N—there was no significant difference between implantation depths of 3.5 cm, 4.5 cm, and 5.5 cm in the porcine tibia heads. To determine the extent of ligament damage, in a further preliminary trial the maximum tensile strength of isolated BTB porcine transplants was compared with that of a control group after the implantation of CB4 or CB5 pins in front of the bone plug. Following the implantation of both CB4 and CB5 pins, there was no significant reduction in maximum tensile strength until failure compared to the control group. However, with an average maximum tensile strength of 978.8 N in the control group, 953.4 N in the CB4 pin group, and 880 N in the CB5 pin group, maximum tensile strength decreased with increasing pin diameter to a degree that may be critical. In the main trial, maximum retention strength or maximum load until failure and the rigidity of the entire system were determined for five variants of front-cross fixation after both single loads and cyclical load. In the trans-tendon technique of front-cross fixation, a CB pin was inserted directly in front of the bone plug and through the middle of the patellar tendon. In two extra-tendon variants, the bone plug was turned by 90 degrees in the drilling channel and one CB pin was placed parallel to the underside of the patellar tendon. In a fifth variant, the length of the bone plug was reduced to 10 mm and a CB5 pin inserted with the trans-tendon technique. In this way, a total of 10 groups were compared for the maximum load until failure and rigidity of the individual variants in at least 10 stress trials. Measurements showed average maximum loads until failure from 619 N to 962 N in all variants—significantly higher than forces in a rehabilitation phase. Previous cyclical loads, such as occur during physical therapy, did not result in a significant difference compared to maximum failure loads in single loads groups (p = 0.587). However, the groups with the 10 mm bone plug and CB5 pin had significantly lower maximum failure loads than the groups with the 20 mm bone plug and CB5 pin (p < 0.001 and p < 0.009) due to the weakening of the tendon insertion and the bone plug slipping past the CB pin. As another biomechanical parameter, the rigidity of the fixation system was studied. In contrast to groups with single loads averaging 56.1 to 71.6 N/m, rigidity improved significantly (p < 0.001) after initial cyclical load, to an average of 137.7 to 173.8 N/m. This can be attributed to a very limited slipping and settling of the system during the first cycles. It showed the importance of preconditioning the entire system during surgical care. The values are still lower than those for the rigidity of a native cruciate ligament, but fixation systems that have similarly good rigidity as shown in this study are few. The technique described here ensures stabile fixation of the BTB transplant even with low bone quality, along with the possibility of comprehensive healing and in-growth of the transplant plugs. In this trial series, front-cross fixation exhibited promising biomechanical parameters and could contribute to the optimization of transplant fixation in a number of important ways. However, transferring the results of an animal trial model to human knee joints would require critical evaluation. Therefore, further measurements are needed on donor knee joints from young individuals in comparison to fixation systems that have been proven in practice.


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