Bone substitutes and bone formation

Summary

Prompted by severe problems in autogeneic and allogeneic bone transplantation, intensive efforts were made to find sufficient substitutes. A main demand on these materials, especially in healing of osseous defects, is to achieve results comparable to those of auto- or allografts. These must be related to their biomechanical and particularly to their biological properties, i. e. the ability to form new bone, osseous integration and physiological remodeling. Within different trials in the tibiae of sheep we investigated bone substitutes like hydroxyapatite ceramics (HA) or partially demineralized bone matrix (pDBM) and compared them to the gold standards of autogeneic and allogeneic bone transplantation. Therefore we used two different models: the drill hole model with small size defects of 6 mm in diameter and the shaft defect model as a true-to-life defect with a 5 cm large diaphyseal defect. Evaluation was done by X-rays, histology, microradioraphy, fluorescent microscopy and morphometry of the small size defects. HA showed only small effects on new bone formation and works merely as an osteoconductor. However, excellent new bone formation was regularly achieved by pDBM in the small defects, whereas it was limited in the large size defects. But considering their mechanism of action, it is possible to bridge large bone defects by pDBM.

Zusammenfassung

Probleme der autogenen wie allogenen Knochentransplantation bedingten u. a. eine intensive Suche nach geeigneten Ersatzmaterialien. Insbesondere bei der Heilung von knöchernen Defekten sollen durch Knochenersatzmaterialien den Knochentransplantaten ähnliche Ergebnisse erzielt werden; dies sowohl in bezug auf ihre biomechanische Belastbarkeit als auch – und dies im besonderen – auf Ihre biologischen Eigenschaften; d. h. die Fähigkeit zur Knochenneubildung, zur knöchernen Integration bis hin zum physiologischen Remodelling. In verschiedenen experimentellen Modellen an der Schafstibia wurden unterschiedliche Knochenersatzmaterialien wie Hydroxylapatitkeramiken aber auch biologische Ersatzmaterialien wie teildemineralisierte Knochenmatrix von uns untersucht und mit den Standardverfahren der autogenen wie allogenen Spongiosatransplantation verglichen. Hierzu verwendeten wir einerseits das Bohrlochmodell der Schafstibia als Kleindefektmodell mit 6-mm-Bohrdefekten und andererseits das Schaftdefektmodell der Schafstibia als Großdefektmodell mit 5 cm großen Kontinuitätsdefekten der Diaphyse. Die Auswertungen erfolgten anhand von Histologie, Mikroradiographie, Fluoreszenzmikroskopie sowie Morphometrie im Kleindefektmodell und Röntgenverlaufskontrollen im Großdefektversuch. Hydroxlapatitkeramiken zeigten hierbei nur eine geringe Eigenleistung bei der Knochenneubildung. Sie dienen lediglich im Sinne der Osteokonduktion als Leitschiene. Knochenmatrixpräparate hingegen zeigen eine rege Knochenbildung im Kleindefekt, stoßen jedoch im Großdefekt an die Grenze ihrer Leistungsfähigkeit. Unter Berücksichtigung ihres Wirkprinzips können durch diese aber auch große Defekte knöchern ausgeheilt werden.