Eberhard Werner

The effects of mechanical factors on bio-compatibility tests

Evaluation of materials for bone and joint replacement has led to contradictory results in a number of cases: some researchers have reported the formation of good load-bearing bone structures along the surface of a particular material, e.g. dense, high strength Al2O3-ceramics, others found the same material encapsulated by soft tissue. Considering the results of various animal experiments and the evaluation of clinical follow-up studies, it can be shown that many of these conflicting observations are due to different biomechanical conditions at the site of examination. Failure to consider the local load situation at the interface between the implanted specimen and the bone tissue can lead to misleading statements about the possible applications of a material.

Vergleichende experimentelle untersuchungen an Al2O3-keramik und mit mod. Bioglas (L. L. Hench) beschichteter Al2O3-keramik

This report is based on 4 comparative experimental series is sheep using a cementfree total hip replacement model. Basically a smooth stem design was compared to a step stem design for biomechanical interlocking anchorage. Both designs were implanted as pure high density Al2O3-ceramic components and as Al2O3-ceramic parts coated with Bioglass or Bioglass-ceramic (post op. follow up 13 months, 17 animals). None of the 4 stem modifications showed a tendency for permanent stabilisation or bonding in bone. Besides insufficient bonding of the glass coatings to the substrate and apparent biodegradability of the bioglass coatings in the body, insufficient biomechanical knowledge of endosteal direct anchorage of prosthetic devices is the main reason for failure in these experiments. An exclusive biochemical way of anchoring prosthetic parts in the marrow cavity is rejected. The results presented are discussed in the light of the recent literature.SummaryThis report is based on 4 comparative experimental series in sheep using a cementfree total hip replacement model. Basically a smooth stem design was compared to a step stem design for biomechanical interlocking anchorage. Both designs were implanted as pure high density Al2O3-ceramic components and as Al2O3-ceramic parts coated with Bioglass or Bioglassceramic (post op. follow up 13 months, 17 animals). None of the 4 stem modifications showed a tendency for permanent stabilisation or bonding in bone. Besides insufficient bonding of the glass coatings to the substrate and apparent biodegradability of the bioglass coatings in the body, insufficient biomechanical knowledge of endosteal direct anchorage of prosthetic devices is the main reason for failure in these experiments. An exclusive biochemical way of anchoring prosthetic parts in the marrow cavity is rejected. The results presented are discussed in the light of the recent literature.ZusammenfassungEs wird über 4 vergleichende Experimentalserien von zementfreiem Hüftgelenkersatz beim Schaf berichtet. Eine glatte markraumfüllende Schaftform wurde mit einem stufentragenden Schaft zur biomechanischen Verankerung verglichen. Beide Schaftformen wurden als refine dichte Al2O3-Keramikschäfte und nach Überzug der Verankerungsteile mit Bioglas und keramisiertem Bioglas (Glaskeramik) vergleichend implantiert (Implantationszeit bis 13 Monate, insgesamt 17 Tiere). Keine der 4 Schaftmodifikationen zeitigte dauerhafte Verankerungstendenz. Neben ungenügender Haftfestigkeit der Glasüberzüge und unzureichender Biostabilität der Beschichtungen wird vor allem die noch ungenügend erforschte Biomechanik der endostalen zementfreien Prothesenverankerung für die Fehlschläge verantwortlich gemacht. Ein rein biochemischer Verankerungsmechanismus für lastübertragende Prothesen wird abgelehnt. Die Ergebnisse wurden im Lichte der neuesten Literatur ausführlich diskutiert.

Was bedeutet die resorption des calcar femoris nach der totalendoprothesenoperation der Hüfte

SummaryBased on radiographs this investigation makes effort to differentiate several possible osseous reactions (resorption, apposition, remodelling) at the calcar femoris following total hip replacement. A series of patients with Charnley-Müller and McKee-Huggler type total hip replacement is compared to a series of patients with the Lindenhof-type Al2O3-ceramic hip replacement.Three different types of calcar femoris resorption as well as two types of so-called calcar adaptation could be distinguished throughout this study.Type I calcar resorption is related to post operative disturbance of vascularisation of this area, type II calcar resorption is mainly due to foreign body reaction against wear-particles and PMMA fragments, type III calcar resorption is mainly connected to stem loosening. In series 153 p.c. of all cases had calcar resorption (thereoff: 70 p.c. type I; 18 p.c. type II; 12 p.c. type III), in series 11 only 10 p.c. of all cases showed calcar resorption (4 p.c. type I; 6 p.c. type III). In series II two adaptive calcar reactions (1. atrophy of calcar femoris, 2. remodelling of calcar femoris without deficit in contour) could be distinguished. The reasons for these adaptive mainly biomechanical calcar reactions are discussed in detail reflecting the fact that in series II Charnley- and Weber-type stems were inplanted both having only a small collar. Based on this discussion consequences for a new stem design are formulated, the new design is presented.ZusammenfassungDie vorgelegte Untersuchung versucht eine Unterscheidung verschiedener ossärer Reaktionen (Resorption, Anbau, Umbau) am Calcar femoris nach Totalendoprothesenoperation aufgrund röntgenologischer Kriterien aufzulisten. Es wird hierzu ein Krankengut bestehend aus Charnley-Müller- sowie McKee-Huggler-Prothesen (Serie 1) mit Keramik-Keramik-Prothesen Typ Lindenhof (Serie 2) verglichen. Dabei können 3 distinkte Typen einer Calcar-resorption (CR) Bowie 2 Typen einer sogenannten Calcar-adaptation herausgearbeitet werden. Ursächlich wird für den Typ 1 einer Calcar-resorption die Durchblutungsstörung der Resektionsfläche, für den Typ 2 die biologische Reaktion auf im Schlammfang gesammelte Abrieb- and Zementbruchpartikel, für den Typ 3 schließlich die Resorption aufgrund einer durch Schaftlockerung entstandenen pathologischen Relativbeweglichkeit diskutiert. In Serie 1 findet sich in 53% der Fälle eine CR (Typ 1 davon in 70%, Typ 2 in 18%, Typ 3 in 12%), in Serie 2 wird nur in 10% der Fälle eine CR (Typ 1: 4%, Typ 3: 6%) gesehen. In dieser 2. Serie lassen sich jedoch bei 2 Schafttypen, die beide keine wesentliche Halsauflage haben (Charnley and Weber), 2 differente Calcaradaptationsreaktionen herausschälen (1. Atrophic des Calcar femoris und 2. Umbau des Calcar femoris bei erhaltener Außenkontur). Die biomechanischen Ursachen für these Calcaranpassungsreaktionen werden ausführlich diskutiert. Weiterhin werden wesentliche Folgerungen hieraus für eine neue Schaftform formuliert. Eine diesbezügliche eigene Neuentwicklung wird im Schlußteil vorgestellt.

Die aussagefähigkeit histologischer befunde zur beurteilung von knochenersatzwerkstoffen

SummaryDifferent groups have observed and reported deviating tissue reactions for the same material for bone replacement: for the “bioinert” Al2O3-ceramic close bone contact is mentioned, others report about a soft tissue layer adjacent to the implant; for the “bioactive” glass ceramic interfaces capable to transmit considerable shear forces are described, others found no interface bonding.—The analysis of the results of animal experiments and the evaluation of clinical follow-up studies show that these discrepancies had been caused by the differences of the biomechanical situations in the examined interfaces. It is pointed out that the negligence or not mentioning of the load pattern at the site of examination can lead to misinterpretations about the possibilities and limits of applicability of biomaterials.ZusammenfassungAm gleichen Knochenersatzmaterial haben verschiedene Arbeitsgruppen unterschiedliche Gewebereaktionen beobachtet und beschrieben: Bei der „bioinerten” Al2O3-Keramik werden einmal enger Knochenkontakt, von anderen die Existenz eines Weichgewebeinterponates erwähnt; für “bioaktive” Glaskeramiken werden einmal Scherkräfte von beträchtlicher Größe übertragende Grenzflächen beschrieben, andere fanden keine Grenzflächenhaftung. — Die Analysen tierexperimenteller Ergebnisse und die Auswertungen klinischer Nachsorgeuntersuchungen zeigen, daß these Diskrepanzen durch die Unterschiede in der biomechanischen Situation der jeweils untersuchten Grenzflächen hervorgerufen worden Bind. Es wird darauf hingewiesen, daß die Nichtbeachtung oder die Nichtnennung des Belastungs zustandes am Ort der Probeentnahme zu Fehlbeurteilungen über die Anwendungsmöglichkeiten und -grenzen von Biomaterialien führt.

Die Mannheimer Oxidkeramik-Metall-Verbundendoprothesen

SummaryPreliminary results with two alumina oxide ceramic-metal composite hip prostheses in 30 patients are presented. The indication, operative technique and postop. care as well as the postop. results are described and documented in detail.ZusammenfassungEs wird über die vorläufigen klinischen Erfahrungen mit den Mannheimer Oxidkeramik-Metall-Verbundendoprothesen an Hand von 30 operierten Fällen berichtet. Indikation, operative Technik und spezielle Nachbehandlung sowie die postoperativen Resultate werden eingehend beschrieben und dokumentiert.

Zur Frage der unspezifischen Sarkomentstehung um Al2O3-keramische Implantate

This investigation presents experimental results on possible non-specific foreign body sarcoma induction by Al2O3-ceramic implants. Solid and porous discs, subcutaneously implanted in rats produce a sarcoma rate of 17.4 resp. 17.8 p.c. while roughly perforated discs initiate sarcomas at a rate of 25.4 p.c. These values were found to be lower than comparative values in the literature produced with different metals and medical grade plastics. Powdered alumina implants did not produce any sarcomas. Only this latter result can mainly be transferred into prognostic assumptions concerning the clinical application of Al2O3-ceramic. The results are discussed extensively in the lights of the existing literature, this indicating that the tested ceramic itself may not possess a significant sarcogenetic potency in humans.SummaryThis investigation presents experimental results on possible non-specific foreign body sarcoma induction by Al2O3-ceramic implants. Solid and porous discs, subcutaneously implanted in rats produce a sarcoma rate of 17.4 resp. 17.8 p.c. while roughly perforated discs initiate sarcomas at a rate of 25.4 p.c. These values were found to be lower than comparative values in the literature produced with different metals and medical grade plastics. Powdered alumina implants did not produce any sarcomas. Only this latter result can mainly be transferred into prognostic assumptions concerning the clinical application of Al2O3-ceramic. The results are discussed extensively in the lights of the existing literature, this indicating that the tested ceramic itself may not possess a significant sarcogenetic potency in humans.ZusammenfassungEs wird über experimentelle Untersuchungen zur unspezifischen Sarkomentstehung um Al2O3-Keramikplättchen und Abriebpulver bei der Ratte berichtet. Um solide und poröse Plättchen wurde eine Sarkomrate von 17,4 resp. 17.8% gefunden, um grob perforierte Scheiben lag die Sarkomrate bei 25,4%. Die gefundenen Werte liegen niedriger als vergleichbare Testergebnisse von Metallen und klinisch angewendeten Kunststoffen. Um pulverförmige Al2O3-Keramikimplantate sind keine Sarkome entstanden. Die Ergebnisse werden mit der reichhaltig vorhandenen Literatur des Fremdkörpersarkomes verglichen und ausführlich diskutiert. Es zeigt sich, daß allein die Ergebnisse pulverförmiger Implantate mit einiger Berechtigung prognostisch auch für die Klinik verwertet werden können. Das vorgelegte Resultat legt nahe, daß die Al2O3-Keramik allein beim Menschen höchstwahrscheinlich keine sarkogenetische Potenz besitzt.

Vergleichende experimentelle Untersuchungen an Bioglas (L. L. Hench), Al2O3-Keramik und mit mod. Bioglas beschichteter Al2O3-Keramik

SummaryThis report deals with comparative results obtained with unloaded intra-osseous implants of bioglass (L. L. Hench), Al2O3-ceramic and Al2O3-ceramic coated with a mod. bioglass. Al2O3-ceramic and bone form a direct bony interface without fibrous tissue interposition, this resulting in a pure mechanic fixation of the implant through frictional forces of the surface roughed ceramic. Pure bioglass (45 S 5) and bone form a unique persisting direct interface by means of physico-chemical or biochemical phaenomena stabilizing the implant. Interface stability seams to be higher than the fatique strenth of the glass itself. This interface is developed as a consequence of solubility of some of the glass constituents within a surface layer of up to 200 microns, running parallel with a reduction of strength of this surface glass layer. The boronoxide containing bioglass, flame-sprayed onto Al2O3-ceramic samples seams to be less soluble and therefore seams to have lesser bonding capability to bone. The stability of the interface bioglass coating-Al2O3-ceramic was low.ZusammenfassungEs wird über vergleichende Untersuchungen zur Grenzflächenentwicklung um unbelastete intraossäre Implantate aus Bioglas (L. L. Hench), Al2O3-Keramik und mit modifiziertem Bioglas beschichteter Al2O3-Keramik berichtet. Zwischen Al2O3-Keramik und Knochen entsteht eine direkte bindegewebsfreie knöcherne Kontaktfläche, die infolge der mikroskopischen Rauhigkeit der Keramik eine mechanisch-verzahnende Haftung bewirkt. Zwischen dem reinen Bioglas (45 S 5) und Knochen entsteht eine außerordentlich halbare, durch physiko-chemische oder biochemische Phänomene stabilisierte Grenzfläche, deren Festigkeit höher ist als die des Glases selbst. Diese innige Bindung zwischen Glas und lebendem Knochen entsteht vermutlich auf Kosten einer breiten oberflächlichen Elution des Glases (Schicht etwa 100–200 μm dick), was mit einer Festigkeitsabnahme dieser oberflächlichen Glasschicht einhergeht. Das im Flammenspritzverfahren auf Al2O3-Keramik aufgebrachte boroxidhaltige Bioglas ist vermutlich geringer löslich und deshalb weniger bindungsfähig zum Knochen. Die Haftfestigkeit dieser Verbindung auf dem Keramikträger war gering.This report deals with comparative results obtained with unloaded intra-osseous implants of bioglass (L. L. Hench), Al2O3-ceramic and Al2O3-ceramic coated with a mod. bioglass. Al2O3-ceramic and bone form a direct bony interface without fibrous tissue interposition, this resulting in a pure mechanic fixation of the implant through frictional forces of the surface roughed ceramic. Pure bioglass (45S5) and bone form a unique persisting direct interface by means of physico-chemical or biochemical phaenomena stabilizing the implant. Interface stability seams to be higher than the fatique strenth of the glass itself. This interface is developed as a consequence of solubility of some of the glass constituents within a surface layer of up to 200 microns, running parallel with a reduction of strength of this surface glass layer. The boronoxide containing bioglass, flame-sprayed onto Al2O3-ceramic samples seams to be less soluble and therefore seams to have lesser bonding capability to bone. The stability of the interface bioglass coating-Al2O3-ceramic was low.