Helmut Dr Heide

[Experimental bone replacement with resorbable calcium phosphate ceramic (author's transl)].

SummaryCompact cylindrical implants (5 X 15.5 mm) of seven calcium phosphate ceramics of different formulations that had been implanted for 6 weeks without fixation in the tibia of dogs were examined histologically. The tissue compatibility of the implant turned out to be dependent on the mineralogical and chemical composition of the material: the ceramic material was biocompatible at a CaO/P2O5 ratio between 2: 1 and 4:1, the optimum ratio being about 3: 1 (tricalcium phosphate). In addition, cylindrical tetracalcium phosphate implants with an entirely porous structure were implanted in the same manner. After 6 months, they were resorbed to a minor extent. Implants of different calcium phosphate mixtures, on the other hand, were resorbed to a large extend after the same time. The ceramic material was replaced by mineralised bone tissue which had formed directly on the ceramic implant as well as within the pores. There were no foreign body reactions. Investigations with segment-shaped implants which were implanted in the tibia of dogs and fixed with AO-plates or splints extra-cutaneously for about 8–10 weeks, provided information about the maximum stress that can be borne by the implants. While implants with a porosity of 75 percent did not sustain the stress after the fixation had been removed, those with a porosity of 45 percent could be subjected to physiological stress after removal of the splints.ZusammenfassungMassive cylindrische Implantate (5 X 15,5 mm) aus sieben Calciumphosphatkeramiken verschiedener Zusammensetzung wurden ohne Fixierung in die Tibia von Hunden implantiert, nach 6 Wochen Verweilzeit entnommen und histologisch untersucht. Die Gewebeverträglichkeit erwies sich als abhängig von der mineralogischen und chemischen Zusammensetzung des Materials: Die Keramik war bei einem Ca0/ P2O5-Verhältnis von 2:1 bis 4: 1 gewebeverträglich, das Optimum lag bei etwa 3:1 (Tricalciumphosphat).Außerdem wurden cylindrische Implantate aus Tetracalciumphosphat mit einer durchgehend porösen Struktur nach der oben beschriebenen Methode implantiert. Sie waren nach 6 Monaten wenig resorbiert. Entsprechende Implantate aus Mischungen verschiedener Calciumphosphate waren dagegen nach 6 Monaten bereits tiefgründig resorbiert. Die Keramik wurde durch mineralisiertes Knochengewebe ersetzt, das sich bevorzugt direkt auf der Keramik, auch innerhalb der Poren, bildete. Fremdkörperreaktionen traten nicht auf.Aufschluß über die Belastbarkeit gaben Untersuchungen mit segmentförmigen Implantaten, die in die Tibia von Hunden eingesetzt und mit AO-Platten bzw. mit Schienen extracutan für etwa 8–10 Wochen fixiert wurden. Während Implantate mit 75 % Porosität nach Aufhebung der Fixierung der Belastung nicht standhielten, konnten solche mit 45 % Porosität physiologisch belastet werden.

Resorbierbare Calciumphosphatkeramik im Tierexperiment unter Belastung

Cylindrical implants with 45% by volume continuous open tubular pores were prepared from ceramic materials based on tricalcium and tetracalcium phosphate and used to replace 7 mm thick bone segments in the tibiae of dogs. The treated limbs of the experimental animals were fixed for 12 weeks, after which time the dogs were allowed to move freely so that the limbs were physiologically loaded. The histological examination showed that primary bone healing had taken place between the bone and the ceramic material. After 10 months the tricalcium-phosphate-based ceramic material was resorbed and replaced by bone tissue to a large extent. The ceramic material on the bases of tetracalcium phosphate on the other hand, had remained completely unchanged, and its pores were filled with lamellar bone tissue which was in direct contact with the implant without connective tissue. The bond between natural bone and implant was mechanically stable. The ceramic materials investigated were found to be tissue-compatible, and in our opinion they can be substituted for part of the bone transplants used today. Considering its varying strength properties, the tricalcium phosphate ceramic material can be used only in cases where no high stress is expected; the tetracalciumphosphate-based ceramic material, however, has a higher mechanical strength and can therefore be used also for larger permanent implants which have to bear high mechanical stress.SummaryCylindrical implants with 45 % by volume continuous open tubular pores were prepared from ceramic materials based on tricalcium and tetracalcium phosphate and used to replace 7 mm thick bone segments in the tibiae of dogs. The treated limbs of the experimental animals were fixed for 12 weeks, after which time the dogs were allowed to move freely so that the limbs were physiologically loaded. The histological examination showed that primary bone healing had taken place between the bone and the ceramic material. After 10 months the tricalcium-phosphate-based ceramic material was resorbed and replaced by bone tissue to a large extent. The ceramic material on the basis of tetracalcium phosphate, on the other hand, had remained completely unchanged, and its pores were filled with lamellar bone tissue which was in direct contact with the implant without connective tissue. The bond between natural bone and implant was mechanically stable.The ceramic materials investigated were found to be tissue-compatible, and in our opinion they can be substituted for part of the bone transplants used today. Considering its varying strength properties, the tricalcium phosphate ceramic material can be used only in cases where no high stress is expected; the tetracalciumphosphate-based ceramic material, however, has a higher mechanical strength and can therefore be used also for larger permanent implants which have to bear high mechanical stress.ZusammenfassungSegmentscheiben aus keramischen Werkstoffen auf der Basis von Tricalcium- bzw. Tetracalciumphosphat mit einem durchgehend offenen System von Röhrenporen von 45 Vol- % wurden anstelle einer herausgesÄgten 7 mm dicken Knochenscheibe in die Tibia von Hunden implantiert. Nach Abnahme der Fixierung nach 12 Wochen belasteten die Hunde in physiologischer Weise die operierten Gliedmaßen. Histologisch wurde festgestellt, daß die Osteotomiespalten mit der Keramik primär verheilt waren. Die Tricalciumphosphatkeramik war nach 10 Monaten weitgehend resorbiert und durch Knochengewebe ersetzt. Die Tetracalciumphosphatkeramik war dagegen vollständig erhalten und in den Poren von lamellärem Knochengewebe durchwachsen, das sich dicht und bindegewebsfrei auf der Keramik auflagerte. Zwischen Knochen und Keramik bestand ein mechanisch nicht lösbarer Verbund.Die untersuchten Keramiken waren gewebeverträglich und sind u. E. geeignet, die heute verwendeten Knochentransplantate z.T. zu ersetzen. Tricalciumphosphatkeramik ist an Stellen einsetzbar, an denen keine extremen Belastungen auftreten; Tetracalciumphosphatkeramik ist mechanisch stabiler und könnte auch für höher belastete permanente Implantate verwendet werden.

Knochenwachstum in porösen, keramischen Implantaten beim Hund

SummaryCylindrical (radius 2.5 mm) and semicylindrical (radius 6.5 mm) implants of nondegradable alumina of defined porosity (pore diameters 0.4 to 0.6 mm, 0.6 to 0.8 mm, 0.8 to 1.0 mm and 1.0 to 1.2 mm) were implanted in the tibiae of dogs. The pores were filled to an increasing extent with bone tissue, so that after a period of seven months almost all the pores contained bone tissue. Cylindrical implants (radius 2.<5 mm) of calcium phosphate with 0.8 to 1.0 mm pore diameter were more rapidly filled with bone tissue within 2 months than implants of A12O3 and of calcium phosphate-calcium alumina with 0.8 to 1.0 mm pore diameter.Direct contact was established between the calcium phosphate implants and new bone, i.e. without any seam of connective tissue. Between the bone and the Al2O3 ceramic on the other band, there was a narrow seam of connective tissue, and a relatively broad seam was observed between the bone and the calcium phosphate-calcium alumina implant.The calcium phosphate implants had an excellent tissue compatibility. In the vicinity of the Al2O3 implants minor, and in the case of the calcium phosphate-calcium alumina implants major foreign body reactions occurred after 2 months.ZusammenfassungDefiniert poröse zylindrische (Radius 2,5 mm) und halbzylindrische (Radius 6,5 mm) Implantate aus resistenter Aluminiumoxidkeramik mit den Porendurchmessern 0,4 bis 0,6 mm, 0,6 bis 0,8 mm, 0,8 bis 1,0 mm und 1,0 bis 1,2 mm wurden in die Tibia von Hunden implantiert. In den Poren bildete sich in zunehmendem Maße Knochengewebe, und nach einer Verweilzeit von 7 Monaten enthielten fast alle Poren vorwiegend Knochen-gewebe. In zylindrischen Implantaten aus Calciumphosphat (Radius 2,5 mm) mit 0,8 bis 1,0 mm Porendurchmesser erfolgte die Knochenbildung innerhalb der zweimonatigen Verweilzeit deutlich schneller als in vergleichbaren Implantaten aus A1203 und in Implantaten aus Calciumphosphat-Calciumaluminat mit 0,8 bis 1,0 mm Porendurchmesser.Zwischen Knochen und Calciumphosphat-Implantat entstand eine direkte Verbindung ohne erkennbaren Bindegewebssaum. Zwischen Knochen und Al2O3-Keramik hingegen war ein schmaler, zwischen Knochen und Calciumphosphat-Calciumaluminat ein vergleichsweise breiter Bindegewebssaum vorhanden.Die Gewebeverträglichkeit war bei Calciumphosphat optimal. In der Umgebung von Al2O3 traten nach mehrwöchiger Verweilzeit geringgradige Fremdkörperreaktionen auf, in der Umgebung von Calciumphosphat-Calciumaluminat nach 2 Monaten starke Fremdkörperreaktionen.