Anwendung eines neuartigen porösen Tantal-Implantats in einem Kaninchenmodell für die vordere lumbale Wirbelsäulenfusion: In-vitro- und In-vivo-Experimente
Wirbelsäulenfusionsoperationen zielen darauf ab, Stabilität und Dekompression bei degenerativen, traumatischen oder deformativen Wirbelsäulenerkrankungen zu erreichen. Herausforderungen wie Pseudarthrose (Inzidenz von 5–35 %) und die Einschränkungen von Knochentransplantatmaterialien bestehen jedoch weiterhin. Autologer Knochen bleibt der Goldstandard, birgt jedoch das Risiko von Morbidität an der Entnahmestelle und begrenzter Verfügbarkeit. Allografts und synthetische Ersatzstoffe stehen vor Problemen wie Immunabstoßung, schlechter Biodegradierbarkeit oder unzureichenden mechanischen Eigenschaften. Poröses Tantal hat sich aufgrund seiner Biokompatibilität, Osteokonduktivität und mechanischen Ähnlichkeit zu Knochen als vielversprechende Alternative erwiesen. Diese Studie bewertet ein neuartiges poröses Tantal-Implantat, das durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und 3D-verstrickte Drahtgerüste hergestellt wurde, für die lumbale Interkörperfusion bei Kaninchen und vergleicht seine Leistung mit Autografts und Diskektomie-Kontrollen.
Material und Methoden
Herstellung des porösen Tantal-Implantats
Die porösen Tantal-Implantate (Ning Xia Orient Tantalum Industry Co. Ltd, China) waren kubisch (Abmessungen 2,5–3,0 mm) mit durchschnittlich 500 μm großen, miteinander verbundenen Poren. Die Struktur wies ein diamantähnliches Gitter auf, das durch CVD-abgeschiedenes Tantal auf einem verstrickten Drahtgerüst gebildet wurde, und erreichte eine Porosität von 86,8 %. Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) zeigte raue Oberflächen und eine offenporige Architektur, die das Knochenwachstum begünstigt. Die energiedispersive Röntgenspektroskopie bestätigte eine reine Tantalzusammensetzung ohne Verunreinigungen. Der Elastizitätsmodul (0,6 GPa) entsprach eng dem des menschlichen Knochens.
In-vitro-Biokompatibilitätstests
Knochenmark-abgeleitete mesenchymale Stammzellen (BMSCs) von Kaninchen wurden auf porösem Tantal kultiviert. Die Zellproliferation und Toxizität wurden mit dem Cell Counting Kit-8 (CCK-8) Assay bewertet. Die REM untersuchte die Zelladhäsion und Morphologie. Eluate aus Tantal-Implantaten wurden auf Zytotoxizität getestet, indem die BMSC-Viabilität mit Kontrollen verglichen wurde.
In-vivo-Chirurgiemodell
Vierundzwanzig neuseeländische Kaninchen wurden einer vorderen Diskektomie auf den Ebenen L3–L4, L4–L5 und L5–L6 unterzogen. Jede Ebene wurde randomisiert in drei Gruppen eingeteilt:
- Kontrolle: Nur Diskektomie.
- Autograft: Diskektomie + autologer Knochen vom Beckenkamm.
- Tantal: Diskektomie + poröses Tantal-Implantat.
Die Kaninchen wurden 2, 4, 6 und 12 Monate postoperativ (n = 6 pro Zeitpunkt) geopfert. Die neurologische Funktion wurde mit einem standardisierten Bewertungssystem (0–4) überwacht.
Radiographische und histologische Bewertung
Die Mikro-Computertomographie (Mikro-CT) bewertete die Fusion anhand der Brantigan-Steffee-Kriterien:
- Dichterer Knochen im Fusionsbereich.
- Keine Radioluzenz an den Implantat-Knochen-Grenzflächen.
- Trabekuläre Überbrückung.
Fusionsindex-Werte (0–3) wurden nach Bridwells Einstufung vergeben. Histologische Schnitte, gefärbt mit Toluidinblau und Hämatoxylin-Eosin, bewerteten knöcherne Überbrückung, Osteonekrose und Entzündungsreaktionen.
Ergebnisse
In-vitro-Ergebnisse
CCK-8-Assays zeigten keine Toxizität, mit ähnlichen Absorptionswerten zwischen Tantal-Eluaten und Kontrollen (1,25 ± 0,06 vs. 1,23 ± 0,04, P = 0,545). REM-Bilder zeigten, dass BMSCs an Tantaloberflächen mit spindelförmiger Morphologie hafteten, kontinuierliche Schichten bildeten und in die Poren eindrangen (Abbildung 8).
Chirurgische Ergebnisse
Alle Kaninchen erholten sich ohne neurologische Defizite (Score = 0). Ein Fall von Inzisionsinfektion und eine Bauchhernie wurden behandelt und behoben.
Radiographische Fusion
- Kontrollgruppe: Keine Fusion (Score = 0 zu allen Zeitpunkten).
- Autograft-Gruppe: Die Werte stiegen von 1,11 ± 0,68 nach 2 Monaten auf 2,89 ± 0,32 nach 12 Monaten (P < 0,001).
- Tantal-Gruppe: Die Werte stiegen von 1,11 ± 0,32 nach 2 Monaten auf 2,83 ± 0,38 nach 12 Monaten (P < 0,001), ohne signifikanten Unterschied zum Autograft nach 12 Monaten (P = 0,709).
Mikro-CT zeigte eine fortschreitende Fusion:
- 2 Monate: Radioluzente Zonen um die Implantate (Nicht-Union).
- 4 Monate: Teilweise Fusion mit neuer Knochenbildung.
- 6 Monate: Trabekuläre Überbrückung (teilweise Fusion).
- 12 Monate: Vollständige Fusion mit überwachsener Brückenknochenbildung (Abbildung 4D).
Histologische Analyse
Nach 12 Monaten:
- Kontrolle: Fasergewebe füllte die Zwischenwirbelräume (Nicht-Union).
- Autograft: Kontinuierliche knöcherne Brücken mit Knorpelbildung und enchondraler Ossifikation (Abbildung 6B).
- Tantal: Trabekulärer Knochen infiltrierte die Implantatporen, bildete direkten Knochen-Implantat-Kontakt ohne Degradation, Osteolyse oder Entzündung (Abbildung 6C, 7B).
Diskussion
Biokompatibilität und Osteokonduktivität
Die hohe Porosität (86,8 %) und die miteinander verbundenen Poren des porösen Tantals förderten die Adhäsion, Proliferation und osteogene Differenzierung von BMSCs. Rauhe Oberflächen verbesserten die Zellverankerung, während das Fehlen toxischer Eluate die Biokompatibilität bestätigte. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Studien überein, die die Fähigkeit von Tantal zeigen, die Osteoblastenaktivität zu stimulieren.
Fusionsleistung
Sowohl die Autograft- als auch die Tantal-Gruppe erreichten nach 12 Monaten eine 100%ige histologische Fusion und übertrafen damit PEEK- und Titan-Käfige, die oft eine fibröse Einkapselung aufweisen. Die mechanischen Eigenschaften des Tantal-Implantats (Elastizitätsmodul ≈ Knochen) reduzierten wahrscheinlich das Stress-Shielding, förderten die physiologische Lastverteilung und die Knochenremodellierung.
Vergleichende Vorteile gegenüber bestehenden Materialien
- Autografts: Tantal eliminierte die Morbidität an der Entnahmestelle bei gleichen Fusionsraten.
- Allografts/Xenografts: Keine Risiken der Immunabstoßung.
- PEEK/Titan: Die Osteokonduktivität und Radioluzenz (gegenüber Titan) verbesserten die Fusionsbewertung.
Einschränkungen und zukünftige Richtungen
Während biomechanische Tests zur Erhaltung der histologischen Proben ausgelassen wurden, sollten zukünftige Studien die Tragfähigkeit bewerten. Langzeitstudien am Menschen sind erforderlich, um die klinische Wirksamkeit zu bestätigen und potenzielle Spätkomplikationen zu adressieren.
Schlussfolgerung
Dieses neuartige poröse Tantal-Implantat zeigte eine hervorragende Biokompatibilität, Osteokonduktivität und Fusionswirksamkeit in einem Kaninchenmodell für die lumbale Fusion. Seine Leistung entsprach der von Autografts, mit vollständiger knöcherner Integration und keinen Nebenwirkungen. Die anpassbare Porosität und die mechanischen Eigenschaften positionieren es als vielversprechende Alternative für die Wirbelsäuleninterkörperfusion, die möglicherweise die Pseudarthroserate reduziert und die Patientenergebnisse verbessert.
doi.org/10.1097/CM9.0000000000000030