Untersuchungen der Implantate

3.3.3.1 Lichtmikroskopische Untersuchungen

Mit der Lichtmikroskopie vor der Flusssäurebehandlung wurden die Implantatoberfläche, das anhaftende organische Gewebe und sonstige Auflagerungen untersucht. Die Analyse erfolgte am Mikroskop Axioskop 40 bei Auflicht in 25- und 100-facher Vergrößerung. Nach Beobachtung der gesamten Implantatoberfläche wurden repräsentative Bereiche zur fotografischen Dokumentation ausgewählt. Diese Untersuchungsmethodik wurde nach der Flusssäurebehandlung der Pins wiederholt.

EIGENE UNTERSUCHUNGEN - METHODEN

________________________________________________________________________________

3.3.3.2 REM und EDX-Analyse

Im Anschluss an die Lichtmikroskopie wurde jedes Implantat rasterelektronenmikroskopisch untersucht. Dabei wurde insbesondere auf die Umgestaltungen der Oberfläche und das Aussehen der Gewebsanlagerungen geachtet.

Außerdem wurde der Implantatdurchmesser bestimmt. Die REM- und EDX- Untersuchungen wurden in der Analysentechnikabteilung des Instituts für Werkstoffkunde, Leibniz Universität Hannover, vorgenommen. Es wurde im Niedervakuum (1,04*10

-5 mbar), einer Hochspannung von 20 kV und einem Strahlstrom von 30 µA gearbeitet. Als Detektor wurde hauptsächlich der RBSD (Rutherford Backscattered Detection, Rückstreuelektronendetektor) eingesetzt. Von den repräsentativen Bereichen wurden Aufnahmen in 20 bis 1000facher Vergrößerung angefertigt. Auffällige Strukturen auf der Implantatoberfläche wurden mit Hilfe der EDX-Messungen hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung bestimmt. Folgende Elemente wurden detektiert: Magnesium, Kalzium, Phosphor, Kohlenstoff, Sauerstoff, Natrium, Kalium, Chlor, Titan sowie die legierungsspezifischen Elemente (Aluminium und die Seltenen Erden Yttrium, Lanthan, Cerium, Neodymiumium). Es wurde in einem Arbeitsabstand vom Detektor zur Probe von 15 mm gearbeitet. Eine Messung dauerte 120 „lifeseconds“, dies entspricht 300 s. Als Auswerteprogramm diente EDAX Genesis.

Die beschriebene Untersuchungsmethodik wurde nach der Flusssäurebehandlung der Implantate wiederholt.

3.3.3.3 Flusssäurebehandlung

Einer Flusssäurebehandlung wurden drei Magnesiumpins einer jeden Material-Zeit-Gruppe unterzogen (LAE2,3,5,8,9,10; MgCa3,4,5,8,9,10; WE13,14,15,18,19,20). Die zwei übrigen Implantate wurden im Flusssäure-unbehandelten Zustand für weitere nicht in dieser Arbeit berückichtigten metallographische Untersuchungen verwendet.

Durch die Behandlung sollte gewährleistet werden, dass das Grundmaterial nicht angegriffen wird. Nach SONG u. ATRENS (1999) greift Flusssäure Magnesium und seine Legierungen nicht an. Zum Ablösen des fest an der Implantatoberfläche anhaftenden Gewebes wurden die Implantate jeweils einzeln für 5 min in ein 40%iges Flusssäurebad getaucht. Die Flusssäure befand sich in einem Kunststoffmessbecher. Anschließend

EIGENE UNTERSUCHUNGEN - METHODEN

________________________________________________________________________________

wurden die Pins jeweils 10 sec in destilliertem Wasser zur Neutralisierung der Säure und in Ethanol gereinigt. Danach folgte eine Trocknung an der Luft. Nach der Flusssäurebehandlung wurden die licht- und rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen sowie die EDX-Analysen entsprechend der Erstuntersuchung wiederholt durchgeführt.

3.3.3.4 Gewichtsmessungen und Volumenbestimmungen

Um den Degradationsverlauf in Abhängigkeit von der Implantationszeit zu bestimmen, wurde das Gewicht und das Volumen von jeweils drei Magnesiumpins (Anhang Tab. XI) pro Materialzeitgruppe nach der Flusssäurebehandlung ermittelt. Als Vergleich diente je ein Implantat pro Legierung im Ausgangszustand.

Mit einer Präzisionswaage erfolgte die Gewichtsbestimmung. Jedes Implantat wurde einzeln gewogen und der Wert notiert.

Anschließend wurde die Volumenbestimmung der Pins mit Hilfe der Verdrängungsmethode (KUCHLING 2004) in einem Volumeter mit einer 0,01 ml Skalierung durchgeführt. Als flüssiges Medium wurde Heptan verwendet, da es sich zum Magnesium quasi inert verhält und einen relativ geringen Dampfdruck besitzt. Jede Messung wurde dreimal durchgeführt, um zufällig auftretende Fehler zu erkennen und zu vermeiden.

Da zu diesem Zeitpunkt der Untersuchungen nicht die Sicherheit bestand, dass durch Änderung der Materialzusammensetzung infolge unterschiedlich starker Resorption auch eine Veränderung der physikalischen Dichte (ρ) stattgefunden hatte, wurde diese als Quotient aus den ermittelten Massen (m) und den dazugehörigen Volumina (V) errechnet (ρ=m/V).

Zur visuellen Darstellung der Volumenänderung wurde stichprobenartig je ein Magnesiumimplantat pro Materialzeitgruppe im µCT80 (Fa. Scanco Medical) im Institut für Werkstoffkunde der Leibniz Universität Hannover gescannt. Es handelte sich um die Implantate LAE3, LAE10, MgCa3, MgCa8, WE15, WE20. Die Auflösung betrug 10 µm. Die Röntgenröhre wurde mit einer Stromstärke von 145 µA bei einer Beschleunigungsspannung von 55 kV betrieben. Die Integrationszeit betrug 498 ms. Aus den Daten der zweidimensionalen Schnittbilder wurde eine 3D-Geometrie erstellt. Mit Hilfe

EIGENE UNTERSUCHUNGEN - METHODEN

________________________________________________________________________________

der ipl-Software (Fa. ScancoMedical, Zürich, Schweiz) wurde das zu interessierende Objekt bzw. Volumen mit Kugeln gefüllt, die sich mit ihrem maximalen Durchmesser innerhalb der Struktur anordnen (PETERS et al. 2000). Durch eine geeignete Falschfarbendarstellung wurde das Volumen bzw. die Volumenänderung visualisiert.

3.3.3.5 Dreipunktbiegeversuche

Die Untersuchungen zur mechanischen Festigkeit mit Hilfe der Dreipunktbiegung wurden im Institut für Werkstoffkunde der Leibniz Universität Hannover an der Universalprüfmaschine Zwick Z250 durchgeführt (Abb. 4A). Für diese Versuche wurden mit zwei Ausnahmen (nicht die Pins von LAE4 und WE14) alle fünf Implantate einer jeden Magnesiumzeitgruppe sowie ein Titanimplantat (T1) nach sechsmonatiger Implantationsdauer verwendet. Pins aus PLA wurden nicht untersucht.

Abbildung 4: (A) Universalprüfmaschine Z250; (B) Messeinheit des Dreipunktbiegeversuches: (1) Biegestempel, (2) Implantat, (3) Widerlager, (4) Wegaufnehmer

Es handelte sich hierbei um einen nicht genormten Biegeversuch, weshalb die ermittelten Kennwerte nur untereinander vergleichbar sind. Deshalb wurden für jede Magnesiumlegierung Messungen von je drei Implantaten im Ausgangszustand durchgeführt. Bei Titan wurde nur ein Implantat als Referenz für den Ausgangszustand

EIGENE UNTERSUCHUNGEN - METHODEN

________________________________________________________________________________

benutzt. Die Implantate wurden mittig auf zwei Widerlagern positioniert (Abb. 4B). Die Stützweite betrug 15 mm. Um Einflüsse der Maschinensteifigkeit zu vermeiden, wurde ein Wegaufnehmer verwendet, mit dem der Biegeweg während des Versuches bestimmt wurde.

Vor Beginn der eigentlichen Messungen wurde ein Referenzzustand eingestellt. Dazu wurde der Biegestempel nach unten gefahren, bis eine Vorkraft von 2,5 N erreicht war.

Während des Versuches wurden Biegekraft und Weglängenänderung in Abhängigkeit von der Zeit ermittelt und aufgezeichnet. Der Biegestempel wurde mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1 mm/min nach unten gefahren. Der Versuch wurde immer dann abgebrochen, wenn ein Kraftabfall über 10 % aufgetreten war oder der Stempel einen Weg von 5 mm zurückgelegt hatte. Der Kraftabfall über 10 % bzw. der Biegeweg von 5 mm wurden als Bruchkriterium angenommen.

3.3.4 Untersuchungen des Implantat-Knochenverbundes