eit Beginn der 60er Jahre hat die offene Reposition und in- terne Fixation (ORIF) von Knochenfrakturen die mit Metall-Im- plantaten konservative Behandlung mit Gips und Extension weitgehend abgelöst. Die postoperative Infektion am Implantat ist die bedeutendste un- erwünschte Komplikation (11, 19, 26, 29, 45, 46, 51, 52, 53, 58). Für geschlos- sene Frakturen liegt die Infektrate nach ORIF bei ein bis fünf Prozent, für höhergradig offene Frakturen mit komplexem Weichteilschaden kann sie jedoch bis auf 29 Prozent ansteigen (5, 6, 7, 24, 25, 27, 59).
Biokompatibilität: Als Implantat- material für die extramedulläre Platte und den intramedullären Nagel ist rost- freier Edelstahl (V4A-Stahl) nach ISO 5832-1 seit langem in Gebrauch. Alter- nativ sind die Osteosyntheseplatte aus kommerziellem Reintitan nach ISO 5832-2 und der Marknagel aus einer Titanlegierung (zum Beispiel Titan- Aluminium-Niobium – Ti-Al6-Nb7 –) erhältlich (13, 30, 33, 43). Die Forde- rung an eine optimale Biokompatibi- lität von Osteosynthesematerialien be- sagt, daß diese möglichst keine Irrita- tion des lokalen oder auch ortsfremden Gewebes bewirken (20, 40, 54, 57).
Implantatstahl ist trotz seines ho- hen Reinheitsgehaltes nicht frei von Korrosion. Durch Reibung im Be- reich der Schraubenlöcher und galva- nische Vorgänge kann es zur Freiset- zung löslicher Produkte kommen, die das lokale Milieu beeinflussen (9, 13, 30, 43). Reintitan hingegen gilt als na- hezu korrosionsresistent (55, 60, 61).
Gerber (18) hat an Organkultu- ren von Rattenfemora eindrucksvoll den toxischen und wachstumshem- menden Effekt von verschiedenen Metallen, darunter Eisen, Chrom und Nickel, und die hohe Verträglichkeit von Reintitan demonstriert.
Zellen und Weichteilgewebe haf- ten relativ fest an der Oberfläche von
Titan an (23, 36, 43, 47). Eine bekann- te Gewebereaktion auf rostfreien Edelstahl ist die Ausbildung einer bindegewebigen Kapsel (8). Dies ist Ausdruck einer geringen Gewebead- härenz, die zu mechanischer Irritation durch Gleitbewegungen im Implan- tat-Gewebe-Interface führt (56). Im Totraum zwischen Kapsel und Im- plantat entsteht so ein flüssigkeitsge- füllter Hohlraum, in dem sich Bakteri- en, gut abgeschirmt von der lokalen Infektabwehr, ausbreiten und ver- mehren können (22, 23, 62). Der häu- figste an Metallimplantaten angetrof- fene Problemkeim ist Staphylococcus aureus; eine solche Infektion ist letzt-
endlich nur durch Entfernung des Im- plantats zu therapieren (10, 23).
Das Problem der Allergieauslö- sung im Zusammenhang mit nickel- und chromhaltigen Implantaten ist in der Literatur ausführlich und teilwei- se kontrovers diskutiert (15, 30, 31, 32). Das Risiko der Allergisierung durch Titan ist trotz zweier fraglicher Fallbeschreibungen in der Weltlitera- tur (34, 44) als nicht existent anzuse- hen. In welchem Maße ein klinisch re- levanter Zusammenhang zwischen
Allergie und Infektentstehung am Im- plantat besteht, ist jedoch nicht sicher zu beantworten (3).
Metallurgische Eigenschaften:Für die Funktion eines Osteosyntheseim- plantates sind Biegebelastbarkeit, Duktilität, Zugfestigkeit, Elastizitäts- modul und Ermüdungsverhalten we- sentliche Voraussetzungen. Von hoher Bedeutung für den Chirurgen ist je- doch das niedrige Elastizitätsmodul des Titans. Unter ähnlichen Belastungen ist Reintitan fast zweimal elastischer als Stahl. Das verformbarere Material er- möglicht eine optimale Konturierung und Anpassung an die anatomischen Gegebenheiten des Knochens.
Ein Nachteil ist, daß hierdurch die Feinreposition „über das Implan- tat“ im Gegensatz zum Stahl er- schwert ist und es eher zur Verfor- mung des Titanimplantates kommen kann. Beim Festziehen von Titan- schrauben kommt es früher zum Bruch. Im Gegensatz zu Stahlschrau- ben wird der Chirurg dabei nicht durch ein kurz vor dem Abriß fühlba- res „Knacken“ gewarnt.
Operateure mit einiger Erfahrung in der An- wendung von Titanim- plantaten bestätigen je- doch, daß diese Proble- me nach einer Gewöh- nungsphase nicht mehr auftreten.
Die höhere Steifig- keit des Stahls bedingt eine im Vergleich zum Titan geringere Ver- formbarkeit, was bei Ex- trembelastungen zum Implantatbruch führen kann, wohingegen ein Titanimplantat eher ver- biegt. Stahl weist eine höhere Ermüdungsfe- stigkeit bei hohen Belastungen im Niedrigzyklusbereich und Titan eine höhere Ermüdungsfestigkeit bei nied- rigen Belastungen im Hochzyklusbe- reich auf (43). Das endgültige biome- chanische Verhalten von Osteosynthe- seimplantaten in situ wird jedoch über das Material hinaus wesentlich durch die Geometrie und das Design deter- miniert.
Makrobewegungen im Fraktur- bereich, wie sie bei insuffizienten, nicht übungs- und belastungsstabilen A-1516 (32) Deutsches Ärzteblatt 95,Heft 24, 12. Juni 1998
P O L I T I K MEDIZINREPORT
Implantate in der Unfallchirurgie
Osteosynthese mit Titan
Indikationen für die Wahl des geeigneten Implantatmaterials
S
Staphylococcus aureus auf einer DC-Platte im Elektronenmikroskop bei 10 000facher Vergrößerung im rechten Bildausschnitt Foto: Arens/Richards
Osteosynthesen auftreten, führen zu einer chronischen Traumatisierung des Knochens (4) und sind damit ein Promotor der Infektentstehung (63).
Mikrobewegungen, wie sie ein be- dingt elastisches Biomaterial erlaubt, sind jedoch nicht unerwünscht. Durch sie wird einerseits die frakturüber- brückende Kallusbildung stimuliert, die auf biologische Weise eine rasche Stabilisierung der Frakturzone be- wirkt. Andererseits wird der unmittel- bar unter dem Implantat liegende Knochen nicht vollständig entlastet (stress protection), was eine nach Me- tallentfernung klinisch relevante Re- frakturgefahr aufgrund der hier nur begrenzt eingetretenen Osteoporose vermindert (17, 48).
Experimentelle Ergebnisse: Die Vergleichbarkeit der publizierten In- fektionsraten nach ORIF ist zweifel- haft, und sie geben sicherlich kaum Auskunft über die Infektresistenz eines Implantatmaterials. In einer eigenen prospektiven randomisierten klini- schen Studie (2, 3) wurden 281 Fälle nach ORIF von Frakturen der langen Röhrenknochen mit DC-Platten bis mindestens sechs Monate nach Implan- tation hinsichtlich des Auftretens einer postoperativen Infektion überwacht.
154 DC-Platten aus rostfreiem Edelstahl (sSt) und 127 DC-Platten aus kommerziellem Reintitan (cpTi) mit einheitlichem Design wurden ent- sprechend einer Randomisierung mit wöchentlichem Wechsel des Materials implantiert. Das mikrobiologische Monitoring umfaßte sowohl prä-, in- tra- und postoperative Abstrichunter- suchungen als auch qualitative/quan- titative Kulturen der Drainagespitze und -flüssigkeit.
Die Ergebnisse sind gegliedert nach Kontaminationsstatus und Im- plantatmaterial in Tabelle 1dargestellt.
Das Verhältnis kontaminierter/non- kontaminierter Wunden war annä- hernd gleich innerhalb der Stahl- und Titan-Kollektive. Die Infektionsraten der Untergruppen demonstriert Tabel- le 2. Die Gesamtinfektionsrate ist mit 8,2 Prozent im akzeptablen Bereich. In der Gruppe der nicht kontaminierten Fälle fand sich kein Unterschied zwi- schen den verglichenen Implantatma- terialien. In der Gruppe der initial bak- teriell kontaminierten Fälle zeigte sich eine Tendenz zu einer höheren Infekt-
inzidenz bei Stahl-Implantaten. Dieser Unterschied war statistisch nicht aus- reichend signifikant (2).
Intraoperativ kam es in neun Fäl- len zum Implantatversagen. Dabei handelte es sich in zwei Fällen um Bruch bei Stahlschrauben und in drei Fällen bei Titanschrauben. Viermal wurde zu Beginn der Untersuchung im Rahmen eines Repositionsversu- ches „über die Platte“ das Titanim- plantat verbogen. Unter Belastung der Osteosynthese brach eine Stahl- DCP bei unzureichender medialer Abstützung. Drei cpTi-DCP wurden im Rahmen unkontrollierter Vollbe- lastung verbogen.
Bereits während der Planung die- ser Untersuchung war klar, daß auf- grund der Heterogenität des Patien- tengutes allenfalls Tendenzen hin- sichtlich der Infektanfälligkeit der Im- plantatmaterialien offenkundig wer- den konnten. Zusätzlich ist die exakte Quantifizierung des bakteriellen In- okulums nur bedingt möglich. Das wesentliche Problem liegt jedoch bei allen prospektiven Untersuchungen dieser Art in der relativ geringen post- operativen Infektionsrate. Hier wird die Notwendigkeit experimenteller Lösungsansätze zur Beantwortung des Problems deutlich, in denen die Infekteinflußfaktoren standardisiert, das bakterielle Inokulum genau quan- tifiziert und somit die Infektrate ange- hoben werden kann.
Experimentelle Untersuchungen zur Infektresistenz um Osteosynthe- seimplantate können nur in vivo durchgeführt werden, da sie wesentlich von der Immunantwort des Gesamtor-
ganismus abhängen. Von der interdis- ziplinären Arbeitsgruppe „Implants &
Infection“ des AO-Forschungsinstituts (Davos/Schweiz) wurde ein Modell an der Kaninchentibia etabliert (1, 28, 37).
Zur Untersuchung der Infektre- sistenz von DC-Platten in Abhängig- keit vom Implantatmaterial wurde bei 46 Kaninchen steril eine Standard-6- Loch-2.0-DCP aus V4A-Stahl oder Reintitan (Synthes® no. 2/44.06) am medialen Tibiaschaft fixiert. 40 Tiere (20/20 Stahl/Titan) wurden in die Eva- luation einbezogen. Nach Hautnaht erfolgte perkutan in das Plattenlager die Inokulation einer definierten Menge Staphylococcus aureus in Konzentrationen zwischen 4 x 103bis 4 x 106KBE (Kolonie bildende Ein- heit). Nach vier Wochen wurden die steril entnommenen Implantate, der darunterliegende Knochen und die Weichteile des Plattenlagers auf bak- terielles Wachstum quantitativ mikro- biologisch ausgewertet.
Die Gesamtinfektionsrate betrug 55 Prozent. Die Infektionsrate für DC-Platten aus Reintitan betrug 35 Prozent, für DC-Platten aus V4A- Stahl 75 Prozent. Dieser Unterschied ist statistisch signifikant (chi2-Test;
p < 0,05). Basierend auf den kumulati- ven Infektionsraten errechnet sich eine 50prozentige Infektionsdosis (ID50) für V4A-Stahl DCP von 2 x 104KBE, für Reintitan DCP von 2 x 105KBE. Im Bereich der ID50 war al- so eine um eine Zehnerpotenz gerin- gere Keimzahl erforderlich, um bei Stahl-DCP eine Infektion hervorzu- rufen. Tendenziell ähnliche Resultate ergab die Untersuchung von metalli- schen Materialien für Marknägel am gleichen Modell (28).
Die Ergebnisse dieser experi- mentellen Arbeiten rechtfertigen die Hypothese, daß die Verwendung von Titan als Implantatmaterial für die ORIF mit Osteosyntheseplatten und Marknägeln zumindest in Situationen mit mittlerer bakterieller Kontamina- tion hinsichtlich der Infektresistenz Vorteile gegenüber Stahl als Implan- tatmaterial bietet.
Metallallergie und Infekt: Für Allergien gegen Legierungskompo- nenten von Osteosyntheseimplanta- ten (zum Beispiel Ni, Cr) wird eine Prävalenz in der Bevölkerung von vier bis sechs Prozent angegeben. Die- A-1517
P O L I T I K MEDIZINREPORT
Deutsches Ärzteblatt 95,Heft 24, 12. Juni 1998 (33) Tabelle 1
Initiale bakterielle Kontamination bei 281 DCP
nicht
n kontaminiert kontaminiert total 281 39% (109) 61% (172) Stahl 154 41% (63) 59% (91) Titan 127 36% (46) 64% (81)
Tabelle 2
Infektionsraten nach 281 DCP
Infektions- nicht
rate kontaminiert kontaminiert total 8,2% (23) 2,8% (3) 11,6% (20) Stahl 9,7% (15) 3,2% (2) 14,3% (13) Titan 6,3% (8) 2,2% (1) 8,6% (7)
se Werte steigen bei Patienten mit Er- krankungen im Sinne einer Dermati- tis bis auf über zehn Prozent (15). Ob- wohl Metallosis und allergische Reak- tionen auf Metallimplantate häufig beschriebene klinische Phänomene sind (9), gibt es nur wenige Berichte über ihre Korrelation zu implantatas- soziierten Infektionen.
Hierholzer (30) fand in einer Gruppe von 267 Patienten mit septi- schen Komplikationen nach Osteo- synthese mit einer V4A-Stahl-DC- Platte eine Metallallergierate (Ni, Cr, Co) von 10,1 Prozent. Diese Rate be- trug in einer Gruppe von 208 Patien- ten mit komplikationslosem Verlauf und identischem Implantatmaterial 3,9 Prozent. Der Unterschied ist stati- stisch signifikant.
Dieses Ergebnis könnte die Hypo- these bestätigen, daß Allergien gegen Legierungskomponenten der Stahl- implantate die Infektanfälligkeit erhö- hen. Leider findet
sich in dieser Ar- beit kein Hinweis auf die Prävalenz der Metallallergie und den bakte- riellen Kontami- nationsstatus bei Implantation des Osteosynthesema- terials. Es stellt sich die Frage, ob eine prävalente (oder durch ein Implantat neu in- duzierte) Allergie aufgrund abge-
schwächter Immunlage (12, 42) Ur- sache für eine Infektauslösung bei gün- stigeren Bedingungen für das initiale bakterielle Inokulum sein kann oder ob sich bei eingetretenem Infekt und verändertem lokalen Milieu (Korro- sion) eine Allergie neu manifestieren kann.
Im eigenen Krankengut konnten wir bei einer Allergie-Prävalenz von 4,6 Prozent diese Hypothese nicht be- stätigen. In der Gruppe mit initialer bakterieller Kontamination betrug die Allergie-Prävalenz 3,5 Prozent und ohne bakterielle Kontamination 6,4 Prozent. Ein klinisch manifestes Neuauftreten einer zuvor nicht festge- stellten Metallallergie nach Osteosyn- these wurde nicht beobachtet. Zwei
Infekte fanden sich bei vorbestehen- der Ni-Allergie in der Gruppe mit bakterieller Kontamination, konnten aber bei Verwendung von Titan nicht auf das Osteosynthesematerial zu- rückgeführt werden (2, 3).
Schlußfolgerungen (siehe auch Ta- belle 3): Bei Vorliegen einer signifikan- ten bakteriellen Kontamination, wie sie zum Beispiel bei höhergradig offe- nen Frakturen, bei Pin-Infekten im Rahmen der Fixateur-externe-Be- handlung oder nach abgeklungener Osteomyelitis anzunehmen ist, scheint die Verwendung von Osteosynthe- seimplantaten aus Titan gegenüber Stahlimplantaten hinsichtlich der In- fektresistenz von Vorteil zu sein.
In Situationen, in denen eine Metallentfernung nach knöcherner Durchbauung der ehemaligen Frak- tur primär nicht geplant ist und von ei- ner hohen Liegedauer des Implanta- tes auszugehen ist (Plattenosteosyn-
these von Humerusschaft-, Becken- frakturen), sollten aufgrund der lang- fristig besseren Bioverträglichkeit ebenfalls Titanimplantate verwendet werden.
Bei Vorliegen einer präoperativ zu erfragenden Allergie gegen Legie- rungskomponenten von V4A-Stahl muß dem alternativen Material der Vorzug gegeben werden, nicht zuletzt um potentielle spätere Diskussionen bei Auftreten eines implantatassozi- ierten Infektes oder bei Exazerbation der Allergie zu vermeiden.
Biomechanisch erfüllen V4A- Stahl, Reintitan und Titanlegierungen alle Anforderungen an ein stabiles Im- plantatmaterial. Das Verformungsrisi- ko von Titanimplantaten bei hoher Be-
lastung kann bei ausreichender Com- pliance des Patienten durch eine adap- tierte Belastungssteigerung der stabili- sierten Extremität problemlos kom- pensiert werden. In Situationen mit hohen mechanischen Anforderungen, wie sie bei Mobilisation eines Patien- ten mit eingeschränkter Kontrollfähig- keit nach ORIF von Frakturen der un- teren Extremitäten vorliegt, oder wenn nach pathologischen Frakturen durch das Implantat eine möglichst sofortige uneingeschränkte Belastungsfähigkeit erzielt werden soll, bietet Stahl als Osteosynthesematerial Vorteile.
Gerade bei Tumorpatienten sind nach ORIF von Frakturen im Rah- men des Stagings häufig bildgebende Verlaufsuntersuchungen notwendig.
Metallimplantate verursachen sowohl bei der Computertomographie (CT) als auch bei der Magnet-Resonanz- Tomographie (MRT) störende Arte- fakte („Starburst-Phänomen“). Im MRT ist die Ausprägung der Artefak- te bei Titanimplantaten geringer und ermöglicht somit eine bessere Be- urteilung benachbarter Strukturen.
Beim MRT beunruhigt darüber hin- aus die Möglichkeit des Erhitzens und der Bewegung metallischer Implanta- te durch das Magnetfeld. Stahlimplan- tate nach ISO 5832-1 werden als para- oder non-magnetisch eingestuft, so daß die genannten Gefahren nicht re- levant erscheinen. Titan ist vollstän- dig unmagnetisch, wodurch selbst der Einsatz als Gefäßclips keine Proble- me im MRT verursacht (14, 21, 50).
MRT bei externen Fixateuren aus Stahl sollten jedoch nicht durchge- führt werden.
Nachteile von Titanimplantaten sind die im Vergleich zu gleichdimen- sionierten Stahlimplantaten 20 bis 40 Prozent höheren Kosten und der zu- sätzliche Lagerbedarf bei Vorhaltung von Osteosyntheseimplantaten bei- der Materialien.
Literatur bei den Verfassern
Anschrift für die Verfasser Dr. med. Stephan Arens Prof. Dr. med. Martin Hansis Klinik und Poliklinik für
Unfallchirurgie, Universität Bonn Sigmund-Freud-Straße 25
53105 Bonn A-1518
P O L I T I K MEDIZINREPORT
(34) Deutsches Ärzteblatt 95,Heft 24, 12. Juni 1998 Tabelle 3
Indikationen zur Wahl des Implantatmaterials
Titan Stahl
– Metallallergie
– signifikante bakterielle – keine Kontraindikation Kontamination (keine Allergie oder Kontamin.) – keine Implantatentfernung – frühe Implantatentfernung
(Humerusplatte)
– geringe Belastung – hohe Belastung (obere Extremitäten) (untere Extremitäten;
mangelnde Compliance;
patholog. Frakturen) – spätere MRT-Radiologie – nur sSt-Implantat verfügbar
um das Implantat
