Philipp Heilig

• Tibiakopfimpressionsfrakturen (AO 41-B2.2 – Schatzker III), welche aufgrund der demographischen Entwicklung in ihrer klinischen Relevanz zunehmen, erfordern zur bestmöglichen Frakturstabilisierung eine Schraubenosteosynthese sowie eine stabile metaphysäre Defektauffüllung mittels Knochenersatzmaterial, da anderenfalls ein sekundärer Repositionsverlust mit konsekutiver Gonarthrose droht. Die hierbei eingesetzten Kalziumphosphatzemente bringen klinische Probleme wie geringe mechanische Stabilität, fehlende Bohrbarkeit, welche eine unvollständigeTibiakopfimpressionsfrakturen (AO 41-B2.2 – Schatzker III), welche aufgrund der demographischen Entwicklung in ihrer klinischen Relevanz zunehmen, erfordern zur bestmöglichen Frakturstabilisierung eine Schraubenosteosynthese sowie eine stabile metaphysäre Defektauffüllung mittels Knochenersatzmaterial, da anderenfalls ein sekundärer Repositionsverlust mit konsekutiver Gonarthrose droht. Die hierbei eingesetzten Kalziumphosphatzemente bringen klinische Probleme wie geringe mechanische Stabilität, fehlende Bohrbarkeit, welche eine unvollständige Defektauffüllung bedingt, ungewisse Resorption und unüberprüfte Herstellerangaben mit sich. Diese Studie hatte daher zum Ziel, einen bohrbaren Kalziumphosphatzement und einen Magnesiumphosphatzement, welche als vielversprechende Alternativen aufgrund der klinischen Schwierigkeiten erscheinen, gegen Graftys® Quickset und ChronOS™ Inject biomechanisch einzuordnen und somit langfristig zu einer verbesserten Frakturversorgung beizutragen. Der erste Teil der Studie bestand aus einer reinen Materialprüfung, in der mittels Zementquader Druckversuche und mittels Ausrisskörper Zugversuche durchgeführt wurden. Im zweiten Teil wurde ein Frakturmodell für Impressionsfrakturen an Kunstknochen benutzt, um die Zemente hierbei zur Defektauffüllung zu verwenden und alleine sowie in Kombination mit einer Osteosynthese in der Jail-Technik zu testen. Es erfolgte eine zyklische Belastung mit 3000 Zyklen zu je 250 N sowie anschließend eine Maximalkrafttestung (Load-To-Failure) mit Hilfe einer Materialprüfmaschine. Der Magnesiumphosphatzement zeigte die signifikant höchste Kompressionsfestigkeit von 100,50 MPa ± 15,97 MPa und Ausrisskraft sowie im Verbund mit Knochen das geringste Displacement, höchste Maximalkraft und Steifigkeit. Kalziumphosphat bohrbar wies aufgrund seines pseudoplastischen Verhaltens eine geringe biomechanische Stabilität und ein hohes Displacement auf, konnte aber durch seine Bohrbarkeit gegenüber Graftys® Quickset bei Einsatz mit Schrauben einen Vorteil im Displacement erreichen und somit die Vorzüge eines bohrbaren Knochenzements aufzeigen. ChronOS™ zeigte nach Aushärtung im Wasserbad mit einer Kompressionsfestigkeit von 0,58 MPa ± 0,14 MPa eine niedrige biomechanische Stabilität und wurde daher nicht weiter untersucht. Da die Viskosität eines Zements neben anderen Faktoren für die Interdigitation mit den Spongiosahohlräumen im Knochen verantwortlich ist, lässt sich, sofern diese angemessen ist, Rückschlüsse von der Materialprüfung auf das Verhalten im Knochen ziehen. Magnesiumphosphatzemente erscheinen aufgrund ihrer hohen biomechanischen Stabilität und vermutlich guten Resorptionsrate als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Kalziumphosphatzementen und bedürfen daher einer weiteren Überprüfung im Tierversuch.…
• Bone substitutes are commonly used for filling up bone defects like in tibial head fractures. Different types of commercial bone substitutes are available, but comparable biomechanical studies especially analysing the substitute-bone interaction are missing. Thus, this study investigated the basic biomechanical characteristics of different bone substitutes, the bonesubstitute interface and the combination of substitute and screw osteosynthesis in a biomechanical fracture model for tibial head fractures (Schatzker III fractures). An in-houseBone substitutes are commonly used for filling up bone defects like in tibial head fractures. Different types of commercial bone substitutes are available, but comparable biomechanical studies especially analysing the substitute-bone interaction are missing. Thus, this study investigated the basic biomechanical characteristics of different bone substitutes, the bonesubstitute interface and the combination of substitute and screw osteosynthesis in a biomechanical fracture model for tibial head fractures (Schatzker III fractures). An in-house developed drillable apatite cement with HEMA-Hydrogel and an in-house developed magnesium phosphate cement were compared with two commercial cements, one brushite and one apatite cement, namely ChronOS™ Inject and Graftys® Quickset. In axial compression tests, the compressive strength and in screw pull-out tests, the pull-out strength were determined. In a tibial head fracture model, the bone substitutes were applied for filling up the bone defect, alone and in combination with a screw osteosynthesis. Displacement of the fracture fragment, maximum load and stiffness were calculated in cyclic and maximal axial loading tests. All tests were performed in the material testing machine Zwick Roell® Z020. The drillable apatite cement exhibited lower compressive strength (6.8±1.4 MPa) and screw pullout force (129±38 N) compared to its counterpart Graftys® (19.0±2.5 MPa, 295±39 N), but showed comparable displacement (~2 mm) and maximum load (3.5-3.8 kN) in the fracture model combined with the Jail-Technique. This may be due to the fact that the drillable cement allowed for drilling after replenishment and thus precise dispersion of the cement paste. The magnesium phosphate cement revealed a significant higher compressive strength (100.5±16.0 MPa), screw pull-out strength (1.7±0.2 kN) and a significant lower displacement (~1.5 mm) compared to the other bone substitutes. Probably due to its high intrinsic strength combined with a low viscosity to fill the complete defect. For the combination with screws, all bone substitutes revealed higher maximum loads and stiffness values. In conclusion, magnesium phosphate cement provided a high biomechanical stability in the pure material testing series and also in the substitute-bone interaction tests. Due to a low viscosity, the cement revealed a high integration in the spongiosa and a complete filling up of the bone defect around the placed screws. Moreover, a drillable bone substitute is favourable as the dispersion of the cement paste is not hindered by formerly placed screws. For tibial head fractures, only the combination of bone substitute and screw osteosynthesis provides under lower and maximal loading conditions an adequate stability.…