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Background
Tibial head depression fractures demand a high level of fracture stabilization to prevent a secondary loss of reduction after surgery. Elderly individuals are at an increased risk of developing these fractures, and biomechanical investigations of the fractures are rare. Therefore, the aim of this study was to systematically analyze different types of osteosyntheses in combination with two commonly used bone substitutes.
Methods
Lateral tibial head depression fractures were created in synthetic bones. After reduction, the fractures were stabilized with eight different treatment options of osteosynthesis alone or in combination with a bone substitute. Two screws, 4 screws and a lateral buttress plate were investigated. As a bone substitute, two common clinically used calcium phosphate cements, Norian® Drillable and ChronOS™ Inject, were applied. Displacement of the articular fracture fragment (mm) during cyclic loading, stiffness (N/mm) and maximum load (N) in Load-to-Failure tests were measured.
Results
The three different osteosyntheses (Group 1: 2 screws, group 2: 4 screws, group 3: plate) alone revealed a significantly higher displacement compared to the control group (Group 7: ChronOS™ Inject only) (Group 1, 7 [p < 0.01]; group 2, 7 [p = 0.04]; group 3, 7 [p < 0.01]). However, the osteosyntheses in combination with bone substitute exhibited no differences in displacement compared to the control group. The buttress plate demonstrated a higher normalized maximum load than the 2 and 4 screw osteosynthesis. Comparing the two different bone substitutes to each other, ChronOS™ inject had a significantly higher stiffness and lower displacement than Norian® Drillable.
Conclusions
The highest biomechanical stability under maximal loading was provided by a buttress plate osteosynthesis. A bone substitute, such as the biomechanically favorable ChronOS™ Inject, is essential to reduce the displacement under lower loading.
Gegenstand dieser Studie ist die Untersuchung von unterschiedlichen Osteosynthesemöglichkeiten bei Tibiakopfimpressionsfrakturen am Kunstknochen. Dafür wurde ein Kunstknochenmodell ausgesucht, das in seinen mechanischen Eigenschaften einem humanen, osteoporotischen Knochen nahe kommt. Nachdem die Knochen in neun Gruppen aufgeteilt wurden, wurde eine Impressionsfraktur des lateralen Tibiaplateaus generiert, um diese anschließend mit verschiedenen Osteosynthesetechniken zu versorgen. Zur biomechanischen Testung der Stabilität wurden die Knochen über 3000 Zyklen mit 250 N belastet. Abschließend erfolgte in einer Load-to-failure-Testung die Prüfung der maximalen Belastbarkeit.
Der erste Teil dieser Studie konnte zeigen, dass es in Bezug auf das initiale Einsinken des Frakturfragmentes und die Steifigkeit der Osteosynthesetechnik von entscheidender Bedeutung ist, den Knochendefekt bis direkt unter das Impressionsfragment mit Kalziumphosphatzement aufzufüllen. Das ist nur möglich, wenn der Zement gebohrt werden kann und somit die Auffüllung vor der Schraubenosteosynthese möglich ist. Andernfalls behindern die Schrauben die optimale Unterfütterung des Defektes. Auf die maximale Belastbarkeit hat die Auffülltechnik keinen Einfluss.
Die Ergebnisse des zweiten Studienteils zeigen, dass die alleinige Versorgung der Fraktur mit chronOs Inject® keine ausreichende Stabilität bietet. In der Gesamtschau der Messergebnisse und dem Verhalten der Knochen während der Load-to-failure-Phase schneidet die Versorgung mit der Jail-Technik und chronOs Inject® (Gruppe 7) am besten ab.
Bei dem Vergleich der mechanischen Eigenschaften der beiden verwendeten Kalziumphosphatzemente Norian Drillable® und chronOs Inject® in Ziel 3 der Studie schneidet der nicht bohrbare Zement chronOs Inject® im Displacement und der Steifigkeit besser ab. Dabei muss bedacht werden, dass Norian Drillable® als bohrbarer Knochenzement seine entscheidende Fähigkeit nicht ausspielen konnte.
Grundsätzlich ist zu sagen, dass die optimale Behandlung einer Tibiakopfimpressionsfraktur zwei Bedingungen erfüllen muss. Einerseits muss sie der vom Patienten einzuhaltenden Teilbelastung in der postoperativen Phase standhalten (zyklische Belastung), andererseits muss sie auch stabil genug sein, um bei einer maximalen Belastung nicht zu versagen (Load-to-failure-Testung).
Zur Vermeidung eines Repositionsverlustes ist es bedeutsam, den entstandenen Knochendefekt mit einem Knochenersatzmaterial aufzufüllen. Entscheidend dabei ist es, dass das Material auch tatsächlich bis unterhalb des Fragmentes gefüllt wird. Ist das nicht der Fall, verfällt der positive Effekt auf das Displacement. Wird der Knochen mit einer maximalen Kraft belastet, ist es für das Ergebnis ausschlaggebend, dass die Fraktur verplattet oder verschraubt ist.
Die Studienergebnisse weisen die Verschraubung der Fraktur in der Jail-Technik in Kombination mit dem bohrbaren Kalziumphosphatzement Norian Drillable® als momentan beste Versorgungstechnik für Tibiakopfimpressionsfrakturen aus.
Limitiert wird die Studie durch die Verwendung von Kunstknochen und den Versuchsaufbau, da die tatsächlichen Verhältnisse im biologischen System nicht widergespiegelt werden. Aber es lässt sich zeigen, dass sich zum Zweck von biomechanischen Analysen der Tibiakopfimpressionsfraktur dieser Frakturtyp standardisiert hervorrufen lässt. Auch das Kriterium der Reproduzierbarkeit kann erfüllt werden.