Bioresorbierbare Implantate in der Kindertraumatologie

Resorbierbare Materialien in der Orthopädie und Traumatologie haben einen besonderen Stellenwert bei der Behandlung von Kindern, da hier der Aufwand der Implantatentfernung groß ist und Langzeitschäden bei verbliebenen Implantaten heute noch nicht absehbar sind. Ihr Einsatz ist limitiert, da präklinische Studien an wachsenden Tieren selten sind und Studien an Kindern bisher nur über kleine Fallzahlen berichten.

In den letzten 20 Jahren hat sich die operative Versorgung von Frakturen im Kindesalter in vielen Bereichen verbessert. Kürzere Hospitalisierungen, schonende Anästhesie- und minimal invasive Operationsverfahren, wie zum Beispiel Markdrahtung, haben die Therapie und den Heilungsverlauf optimiert. Resorbierbare Materialien in der Kindertraumatologie haben das Potenzial, die Behandlung unserer jungen Patienten zu verbessern, werden aber derzeit wenig angewendet.

Der Vorteil dieser Materialien besteht darin, dass keine zweite Operation zur Materialentfernung notwendig ist und trotzdem keine Fremdkörper im Organismus zurückbleiben. Für jeden Patienten und insbesondere für Kinder geht ein operativer Eingriff mit Stress, Angst, Schmerz und der Gefahr von Komplikationen einher, was durch resorbierbare Implantate verringert werden könnte.

Das Gesundheitssystem profitiert von freiwerdenden Ressourcen im OP, da Kindernarkosen aufwendig und zeitintensiv sind.

Das Ziel für unsere kleinen Patienten ist es, ein Implantat zu entwickeln, welches auf lange Sicht keinen Schaden verursacht und sich vollständig auflöst, damit keine Implantatentfernung mehr notwendig ist. Gleichzeitig muss das Material für die Dauer der Knochenheilung ausreichend stabil sein.

Dieser Beitrag beschäftigt sich mit den bisher eingesetzten Materialien zur Stabilisierung von kindlichen Frakturen bzw. osteochondralen Defekten. Der Beitrag weist am Ende auf eine laufende multizentrische europäische Studie hin, die von den Autoren initiiert und ein CE-zugelassenes, resorbierbares Implantat im Kindesalter evaluiert.

Biomechanik

Bei der Auswahl des richtigen Implantatmaterials gilt es, verschiedene Faktoren zu beachten. Für traumatologisch-orthopädische Indikationen sollte das ideale Implantat eine gewisse biomechanische Stabilität aufweisen, um im lasttragenden Bereich eine Fraktur adäquat stabilisieren zu können. Aber bereits die Frage, welche Last wann im Kindesalter in der Frakturheilung getragen werden muss, ist in der Literatur nicht definiert.

Generell gilt im Materialbereich (Tab. 2): Ist die Zugfestigkeit des Materials zu gering, besteht die Gefahr einer Refraktur durch Bruch des Implantats beim Einwirken einer kritischen Kraft vor Eintreten einer vollständigen Heilung. Weiters muss das Material eine suffiziente Elastizitätsgrenze aufweisen. Ist der elastische Anteil bei der Verformung eines Materials zu gering, resultiert dies in einer plastischen Verformung des Materials unter Bildung von Defekten in der Gitterstruktur, welche zu einer Versprödung des Werkstoffs führen. Dadurch verringert sich auch die Dauerfestigkeit des Materials. Werkstoffe wie Stahl oder Titan-Legierungen weisen sowohl eine hervorragende Zugfestigkeit als auch Elastizitätsgrenze auf.^1,2 Jedoch verfügen diese Werkstoffe auch über ein hohes Elastizitätsmodul. Das führt beim Einsatz im orthopädischen Bereich zum „StressShielding“.^3–7 Hierbei bildet sich der Knochen um das Implantat herum zurück. Da der Knochen auf Höhe des Implantats von einwirkenden Kräften abgeschirmt ist, werden die Osteozyten nicht mehr genügend stimuliert und in diesem Bereich wird mehr Knochen abgebaut als neu gebildet.^8,9 Um das zu verhindern, wird nach Materialien gesucht, die ein vergleichbares Elastizitätsmodul wie Knochen haben.

Materialentfernung: indiziert oder nicht?

In immer mehr Ländern ist es üblich, Implantate auch nach Frakturheilung im Knochen zu belassen. Damit verbleibt das Fremdmaterial viele Jahrzehnte im Körper, ohne dass wir mögliche Langzeitfolgen ausschließen können. Mehrere Studien haben gezeigt, dass bisher verwendete Materialien, wie Titan, zu adversen Langzeitreaktionen führen können.^19–22 Der Hintergrund ist, dass bei inerten Materialien immer freie Ionen in die Umgebung abgegeben werden. Diese Präzipitation wird für chronische immunologische Reaktionen verantwortlich gemacht. Um diese Gefahren zu vermeiden, ist es aus Sicht der Autoren nach wie vor indiziert, konventionelle Implantate – meist aus Titan- oder Stahllegierungen – zumindest bei Kindern wieder zu entfernen.

Resorbierbare Materialien und deren Eigenschaften

Eine Alternative sind resorbierbare Implantate. Bisher werden Magnesium und Polymere in der Klinik eingesetzt. Einen Überblick darüber gibt Tabelle 3. Bioresorbierbare Polymere weisen ein sehr geringes E-Modul auf.^1,2,17,24 Ihre Zugfestigkeit liegt weit unter der von kortikalem Knochen.^2,25 Die bisher verwendeten Polymere können daher im lasttragenden Bereich nicht eingesetzt werden. Ein vielversprechendes metallisches Material ist Magnesium (Mg). Reinmagnesium verfügt über ein vergleichbares E-Modul wie Knochen, jedoch sind Zugfestigkeit und Elastizitätsgrenze recht gering (Tab. 2).² Um die biomechanischen Eigenschaften zu verbessern und die Degradation zu verlangsamen, erfolgt die Zulegierung von Elementen wie Kalzium (Ca) und Zink (Zn). Ca wirkt sich positiv auf die Kornverfeinerung der Legierung aus wie auch auf deren Zugfestigkeit und Kriechresistenz. Zn verbessert die Zugfestigkeit.²⁶ Der Anteil an Zn darf nicht zu hoch sein, da sich dies negativ auf die Degradationsrate auswirkt.²³ Das einzige zugelassene Mg-System (WE43) auf dem Markt weist als Zulegierung seltene Erden, wie zum Beispiel Yttrium, mit bis zu 10% auf. Da diese sich als Komplexe vor Ort nicht oder nur sehr langsam auflösen, bleibt die Frage, welche Langzeiteffekte diese metallischen Präzipitationen auf den menschlichen Körper haben. Eine wissenschaftliche Aufarbeitung dieser Langzeiteffekte ist bisher nicht durchgeführt worden. Es gibt Legierungen, welche gänzlich auf seltene Erden verzichten, aber derzeit liegen keine zugelassenen Implantate aus diesen Materialien vor.

Präklinische Studien

Präklinische Studien, die den Fokus auf das wachsende Skelett richten, finden sich leider nur selten in der Literatur. Von der Arbeitsgruppe Biomaterialien der Universität Graz gibt es Publikationen über Magnesiumimplantate im Tiermodell. Grün et al. führten einen Vergleich von Klein- und Großtieren im wachsenden Modell durch und fanden keinen negativen Effekt auf die Knochenheilung.²⁷ Die Studiendauer betrug 24 Monate. Sie verwendeten ZX00, eine Magnesiumlegierung ohne seltene Erden. Holweg et al. prüften das gleiche Implantat im wachsenden Schaf und konnten aufzeigen, dass keine Wachstumsstörungen oder Beinlängenalterationen eingetreten waren.¹³ Insgesamt zeigten diese Arbeiten aber, dass sich je nach Design und verwendeter Legierung das Degradationsverhalten ändert. Im Bereich der Polymere finden sich in den letzten 5 Jahren keine Studien in wachsenden Tiermodellen.

Klinische Studien im Kindesalter

Bei allen Implantaten, welche bei Kindern eingesetzt werden, muss auch die Auswirkung auf die Wachstumsfuge beachtet werden. Das betrifft nicht nur den vorzeitigen Fugenschluss, etwa durch Verletzung bei der Operation, oder die Materialeigenschaften eines Implantates, das die Wachstumsfuge kreuzt, sondern es muss auch die mögliche Wirkung von Abbauprodukten eines resorbierbaren Materials oder von Metallionen aus dem Implantat auf die Wachstumsfuge beachtet werden.

Magnesium

Bei unserer Literaturrecherche konnten nur 5 klinische Studien zu magnesiumbasierten Implantaten bei Kindern und Jugendlichen gefunden werden (Tab.4).^28–32 Stürznickel et al. evaluierten MgYREZr-Implantate in 89 Kindern mit einer Nachuntersuchungszeit (NUZ) von durchschnittlich 8,2 Monaten.²⁸ Diese wurden zur Refixation osteochondraler Fragmente, für Osteosynthesen und Osteotomien verwendet. 6 Schrauben zeigten im Verlauf eine Verformung ohne klinische Relevanz. Als Ursache dafür vermuten die Autoren eine zu frühe Vollbelastung oder eine zu schnelle Degradation des Materials. Es erfolgte eine Revisionsoperation bei einem instabilen osteochondralen Defekt des medialen Femurkondyls mit gebrochenem Pin.

Eine weitere Studie von Baldini et al. verwendete bei 14 Patienten eine MgYREZr-Schraube.²⁹ In dieser retrospektiven Studie wiesen die Patienten ein Durchschnittsalter von 10,8 Jahren auf. Es wurden epiphysäre Frakturen am Ellenbogen, apophysäre Frakturen und eine Osteochondritis dissecans behandelt sowie eine Epiphysiodeseund eine Refixation einer Sehne durchgeführt. Die durchschnittliche NUZ betrug 13,8 Monate und keiner der Patienten wies Komplikationen im Sinne einer Revisionsoperation auf.

Jungesblut et al. refixierten in 19 Patienten eine instabile Osteochondritis dissecans oder dislozierte osteochondrale Fragmente mit MgYREZr-Pins. Das Durchschnittsalter betrug 13,7 Jahre (30). Die NUZ betrug 6 bis 20 Monate. Einmal erfolgte eine Revisionsoperation aufgrund eines Implantatversagens.

Ein Case Report von Chen et al. berichtet über die Refixation eines vaskularisierten Knochenspans mit einer Reinmagnesiumschraube bei einem 17-jährigen Patienten.³¹ Nach 24 Monaten kam es zu keinem Kollaps des Femurkopfs und die Schraube war nahezu vollständig degradiert.

Gigante et al. behandelten 3 Patienten mit einem knöchernen Kreuzbandausriss durch eine arthroskopische Refixation mit einer MgYREZr-Schraube.³² Nach 12 Monaten zeigte keiner der Patienten Komplikationen, die verwendeten Schrauben waren nahezu aufgelöst und es hatte sich neuer Knochen gebildet.

Polymer-Implantate

In der Kindertraumatologie werden ebenso resorbierbare Polymere verwendet. In einer Studie von Li et al. mit 76 Patienten wurden Condylus-radialis-Frakturen mit biodegradierbaren Pins aus einem Copolymer aus LLA, DLLA und Trimethylencarbonat (TMC) fixiert und mit Kirschner-Draht-versorgten Frakturen verglichen.³³ Die Autoren berichten über zufriedenstellende Ergebnisse, 2 Patienten entwickelten einen Cubitus varus und 6 eine Fischschwanzdeformität. Der Unterschied zu Kirschner-Draht-fixierten Condylus-radialis-Frakturen war nicht signifikant.

2018 publizierten Korhonen et al. eine Studie, bei der Unterarmschaftfrakturen mit resorbierbaren Marknägeln aus PLGA versorgt wurden. In dieser randomisierten Studie wurden 19 Patienten mit dem neuen Implantat operiert und mit 16 Patienten verglichen, die mit Titannägeln versorgt wurden.³⁴ Die Studienteilnehmer waren zwischen 5 und 15 Jahre alt und die NUZ war 2 Jahre. Es gab 2 Implantatversagen in der Gruppe der resorbierbaren Nägel. Diese beiden Patienten waren über 13 Jahre alt. Alle anderen Frakturen heilten primär und die Nägel waren nach zwei Jahren teilweise oder komplett resorbiert.

Sinikumpu et al. publizierten einen Case Report über einen 11-jährigen Patienten mit traumatischer Kniescheibenluxation. Das osteochondrale Fragment wurde mit einer Schraube aus PLGA fixiert.³⁵ Die NUZ nach 13 Monaten zeigte eine exzellente Heilung in der radiologischen Auswertung.

Su Y et al. behandelten 68 Patienten mit PLLA-Nägeln bei Radiusköpfchenfrakturen.³⁶ 3 Wochen postoperativ wurde der Gips entfernt und eine funktionelle Nachbehandlung erlaubt. Das Durchschnittsalter in dieser Studie war 8,4 Jahre, die NUZ lag zwischen 6 und 40 Monaten. Es wurden keine schweren Komplikationen berichtet.

Morris et al. publizierten 2016 einen Case Report eines 14-jährigen Jungen, der eine Refixation eines chondralen femoralen Fragments mit einem Dart aus PLLA erhielt.³⁷ Nach einem Jahr zeigte der Patient eine freie Kniebeweglichkeit und keine Residuen des Traumas mehr.

Alle Studien weisen gute Ergebnisse auf, aber die Anzahl der eingeschlossenen Teilnehmer ist meist gering, was die Anwendung kritisch erscheinen lässt.

Die in den Studien von Sinikumpu und Korhonen verwendeten Markdrähte aus PLGA wurden von der finnischen Firma Bioretec Oy CE-zertifiziert und unter dem Namen Activa IM-Nail vermarktet, in Österreich vertreibt die Fa. Hofer diese Implantate. In einer europaweiten Multicenterstudie mit aktuell 9 beteiligten Kliniken unter der Leitung der Donau-Universität Krems wird dieses Implantat an einer großen Studienpopulation (>200) evaluiert. Es werden Patienten im Alter zwischen 3 und 13 Jahren mit Unterarmschaftfrakturen nach Einwilligung aufgenommen. Die Einschlusskriterien und damit die Indikation zur operativen Stabilisierung entsprechen der Indikation der bisher verwendeten Titanmarkdrähte. Ein Ziel der Studie ist es, die Anzahl der Refrakturen zu erheben. In der Literatur wird bei konventionell behandelten pädiatrischen Unterarmfrakturen eine Refrakturrate zwischen 1,1% und 16,7% angegeben.^38–42 In Österreich startete die Studie im März 2021 im Krankenhaus Mödling. Bisher konnten 6 Patienten in Mödling eingeschlossen werden, europaweit sind 24 Patienten im Rahmen dieser Studie bis jetzt operiert worden. Abgesehen von der Resorption des Materials ist der größte Unterschied des PLGA-Implantats zum bisher üblichen Titanmarkdraht die deutlich geringere Stabilität des Polymers. Aufgrund dessen muss bei der Implantation zunächst ein konventioneller Stahl- oder Titandraht als Dilatator in den Markraum eingebracht werden, der in einem zweiten Schritt durch das PLGA-Implantat ersetzt wird (Abb. 1). Eine postoperative Gipsruhigstellung ist notwendig. Alle Patienten waren bei der Kontrolle nach 2 Wochen schmerzfrei. Die postoperative Gipsruhigstellung ist für die Studienteilnehmer ein geringerer Nachteil als eine zweite Operation zur Metallentfernung, welche bei der konventionellen Operationsmethode notwendig wäre.

Zusammenfassung

Bioresorbierbare Implantate wären im Kindes-und Jugendalter von besonders großem Vorteil, da die Versorgung der Verletzungen oft minimalinvasiv erfolgt und die Metallentfernung nach wie vor einen großen Aufwand bedeutet. Das Belassen von konventionellen Implantaten erscheint nicht sinnvoll, da die Langzeitfolgen nicht abgeschätzt werden können. Mittlerweile gibt es ausgewogene PLGA-, aber auch PLLA-Copolymere, die einen Einsatz im Kindesalter möglich erscheinen lassen. Leider fehlen Langzeitstudien mit größeren Patientenkollektiven, um die Technologie besser beurteilen zu können. Magnesium kann derzeit nicht abschließend beurteilt werden, da vor allem Großtierstudien zur Beurteilung von möglichen Wachstumsstörungen fehlen und Magnesium als Kirschner-Draht und damit fugenkreuzend implantiert werden könnte. Erste Ergebnisse erscheinen aber vielversprechend. Generell sollten wir als Fachgesellschaften versuchen, die fehlende Datenlage durch multizentrische Studien zu verbessern.

Literatur: