Resorbierbare Magnesiumschrauben

Selbstauflösende Implantate rücken ins Interesse der operativen Frakturversorgung. Schrauben mit Magnesium als Hauptbestandteil ermöglichen eine adäquate Stabilisation, versprechen eine gute Gewebeverträglichkeit und ersparen den Zweiteingriff zur Metallentfernung.

Implantate aus Edelstahl oder Titan sind die Arbeitspferde der Unfallchirurgie, doch es gibt Neuerungen auf diesem Gebiet. Mit resorbierbaren Materialien soll die sonst übliche Metallentfernung obsolet werden, die mit Morbidität, Ressourcenbindung und Kosten verbunden ist. Biomaterialien auf Magnesiumbasis sind dabei eine sehr vielversprechende Entwicklung der letzten Jahre.

Magnesium als Werkstoff für Implantate weist eine vergleichbare Dichte sowie ähnliche Werte bei E-Modul, Zug- und Druckfestigkeit wie der kortikale Knochen auf.¹ Dadurch kann das bei konventionellen Implantaten auftretende „stress shielding“ verringert werden.² Außerdem verfügt Magnesium über eine gute Biokompatibilität und Resorbierbarkeit. Die durch die Degradation freigesetzten Magnesiumionen können im Metabolismus des Körpers verwertet werden. Bisher wurden keine kritischen toxischen Grenzwerte oder Nebenwirkungen beschrieben.³

Positiv hervorzuheben ist die Fähigkeit, die Knochenbildung zu unterstützen. Lokal frei werdendes Magnesium erhöht die Proliferation und Differenzierung von Osteoblasten und hemmt die Bildung von Osteoklasten.⁴ Im Tiermodell konnte bereits eine vermehrte Kallusbildung bei mittels Magnesiumnagel stabilisierter Femurfraktur gezeigt werden.⁵ Unsere präklinischen Forschungsergebnisse zeigten eine gute Osteointegration und sogar einen osteoinduktiven Effekt nach Implantation von Schrauben in Röhrenknochen von Ratten und Schafen.⁶

In einem gemeinsamen Forschungsprojekt haben das Laura Bassi Center of Expertise (bis 2017), die Medizinische Universität Graz und die ETH Zürich eine bioresorbierbare Schraube entwickelt, die aus einer Legierung dreier im Körper vorkommender Mineralien besteht. Hauptbestandteil mit 99,1% ist Magnesium, der Rest setzt sich zu gleichen Teilen aus Kalzium und Zink zusammen. Bei dieser Komposition wird auf die Verwendung von üblicherweise beigefügten Metallen der seltenen Erden verzichtet, wie z.B. Yttrium oder Gadolinium, deren Effekte und Nebenwirkungen auf Knochenmark und Immunzellen noch nicht restlos geklärt sind.⁷

Direkt nach Implantation – und somit dem Kontakt der Schrauben mit dem Körpermilieu – setzt die Korrosion ein. Die Wechselwirkung zwischen Magnesiumschraube und Körperflüssigkeit führt zur Bildung von Magnesiumhydroxid und Wasserstoffgas:⁸

Mg + 2H₂O ↔ Mg(2OH)₂ + H₂

Die Gasbildung ist dem Werkstoff inhärent und kann Resorptionshöhlen im Knochen oder Gastaschen im Weichteilgewebe verursachen.⁹ Die Rolle dieses Phänomens ist noch zu klären, allerdings scheint sogar beim osteoporotischen Knochen mit größeren Gasbildungen das lokal frei werdende Magnesium osteoinduktiv zu wirken.¹⁰

In der Bildgebung liefern Magnesiumschrauben andere, vielleicht noch etwas ungewohnte Befunde. In frühen postoperativen Bildern lässt sich Gas in der Umgebung der Implantate erkennen. Aufgrund der ähnlichen Dichte wie bei Knochen ist die frisch implantierte Schraube in der Röntgenaufnahme nur diskret zu sehen. Im Verlauf der Resorption verdämmert die Schraube zunehmend unter Bildung eines Gassaumes. Studien haben gezeigt, dass die Gasformationen im Knochen und Weichteilgewebe mit der Zeit verschwinden und durch kortikalen Knochen ersetzt werden (Abb.1).^6,11

Erste klinische Ergebnisse bei Frakturen

In einer prospektiven Studie haben wir 20 Frakturen des Innenknöchels mit je zwei Magnesiumschrauben versorgt. Im Kollektiv waren sowohl isolierte Frakturen am Innenknöchel als auch Bimalleolar- und Trimalleolarfrakturen. Die 12-Wochen-Ergebnisse zeigten eine erfolgreiche Konsolidierung der Frakturen bei allen Patienten (Abb.2). Es kam weder intraoperativ noch postoperativ zu Lockerung, Repositionsverlust oder Schraubenbruch.¹² Die Magnesiumwerte im Blut lagen im Normbereich und das klinische Ergebnis war ausgezeichnet (AOFAS Score: 92,5± 4,1%).

Eine Folgestudie ist für eine weitere typische Sprunggelenksverletzung geplant. Wir wollen die Rolle von Magnesiumimplantaten bei der operativen Stellschraubenversorgung von Syndesmosenrupturen untersuchen. Die Idee ist, eine stabile Versorgungssituation bis zur Ausheilung zu gewähren. Die in Korrosion befindlichen Magnesiumschrauben sollten bei Belastungsbeginn nach frühestens 8 Wochen planmäßig brechen und die Beweglichkeit zwischen Tibia und Fibula wieder freigeben.

Die Zukunft wird zeigen, für welche weiteren Indikationen die Magnesiumschrauben noch Verwendung finden könnten. Vom ökologischen Standpunkt aus betrachtet sind resorbierbare Implantate verträgliche Alternativen, da durch das Wegfallen eines Entfernungseingriffes Plastikabfall und anderer Müll eingespart werden kann.

Literatur: