Fortbildung aus CHAZ 9-2019
Özkan Köse, Hubert Klauser, Christoph Jaschke, Andreas Ziegler
Magnesium-basierte Implantate – eine neue Ära in der Osteosynthese
Für Operationen in Orthopädie und Unfallchirurgie werden aktuell vorwiegend metallische Osteosynthese-Implantate aus Titan und seinen Legierungen, Edelstahl und Kobalt-Chrom eingesetzt. Diese Materialien bieten zwar eine hohe mechanische Festigkeit, führen aber auf längere Sicht zur Belastungsabschirmung, dem „Stress Shielding“, und werden teilweise aus verschiedenen Gründen wieder entfernt [1]. Die zweite OP ist keineswegs ein risikofreier Eingriff: Re-Frakturen, Infektionen, Nerven- und Gefäßschädigungen sind bekannte Komplikationen [2]. Zudem binden Operationen zur Materialentfernung erhebliche Ressourcen in der Klinik und stellen eine große volkswirtschaftliche Belastung. Hierzu gehören unter anderem Kosten für das Gesundheitssystem und das erneute Fernbleiben vom Arbeitsplatz bei Arbeitsunfähigkeit des Patienten [3]. Gerade auch die psychische Belastung durch einen erneuten Eingriff sollte insbesondere bei Kindern und Jugendlichen nicht unterschätzt werden. Um all diese Probleme zu vermeiden, versuchte man durch die Entwicklung resorbierbarer Werkstoffe wie Polymeren Mitte der 1980er Jahre Alternativen zu schaffen. Für diese „neuen Produkte“ wurden Materialien wie Polyglykolsäure (PGA) oder Polylactid (PLA) verwendet und auf den Markt gebracht. Aufgrund ihrer geringen mechanischen Stabilität waren und sind die Anwendungsgebiete polymerbasierter Werkstoffe allerdings sehr begrenzt [4]. Zudem traten bei ihrer Verwendung oftmals Infektionen und Fremdkörperreaktionen auf [5].
Ausreichende Stabilität und Bioresorbierbarkeit zu vereinen, beschäftigt Forscher bereits seit Ende des 19. Jahrhunderts
Untersuchungen an dem metallisch-resorbierbaren Grundstoff Magnesium (Mg) dauern daher schon seit gut 120 Jahren an. Ziel der Bemühungen war stets eine angemessene mechanische Festigkeit, eine gute Biokompatibilität, möglichst keine unerwünschten Wirkungen auf den Knochen und die vollständige Resorption nach abgeschlossener Knochenheilung. Mg sah man deshalb als einen idealen Werkstoff an, weil seine Stabilität sehr nah an der des kortikalen Knochens liegt [6]. Zudem induziert Mg die Knochenneubildung und besitzt potentiell anti-bakterielle Eigenschaften, die unter anderem durch einen pH-Shift ins basische Milieu begründet sind [7, 8]. Darüber hinaus ist Mg ein im Körper ohnehin vorkommendes Element, das zu etwa 60 Prozent im Knochen gespeichert und für eine Vielzahl von Funktionen des Stoffwechsels essentiell ist.
Die Entwicklung degradierbarer Magnesiumlegierungen, damals …
Die Idee, Magnesium und seine Legierungen als resorbierbares Implantat-Material zu nutzen, entstand vor weit über 100 Jahren. Der Physiker Edward Huse beschrieb 1878 erstmals den Einsatz von Nahtmaterial aus Mg für den Verschluss von Blutgefäßen am Menschen [9]. Als einer der bedeutendsten Pioniere im Bereich der degradierbaren Implantat-Materialien aus Magnesium ist jedoch der deutsch-österreichische Physiker und Chirurg Erwin Payr zu nennen. Für osteosynthetische Versorgungen in der Medizin entwickelte er Cerclage-Drähte, Klammern, Nägel und Platten aus Magnesiumlegierungen, die er erst am Tier und dann am Menschen einsetzte. Payr, ab 1911 Ordinarius für Chirurgie in Leipzig, begann 1892 seine Untersuchungen zur Magnesiumdegradation unter physiologischen Bedingungen. Dabei beschrieb er erstmals die Bildung von kleinen Gasblasen und Löchern auf der Implantatoberfläche als Folge des Mg-Abbaus [10].
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts führten Lambotte und Verbrugge eine Vielzahl von osteosynthetischen Versorgungen mit ganz unterschiedlichen Magnesium-Implantaten durch. Sie wiesen dabei einen Abbau der Implantate innerhalb eines Jahres nach und konnten auch eine Knochenneubildung im ursprünglichen Implantat-Lager feststellen [11–13]. Die Idee eines degradierbaren Nahtmaterials aus Mg wurde erneut 1924 von Seelig aufgegriffen; doch konnte diese Entwicklung wieder nicht überzeugen [14].
Zu Anfang wurden Gusslegierungen mit teils fragwürdigen Legierungselementen und Legierungselementkonzentrationen verwendet
Regelhaft sahen sich die frühen Pioniere der Mg-basierten Implantat-Entwicklung mit einer zu raschen Degradation des Materials konfrontiert, deren Begleiterscheinungen in Form von massiver Gasfreisetzung, mangelnder Biokompatibilität und einem zu frühen Verlust der mechanischen Integrität der Implantate eine Etablierung dieses neuartigen Materials in der Medizin zunichtemachten. Aus heutiger Sicht sind als Ursachen hierfür insbesondere prozesstechnische Defizite bei der Herstellung der Legierungen auszumachen. In der Regel wurden Gusslegierungen mit hinsichtlich der Biokompatibilität teils fragwürdigen Legierungselementen und Legierungselementkonzentrationen verwendet, die aufgrund der resultierenden Mikrostruktur mechanisch stark eingeschränkt waren und zusätzlich rasch degradierten. Auch erwiesen sich die damaligen Herstellungsverfahren für die Mg-Legierungen als anfällig für Verunreinigungen. Eisen, Kupfer und Nickelgehalte, welche sich beispielsweise aus den Stahlwerkzeugen bei der Herstellung in die Mg-Legierung übertrugen, beeinträchtigten die Degradationsperformance der erzeugten Legierungen ebenfalls nachhaltig [15, 16]. Da die prozesstechnischen Defizite mit den zur Verfügung stehenden Mitteln im frühen 20. Jahrhundert nicht zu bewältigen waren, legte sich die anfängliche Begeisterung, Implantate auf Mg-Basis zu entwickeln, zunächst wieder. Wissenschaftliche Vorhaben in diesem Bereich wurden von dieser Zeit an sehr selten [16]. Erst zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurden von Medizinern, Naturwissenschaftlern und Ingenieuren erneut wissenschaftlich-interdisziplinäre Vorhaben initiiert, um den Einsatz des Magnesiums als Implantat-Material in der Medizin intensiver zu erforschen.
Zu Beginn des neuen Jahrtausends gelang es erstmals, die bis dato schwierig steuerbare Degradation des Magnesiums zu verzögern
Im Jahr 2000 wurde mit dem vom BMBF geförderten Verbundprojekt „Resorbierbare metallische Osteosynthese-
Systeme“ (RemOS) zwischen der Leibniz Universität Hannover, der Medizinischen Hochschule Hannover und der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover begonnen. Dieses hatte das Ziel, mittels degradierbarer Mg-Implantate Revisions-Operationen in Orthopädie und Unfallchirurgie zu vermeiden [17]. Erstmals gelang es, die bis dato für die Stabilität der Implantate und damit auch für die Knochenheilung zu schnelle und schwierig steuerbare Degradation des Magnesiums durch neue Mg-Legierungen und adaptierte Herstellungs-Prozesstechniken zu verzögern und somit den klinischen Einsatz perspektivisch zu ermöglichen. Im Laufe der Weiterentwicklung dieser Legierungen zeigte sich ihre Eignung im Tiermodell, insbesondere durch die Verwendung Seltener Erden, die als bedeutsam für die Stabilität erkannt wurden [18, 19]. Auf Basis der positiven Ergebnisse begründeten sich in den Folgejahren eine Vielzahl weiterer Forschungsvorhaben und -projekte.
Die weltweit erste Zulassung degradierbarer Mg-Implantate für den Einsatz in der Medizin erfolgte im Jahr 2013 für eine Kompressionsschraube der Syntellix AG (Hannover) auf Basis einer in der Zusammensetzung modifizierten WE43-Legierung (MgYREZr) mit pulvermetallurgischem Herstellungsprozess (MAGNEZIX®). Auf Grundlage dieser Material-
Technologie wurden in den Folgejahren weitere Produkte (Pins, Kortikalis-Schrauben, Arthrodese-Implantate) zunächst in Europa (CE) und dann in vielen Ländern weltweit zugelassen. Mittlerweile wurden weltweit bei über 25 000 Patienten mit unfallchirurgischen und orthopädischen Indikationen erfolgreich Magnesium-Implantate eingesetzt. Dies spiegelt sich in einer Reihe von wissenschaftlichen Publikationen wider.