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2.  Frakturheilung

2.1. Anatomische Grundlagen

Wegen der grundlegenden Bedeutung der Vaskularisation des Knochens bei der Frakturheilung und bei der Entstehung von Komplikationen soll die Blutversorgung des Röhrenknochens hier kurz beschrieben werden.

Das afferente vaskuläre System besteht aus drei Komponenten:

  1. Metaphysäre Arterie
  2. Nutritialgefäße, die in die Diaphase im Schutz einer fascialen Anheftung eindringen, ohne Kollateralen abzugeben und in der Markhöhle sich in aszendierende und deszendiere Medullararterien teilen. Diese teilen sich in Arteriolen auf und versorgen die endostale Kortikalis. An den Enden des Markkanals verbinden sich terminale Anastomosen der auf- und absteigenden Medullararterien mit terminalen Anastomosen, die aus den metaphysären Arterien hervorgehen. Obwohl die Medullararterien hauptsächlich zur arteriellen medullären Versorgung beitragen, ist die metaphysäre Arterie über oben erwähnte Anastomosen in der Lage, die angrenzende Diaphyse zu versorgen, sollte es bei der Fraktur zur Zerstörung der medullären Arterie gekommen sein. Das medulläre vaskuläre System trägt hauptsächlich zur vaskulären Versorgung der Kortikalis bei.
  3. Periostale Arteriolen, die im Schutz der Faszienanheftungen (z.B. Linea aspera) rechtwinklig die Kortikalis erreichen, versorgen den äußeren Teil (ein Drittel bis ein Viertel) der Kortikalis. Obwohl auch sie mit vom Markraum stammenden Gefäßen Anastomosen bilden, ist es ihnen nicht möglich, bei einem Ausfall der Nutritialarterie die Perfusion des Markraumes zu gewährleisten [169]. Üblicherweise ist die Richtung des Blutflusses zentrifugal, von medullär nach periostal [168]. Sollte es sich jedoch um eine dauerhafte Beeinträchtigung der medullären Perfusion handeln (z.B. intramedulläre Osteosynthese) kann sich der Blutfluss umkehren und es resultiert ein transkortikaler zentripetaler Fluss.

Wichtiger als die arterielle Versorgung scheint die venöse Drainage des Periosts zu sein. Wird nun der Abfluss des Blutes durch Applikation von Osteosynthesematerial gestoppt, wird die Perfusion der gesamten Kortikalis unter dem direkt aufliegenden Material gestoppt. Die intrakortikale Durchblutungsstörung kann man am ehesten als Infarzierung der Kortikalis bei venöser Stase erklären [63]. Handelt es sich dabei um eine begrenzte Zone, kann die Perfusion durch ossäre Remodulation wieder hergestellt werden. Handelt es sich aber um eine extensive Beeinträchtigung des Abflusses und damit der kortikalen Perfusion, können größere Teile der Kortikalis über längere Zeit nekrotisch bleiben.

Diese Durchblutungsstörung kann durch einfachen Kontakt (z.B. Implantat) hervorgerufen werden, der dafür notwendige Druck ist sehr klein [155]. Es genügt sogar ein Abstand eines Implantates zur Kortikalis unter 40 µm, um die Funktion der Blutgefäße zu behindern [129]. Die Auswirkungen dieser Durchblutungsstörungen werden ausführlich im Kapitel 4 besprochen.

2.2. Formen der Knochenbruchheilung

Bei der Frakturheilung unterscheidet man die natürliche Knochenheilung von der Knochenheilung bei absoluter Stabilität. Die wertenden Begriffe „sekundäre Knochenheilung“ respektive „primäre Knochenheilung“ sollten daher nach einem Vorschlag von Perren zugunsten der Begriffe „spontane Knochenheilung“ beziehungsweise „direkte Knochenheilung“ verlassen werden [207].


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2.2.1.  Spontane Knochenheilung

Die spontane Knochenheilung kann man bei nicht operativ behandelten Frakturen ebenso beobachten wie bei Osteosynthesen, die kleinste Relativbewegungen zulassen [146]. Zuerst verbreitern Osteoklasten den Frakturspalt, danach setzt auf beiden Seiten die Bildung einer Kallusmanschette ein. Die Kallusmanschetten beginnen, etwas hinter der Knochenbruchstelle liegend, aufeinander zuzuwachsen. Die Verbreiterung des Frakturspalts ist in den frühen Stadien der Knochenheilung für die Dehnungstoleranz des Gewebes wichtig. Dadurch verteilt sich die Deformation auf mehr Gewebe, so dass die Dehnungstoleranz nicht überschritten wird [154]. Die Gewebedehnbarkeit bzw. Bruchelongation von Granulationsgewebe liegt bei 100%, von ausdifferenziertem Bindegewebe bei 15% und von lamellärem Knochen bei 2% [238]. Die Differenzierungskaskade des Gewebes und die veränderten Hebelverhältnisse erleichtern dabei die Frakturheilung [157]. Dabei ist der Durchmesser dieses periostalen Kallus entscheidend für die Steifigkeit, da diese mit der vierten Potenz des Durchmessers zunimmt [154].

Die Möglichkeit der gewollten „spontanen Knochenheilung“ bei der Plattenosteosynthese wurde 1981 von Kleining und Hax vorgestellt [107]. Diese Publikation der Überbrückungsosteosynthese ergab im Vergleich zur anatomischen Reposition geringere Infektionsraten und eine deutlich kürzere Zeit bis zur knöchernen Durchbauung [107]. Diese Überbrückungsosteosynthese wird bei der Versorgung von Mehrfragmentfrakturen akzeptiert [206], bei der Versorgung von einfachen Frakturen wird von der AO jedoch die stabile Osteosynthese mit Kompression gefordert [147]. Einzelne Autoren fordern die „elastische“ Plattenosteosynthese auch bei der Versorgung von einfachen Frakturen [206]. In der Publikation von Schmidtmann et al. konnten gute Ergebnisse der überbrückenden Plattenosteosynthese bei einfachen diaphysären Femurschaftfrakturen gezeigt werden [186].

2.2.2. Direkte Knochenheilung

Schon 1914 gebrauchte Lane im Anschluss an eine Plattenosteosynthese den Begriff der primären Knochenheilung [126]. 1956 konnte nach einer Plattenosteosynthese das histologische Bild der Spaltheilung gezeigt werden [11] und 1963 wurde die Kontaktheilung nach Kompressionsplattenosteosynthese als Form der direkten Knochenheilung histomorphologisch beschrieben [182].

Die „direkte Knochenheilung“, die durch fehlende Resorption und fehlende Kallusbildung charakterisiert ist, wurde lange Zeit als gezielte Reaktion des Knochens auf eine Fraktur bei absolut stabiler Osteosynthese interpretiert [146, 183]. Bei der Kontaktheilung werden zwischen den Fragmenten durch Osteoklasten longitudinale Abbauzonen geschaffen. Diese werden danach vaskularisiert und mit Osteoblasten ausgefüllt, die mit neuem Lammellenknochen das Havers´sche System wieder herstellen. Heute ist bekannt, dass diese Art der Frakturheilung ein Zufallsprodukt des Havers´schen Umbaus ist, das die Neovaskularisation der Knochennekrosen ermöglicht [154, 208]. Im Schutz einer absolut stabilen Osteosynthese wird die Fraktur durch lamellär aufgelagerten Knochen oder Knochenbrücken verbunden [159]. Da die Kompression und die stabilisierende Funktion von konventionellen Platten nur einige Wochen bis Monate anhält [24], beginnt ein Wettlauf zwischen der zunehmenden biologischen Stabilität und der abnehmenden mechanischen Stabilität.


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2.2.3.  Entwicklung der operativen Frakturversorgung

Obwohl verschiedene Osteosyntheseverfahren schon vor mehreren Jahrhunderten angewendet wurden, begann das neuere Zeitalter der Osteosynthese erst mit zwei wichtigen Entdeckungen: der Narkose und der Antisepsis. Die Entdeckung des Distickstoffoxids (Lachgas) durch Priestley 1772 und die Entdeckung seiner schmerzstillenden Wirkung durch Davy 1799 machte sich Long bei einem kleineren chirurgischen Eingriff 1842 zunutze und 1844 Wells mit der ersten Lachgasnarkose. Die erste öffentliche Demonstration einer Lachgasnarkose fand durch Morton 1846 statt (nach [122]).

Mit der von Semmelweis 1846 eingeführten Desinfektion mit Chlorkalk begann das antiseptische Zeitalter. Nachdem Lister empirisch mit Phenol ein Antiseptikum gefunden hatte und diese Ergebnisse 1873 im Lancet publizierte (nach [122]), begannen sich die Osteosynthesen langsam von lebensbedrohlichen chirurgischen Prozeduren zu Routineverfahren zu entwickeln.

2.3. Extramedulläre Osteosynthese

1886 wurde von Hansmann anhand von 21 behandelten Fällen [237] „Eine neue Methode der Fixierung der Fragmente bei komplizierten Frakturen“ beschrieben [79]. Sieht man sich die Originalzeichnung von Hansmann an, kann man zwei interessante Dinge beobachten: erstens finden bei dieser extramedullären Osteosynthese monokortikale Schrauben Verwendung und zweitens kann durch eine breitflächige Auflage der vernickelten Stahlschrauben auf dem Stahlblech eine Winkelstabilität vermutet werden [237](Abb. 1).

Abb. 1: Die Plattenosteosynthese nach Hansmann [237]

1907 prägte Lambotte den Begriff der „Osteosynthese“, neben dem Fixateur externe entwickelte er in seiner eigenen Werkstatt zahlreiche Schrauben und Platten [125]. Ein anderer Arzt, der Londoner Chirurg William Lane, konnte zwar mit seinen internen Osteosyntheseergebnissen nicht überzeugen, er berichtete aber durch seine peinlich genaue antiseptische Technik über keine einzige Infektion (nach [30]).

1947 veröffentlichte Danis seine Arbeit „Theorie und Praxis der Internen Fixation“ [41], in der er die Entwicklung einer speziellen Kompressionsplatte vorstellte. Er beobachtete, dass viele dieser Frakturen [Seite 5↓]ohne sichtbaren periostalen oder endostalen Kallus heilten, was er als „primäre Knochenheilung“ bezeichnete. In den fünfziger Jahren traf der Schweizer Chirurg Müller mit Danis zusammen und war von dessen Arbeiten so begeistert, dass er mit anderen Chirurgen 1958 die Arbeitsgemeinschaft für Osteosynthesefragen (AO) gründete, um die Grundlagen und wissenschaftlichen Zusammenhänge einer idealen Osteosynthese zu erforschen (nach [30]). Aus den entstandenen Forderungen an eine hohe mechanische Stabilität mit interfragmentärer Kompression entstanden 1963 die erste AO-Kompressionsplatte [145], danach 1966 die DCP (dynamic compression plate) [3].

In der weiteren Entwicklung wurde dem Einfluss der Durchblutung und des Material auf die Komplikationsraten Rechnung getragen und die LC-DCP (limited contact dynamic compression plate) aus Titan entwickelt und 1987 zum ersten Mal implantiert [130].

In der neueren Zeit wurden die biologischen Gesichtspunkte der Frakturheilung „wieder entdeckt“. Die Beachtung der Knochenbiologie spiegelten sich in der Modifikation verschiedener Techniken wieder: in der Repositionstechnik, in neuen chirurgischen Zugangskonzepten, in der Technik der Implantatplatzierung und in der Materialforschung, die weiter unten ausführlicher beschrieben werden.

2.4. Intramedulläre Osteosynthese

Die ersten Berichte über intramedulläre Schienungen datieren in das 16. Jahrhundert, die Schienen waren aus Holz und dienten zur Behandlung von Pseudarthrosen (nach [50]). Danach wurde Knochen oder Elfenbein als resorbierbare Implantate zur Therapie von Pseudarthrosen genutzt.

Zur Versorgung von frischen Frakturen wurde 1886 die intramedulläre Osteosynthese von Bircher vorgestellt und empfohlen [21]. Ein Verriegelungsnagel wurde von Gluck erstmalig 1890 beschrieben [67]. Neue Materialien wurden erprobt, 1913 wurden Nägel aus Silber [190], 1914 aus Stahl implantiert [84]. Bis zum Anfang des 19. Jahrhunderts war die intramedulläre Osteosynthese ein offenes Verfahren: nach Darstellung der Fraktur wurde das Implantat direkt in den Markraum eingesetzt [85].

Abb. 2: Hey Groves’ Technik der Marknagelosteosynthese des Femur (nach [85])

Ungeachtet seiner Erfindungen konnte Ernest Hey Groves nicht mit den Infektionsraten bei seinen Marknagelungen überzeugen und wurde wegen dieser als „septic Ernie“ verspottet (nach [30]). Ein weiterer entscheidender Fortschritt zur frakturfernen Einbringung des Ostensynthesematerials wurde [Seite 6↓]von Martin und King gemacht: 1922 nutzten sie laut Mears Röntgengeräte, um Nägel in das Femur einzutreiben [133]. Der erste Nagel aus rostfreiem Edelstahl wurde 1925 implantiert [198], der Nachweis, dass rostfreier Edelstahl und Vitallium (eine Kobaltlegierung) biologisch inert sind, wurde 1936 erbracht [228].

1932 wurde erstmals eine geschlossene Technik bei der intramedullären Osteosynthese von Johannson und Jerusalem angewendet und mit Hilfe eines Zielgerätes der Schenkelhals genagelt [95, 96]. Diese Technik legte den Grundstein für Küntschers Forschungen hinsichtlich der Biomechanik und der Form der Implantate. Küntscher entwickelte zusammen mit seinem Mitarbeiter Pohl verschiedene Nagelprofile, die durch ihre Form (V-Profil oder Kleeblattprofil) dem Nagel eine Querelastizität verliehen [112]. Im November 1939 wurde dann in Kiel die erste Marknagelung einer subtrochantären Femurfraktur durchgeführt (nach [36]). Durch die nichtaufgebohrte Insertion war das Stabilisierungsprinzip zu dieser Zeit eine Vielpunktverklemmung. Durch diese Verklemmung zwischen dem querelastischen Implantat und dem Knochen war die Indikation aber auf relativ einfache Frakturen in Schaftmitte begrenzt [112].

1942 wurde von Maatz die aufgebohrte Marknagelung eingeführt [56]. Durch die Aufbohrung konnte das Indikationsspektrum auf proximale, distale und komplexe Frakturen erweitert werden, weiterhin konnten größere Implantatdurchmesser verwendet werden.

Modny und Bambara stellten 1953 den ersten modernen Verriegelungsnagel vor, der die Insertion von Schrauben aus verschiedenen Richtungen erlaubte [142]. Damit hatte sich das Stabilisierungskonzept von einer Vielpunktverklemmung zu einer Bolzung mit Verriegelung entwickelt [112].

In den achtziger Jahren wurde wieder das Konzept der nichtaufgebohrten Nagelung wieder entdeckt. Verschiedene Gruppen in Europa (Ender, Arens) und Nordamerika (Lottes, Rush) verwendeten Marknägel in unaufgebohrter Technik mit geringem Durchmesser und fehlender Verriegelungsmöglichkeit. Sie waren deshalb für Trümmerfrakturen oder außerhalb der Diaphyse gelegenen Frakturen nicht geeignet (nach [112]).

In den neunziger Jahren wurde dann von Haas et al. der solide, unaufgebohrte Tibianagel vorgestellt [75]. 1994 wurde von Melcher et al. tierexperimentell nachgewiesen, dass die Infektanfälligkeit bei soliden Marknägeln geringer ist als bei nichtsoliden Nägeln [134]. Weiterhin wurden beim Aufbohren des Markraumes eine kompromittierte kortikale Blutversorgung [100], ein erhöhtes Risiko für eine Infektion im Tiermodell [136] und in die Lungenstrombahn eingeschwemmte Thromben mit einer gesteigerten ARDS-Rate [231] nachgewiesen. Auch wurde tierexperimentell bestätigt, dass kleine, nicht verklemmte Nägel die kortikale Blutversorgung weniger schädigen als eng sitzende Nägel [91]. Aufgrund dieser Überlegungen und Ergebnisse wurden kleine, solide Verriegelungsnägel für das unaufgebohrte Einbringen für verschiedene Knochen entwickelt. Weiterhin wurden die distalen Verriegelungen verbessert (Spiralklinge oder veränderte geometrische Anordnung der Verriegelungsbolzen), um die Stabilität vor allem in Knochen minderer Qualität zu verbessern.


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25.11.2004