Aus dem Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie
der Medizinischen Fakultät der Charité – Universitätsmedizin Berlin

DISSERTATION

On the Influence of Mechanical Conditions on Osteochondral Healing

Zur Erlangung des akademischen Grades
Doctor rerum medicarum (Dr. rer. medic.)

vorgelegt der Medizinischen Fakultät der Charité – Universitätsmedizin Berlin

von

Zully M . Ritter
(geb. Maldonado Mora)
aus Cúcuta/Kolumbien

Gutachter:
1. Prof. Dr.-Ing. Georg N. Duda
2. Prof. Dr. habil. Michael M. Morlock
3. Prof. Dr. Thomas Mittelmeier

Datum der Promotion: 24 März 2006

Zusammenfassung

Osteochondrale Defektheilung nach Traumata oder degenerativen Krankheiten bleibt weiterhin ein häufiges, klinisches Problem. Es ist bekannt, daß die mechanischen Eigenschaften der neudifferenzierten Gewebe, welche osteochondrale Defekte ausfüllen, minderwertig sind im Vergleich zu den hochspezialisierten hyalinen Knorpeln. Unter bestimmten Bedingungen (z.B. sich widerholende, stoßende oder torsionale Belastungen) können in Gelenkgeweben Fibrillation und Spalten auftreten und es bilden sich schließlich osteochondrale Defekte. Ohne Behandlung tritt Osteoarthrose auf (posttraumatische Osteoarthrose). Gelenkdegeneration kann zum totalen Gelenkersatz führen. Das Verständnis von Veränderungen, Heilung und Behandlung von osteochondralen Defekten erfordert die Kenntnis des mechanischen Umfeldes des intakten und frakturierten Knochens. Der Einfluß der Knochenqualität auf seine Mechanik muß verstanden werden, um eine detaillierte Analyse des Gelenkbereiches, in welcher der osteochondrale Defekt lokalisiert ist, durchzuführen.

Ziele dieses Projektes waren zum Einen, das mechanische Verhalten des Knochens eines intakten Gelenkes unter physiologischen Belastungen unter besonderer Berücksichtigung der Knochenqualität zu analysieren und zum Anderen den Einfluß der mechanischen Bedingungen auf die osteochondrale Defektheilung zu bestimmen.

Um diese Ziele zu erreichen, wurde eine Studie des mechanischen Verhaltens des Knochen-Gelenkbereiches durchgeführt. Dies geschah am Beispiel proximaler Humeri. Kompressive Dehnungen in intakten und frakturierten Knochen unter physiologischen Belastungen wurden bestimmt. Die Armpositionen 90° Abduktion, 90° Vorwärtsflexion und 0°, die neutrale Position, wurden dafür simuliert. Der Einfluß der Knochenqualität auf seine Heilung wurde durch die Analyse der kompressiven Dehnungen von osteoporotischen Knochen mit verschiedenen Dichteverteilungen (DEXA = 0,26gm/cm2 und DEXA = 0,49gm/cm2) berücksichtigt. Anschließend wurde osteochondrale Defektheilung in einem lokalen Modell des Gelenkbereiches studiert.

Der Einfluß mechanischer Rahmenbedingungen auf die osteochondrale Heilung wurde durch ein eigens entwickeltes biphasisches Modell für die Gewebedifferenzierung untersucht. Diese Gewebedifferenzierung wurde durch iterative Veränderungen des Elastizitätsmodules simuliert. Dabei wurde eine Kombination von berechnetem mechanischen Stimulus und gewebespezifischen Faktoren für Wachstum und Resorption benutzt. Diese Faktoren basieren auf in vivo Daten und konnten im Rahmen dieses Projektes erstmalig mittels numerischer Methoden berechnet werden. Mit der Benutzung des Gewebedifferenzierungsmodelles wurden die Steifigkeiten der verschiedenen, neudifferenzierten Gewebe während der osteochondralen Heilung quantifiziert und mit den histologischen und histomorphometrischen Untersuchungen aus einem komplett dokumentierten Tierversuch verglichen. Zum Schluß wurden die mechanischen Aspekte der osteochondralen Heilung anhand spezifischer, geometrischer Konstellationen von osteochondralen Defekten untersucht. Dazu wurde der Einfluß der lokalen Geometrie des Defektes auf die Heilung analysiert. Modelle mit Defekten von verschiedenen Breiten und Tiefen wurden erzeugt. Der Einfluß der Knorpeldicke auf die Qualität des neugebildeten Knorpels wurde bestimmt. Osteochondrale Defekte sind in konvexen Gelenkoberflächen öfter zu beobachten als in konkaven. Trotzdem ist die Rolle biomechanischer Bedingungen auf die Heilung bislang noch nicht untersucht worden. Deswegen wurden nach Änderungen der Gelenkgeometrie die jeweils resultierenden lokalen mechanischen Bedingungen und deren Einfluß auf die Heilung untersucht. Zusätzlich wurden die entstehenden mechanischen Bedingungen von verschiedenen, vorgefertigten Defektausfülllungen evaluiert: Heilung unter Verwendung von Grafts mit 100% und 50% der ursprünglichen Kochensteifigkeit wurde vergleichen.

Nach Analyse der Knochenheilung des proximalen Humerus wurden maximale Dehnungen in intakten und frakturierten Knochen bei 90° Abduktion gefunden. Die Ergebnisse zeigten höhere kompressive Dehnungen (bis zu 30%) in Knochen mit niedrigerer Dichteverteilung (geringere durchschnittliche DEXA Werte). Der Einfluß der Knochenqualität auf seine Heilung erwies sich als wichtiger als die Art der physiologischen Belastung; daher sollten neue Konzepte der chirurgischen Behandlung komplexer Frakturen im proximalen Humerus die individuelle Verteilung der Knochendichte explizit berücksichtigen. Dadurch wird eine effektive Stabilisierung der Frakturen in osteoporotischen Patienten oder in Patienten mit osteopenischer Knochendichte ermöglicht.

In der Histologie zeigten osteochondrale Defekte Resorption an der Basis und Ausfüllung an dem Rand des Defektes. Der Defekt wurde hauptsächlich mit fibrösem (70%) statt mit hyalinem Knorpel ausgefüllt. Die Quantität der neugebildeten Gewebe während der Heilung stimmten in dem Finite-Elemente-Modell gut mit der histomorphometrischen Analyse (nach 4, 6 und 12 Wochen) überein; gleiches gilt auch qualitativ für die simulierte osteochondrale Defektheilung mit der in den histologischen Präparaten beobachteten.

Hyaliner Knorpel wurde nur in der ursprünglichen Defektsituation und der mit erhöhter Defektbreite (+33%) gebildet (ca. 35% und 20%). Zirka 5% und 3% von hyalinem Knorpel wurde für die Modelle mit erhöhter Tiefe (+50%) und erhöhter Knorpeldicke (+15%) bestimmt.

Das Modell mit einer konkaven Krümmung (R= 15mm) zeigte einen höheren prozentualen Anteil an hyalinem Knorpel (bessere mechanische Qualität) im Vergleich zu einem Modell mit entsprechender konvexen Krümmung (ebenfalls R= 15mm). Wiederherstellende Defektausfüllung mit der gleichen Knochenqualität erlaubte ebenfalls die Bildung von Knorpelgewebe mit einem höheren Anteil an hyalinem Knorpel im Vergleich zu der Defektausfüllung mit reduzierter Steifigkeit. Auch wurde nur im Graft der ursprünglichen Knochensteifigkeit kalzifizierender Knorpel neu aufgebaut. Eine verminderte mechanischen Qualität der umliegenden Gewebe wurde in beiden Modellen beobachtet im Vergleich zu den intakten Gewebesteifigkeiten.

Insgesamt erlaubte der Algorithmus das Finden mechanischer Erklärungen für ganz unterschiedliche Fälle der osteochondralen Defektheilung. Beispielsweise ergibt sich dadurch der Grund, weswegen der Heilungsprozeß in konvexen Gelenkflächen ungünstiger verläuft.

Die Benutzung eines vorhersagenden Gewebedifferenzierungsmodelles zur Analyse des Heilungsprozesses mag zukünftig in der klinischen Praxis ein Werkzeug zur individuellen Behandlung werden, um die Heilungsbedingungen durch Wahl von Graftsteifigkeit und Belastungen für jede individuelle Knochen-Knorpel Geometrie und Defektsituation zu optimieren.

Summary

Osteochondral healing after trauma or degenerative diseases remains a clinical challenge. It is known that the mechanical properties of the newly differentiated tissue filling osteochondral defects are inferior to the highly specialized native hyaline cartilage. Under specific loads (repetitive, impact or torsional loads) joint tissues could develop fibrillation, fissures and finally osteochondral defects are formed. Without treatment, osteoarthrosis (posttraumatic osteoarthrosis), the most common of the joint injuries, is then expected. Joint degeneration leads to total joint replacement affecting a considerable percentage of the population, which implies a significant social and economic burden. Understanding changes, healing and treatment of osteochondral defects requires studying the mechanical environment of the bone-joint system under physiological loads. The influence of the bone quality on the bone mechanics must be understood to perform a detailed analysis of the joint region where the defect is localized.

The aims of this project were, therefore, first to analyze the mechanical behavior of a bone with an intact joint under physiological loads taking into account the influence of the bone quality and second, to analyze the influence of the mechanical conditions on osteochondral healing.

In order to achieve these goals a study of the bone-joint mechanics was realized. Proximal humeri were used. The strain fields of intact and fractured bones under physiological-like loading were determined. Arm positions of 90° abduction, 90° forward flexion and 0°, the neutral position, were considered. To quantify the influence of the bone quality, the bone tissue straining of osteoporotic bones (DEXA = 0.26 gm/cm2, and DEXA = 0.49 gm/cm2) was analyzed. Finally osteochondral defect healing was studied with a local model of the joint region.

To study the influence of mechanical conditions on osteochondral healing, a predictive biphasic model for tissue differentiation was developed. Tissue differentiation was simulated through iterative changes of the elastic modulus of Young. A combination of a mechanical stimulus with a factor for differentiation defined for each tissue was used to regulate tissue differentiation. These factors, which are based on in vivo data, were calculated for the first time during the development of this project using numerical methods.

Applying the tissue differentiation model, the stiffness of each differentiated tissue during osteochondral healing was quantified and compared with histological and histomorphometric healing outcome of a well-documented experiment with animals. Finally, mechanical aspects of healing in specific geometric constellations of osteochondral defects were evaluated. The influence of the local defect geometry that allows healing was analyzed. Defects with different width and depth were modeled. The influence of the cartilage thickness on the mechanical quality of the differentiated cartilage was evaluated. In clinical practice osteochondral defects appear to occur more frequently in convex joints than in concave joints. The mechanical environment generated after changes in the joint curvature and how it affects the process of healings was determined. Finally, the mechanical conditions arising from different predesigned defect fillings were evaluated: Healing using grafts with 100% and 50% of the native subchondral bone stiffness was compared.

Analyzing bone healing in proximal humerus, maximal strain values were found for the intact and fractured bone at a 90° abduction. This study demonstrates that in a fractured bone of poor quality considerably higher bone strains (up to +30%) are found than in a more healthy bone. New concepts for the surgical treatment of complex fractures of the proximal humerus should take the specific bone density distribution of osteoporotic or osteopenic bones into account and thereby allow an effective stabilization of fractures in osteoporotic patients.

Histologically, the osteochondral defects showed bone resorption at the base and bone formation from the circumference. The defect was principally filled with a fibrous cartilage (70%) and only a minor percentage of hyaline cartilage formed (30%). The amount of cancellous, cartilaginous, and fibrous tissue and the size of the unfilled defect as measured in histomorphometric analysis for three time points (4, 6 and 12 weeks) were comparable in magnitude to that predicted by finite element analysis. Qualitatively, simulated healing agreed with the histological findings.

Only in the initial defect and the larger defect situation (defect width +33%) did the adaptive finite element analysis predict cartilage formation (app. 35% and 20%). Minor hyaline cartilage formation (<5% and <3%) was predicted in the models with increased depth (+50%) and increased cartilage thickness (+15%) respectively. The concave model (R= 15mm) showed a more appropriate filling of the defect with tissues of higher quality than those obtained with a convex model of the same radius of curvature. Defect filling restoring subchondral bone quality allowed a larger amount of hyaline cartilage formation than a less rigid filling. In both models the mechanical quality of the remaining cartilage appeared to be reduced compared to the intact tissue stiffnesses.

In general, the algorithm allowed a mechanical explanation to be formulated for the healing response of the different evaluated cases, since, for example, a mechanical reason for the less favorable clinical outcome of convex surfaces was found. The usage of a predictive tissue differentiation model to analyze osteochondral healing might even be extended in conjunction with patient specific data to predict the outcome of osteochondral repair. It will allow an optimization of boundary conditions required for osteochondral healing through selection of appropriated loads and/or stiffness of defect fillings.

Inhaltsverzeichnis

Tabellen

Bilder



© Die inhaltliche Zusammenstellung und Aufmachung dieser Publikation sowie die elektronische Verarbeitung sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung. Das gilt insbesondere für die Vervielfältigung, die Bearbeitung und Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme.
XDiML DTD Version 4.0Zertifizierter Dokumentenserver
der Humboldt-Universität zu Berlin
HTML-Version erstellt am:
15.11.2007