Bewegungsinduzierte Kahnbeinbeanspruchung nach Osteosynthese

Die Therapie von Frakturen und Pseudoarthrosen des Kahnbeines stellt mit langen Konsolidierungszeiten und hohen Raten an persistierenden Pseudoarthrosen nach wie vor ein Problem dar. Prinzipiell muss bei einer Verbesserung der Therapie an eine Bewältigung dreier Probleme gedacht werden: Die Wiederherstellung der lokalen Durchblutung und Präsenz von osteokonduktivem und osteoinduktivem Gewebe, welche vor allem durch die Operationstechnik wie durch den Aufbohrvorgang und einer möglichst rigiden Fixierungsmöglichkeit der Fragmente gewährleistet wird. Breite Wissenslücken und Optimierungsbedarf zum Thema Kahnbein fallen bei grundlegenden biomechanischen Untersuchungen bis zur Versorgung von Verletzungen des Kahnbeines auf. Erweiterte Erkenntnisse dienen als Fundament einer optimalen Fixierung von Fragmenten. In einer ersten Untersuchung werden Kahnbeine im Verband von Kadaverunterarmen osteotomiert und durch Handgelenksbewegung und Belastung Kräften und Momenten ausgesetzt, welche mithilfe eines eigens konstruierten Sensors gemessen werden. Wir vermuten vor allem Rotationsbelastungen, denen das Kahnbein bei Bewegung und Belastung des Handgelenkes ausgesetzt ist und zu Verzögerungen in der Frakturheilung bei konservativer und operativer Therapie führen könnte. Die erhaltenen Messergebnisse werden zur Überprüfung und möglichen Vervollständigung eines biomechanischen Rechenmodells, der Finite Elemente Technik benutzt. Die ermittelten Ergebnisse des ersten Teiles werden im weiteren für eine Untersuchung benutzt, in welchem etablierte singuläre, kopflose Schrauben in vitro an isolierten, osteotomierten Kahnbeinen in Rotation und Biegung auf ihre Festigkeit geprüft werden. Diese Untersuchung wird durch eine weitere Untersuchung an Kahnbeinfrakturmodellen belegt, welche in rapid prototyping Technik aus Mikro CT Daten von Patienten hergestellt werden. Ausserdem werden neue Implantate hergestellt, die sich neben den Vorteilen der singulären Zugschraubentechnik vor allem durch eine höhere Rotationsstabilität auszeichnen. Diese höhere Festigkeit wird ebenso anhand von in vitro Messungen im Vergleich zu herkömmlichen Schraubensystemen getestet.

Das Projekt Bewegungsinduzierte Kahnbeinbeanspruchung nach Osteosynthese hatte zum Ziel, biomechanische Ursachen für die verzögerte Knochenbruchheilung des Kahnbeines aufzudecken. Mithilfe der ermittelten Kräfte, die durch Handgelenksbewegungen zwischen den Kahnbeinfragmenten entstehen, sollen Schwächen der konservativen Therapie und der herkömmlichen Zugschraubenosteosynthese aufgedeckt und Vorteile eines von uns entwickelten Knochenschraubenset nachgewiesen werden. Um Kräfte und Momente nachzuweisen, die das Kahnbein und dessen Fragmente bei einem Kahnbeinbruch durch Belastung und Bewegung des Handgelenkes bewegen, haben wir Experimente am Handgelenk von Menschen durchgeführt, die ihren Leichnam dem Anatomischen Institut der Medizinischen Universität überlassen haben. Diese Kräfte wurden durch einen implantierten Sensor im künstlich erzeugten Bruch des Kahnbeines des sonst intakten Handgelenkes gemessen. Die Kräfte und Momente wurden im ersten Versuch nur durch Aktivierung der Finger zum Faustschluss, ohne Bewegungen des Handgelenkes erzeugt. Im zweiten Versuch wurden die Kräfte und Momente im Kahnbein durch Bewegungen im Handgelenk mit und ohne Belastung durch den Faustschluss hervorgerufen. In beiden Experimenten wurde versucht, die Kahnbeinfragmente mithilfe von Bordrähten gegenüber den angrenzenden Handwurzelknochen zu stabilisieren. Die Messungen wurden mit und ohne zusätzliche Bohrdrahtosteosynthese vorgenommen und verglichen. Keine der aufgetretenen Kräfte und Momente, die ein erhebliches Ausmaß annahmen, konnte durch die zusätzliche Bohrdrahtstabilisierung neutralisiert werden. Diese Kräfte im und um das Kahnbein wurden nicht nur mechanisch, mit Hilfe eines Sensors ermittelt, sondern über ein numerisches Verfahren, der Finite Elemente Analyse. Dabei wurden vor allem die Kräfte ermittelt und bestätigt, die in Rotation um die Kahnbeinlängsachse auftraten. Diese Kräfte und Momente wurden deswegen ermittelt, um herkömmliche, kopflose Kahnbeinschrauben sowie das neue, von uns entwickelte Kahnbeinschraubenset in weiteren Untersuchungen unter realistischen Bedingungen testen zu können. Funktionsweisen und Eigenschaften von herkömmlichen Schrauben wurden von uns anhand mechanischer Testreihen mit künstlichen Knochen überprüft, die Ergebnisse flossen in die Entwicklung des Knochenschraubensets. Die zwei verschiedenen Varianten des Knochenschraubensets, bestehen jeweils aus 2 Komponenten: einer Hauptschraube, die in der Variante 1 über eine schräge Perforation durch einen Bolzen verblockt werden kann und eine Variante 2, bei der die Hauptschraube eine Längsnut aufweist, in der ein Bolzen eingeführt wird, der über den Querschnitt der ersten Schraube hinausreicht. Beide Varianten des Knochenschraubensets wurden auf ihre Ausrissfestigkeit und Rotationsstabilität mit herkömmlichen Schrauben verglichen. Vor allem die Variante, bei der der Bolzen schräg durch die erste Schraube geführt wurde, weist erhebliche mechanische Vorteile gegenüber allen getesteten Schrauben in Rotation und Ausrissfestigkeit auf. Falls sich diese Ergebnisse auf eine klinische Anwendung übertragen lassen, ist von einem Vorteil des Knochenschraubensets gegenüber den herkömmlichen Schrauben auszugehen.