Biologisch abbaubare Magnesium-Knochenplatte und Schraubenfixierung in der Kieferchirurgie (MgJawSurgery)

Die Knochenplatten- und Schraubenfixierung ist ein anerkanntes System zur internen Fixierung in der Kieferchirurgie, das die Frakturfixierung, orthognathe Chirurgie und kraniofaziale Rekonstruktion umfasst. Im Laufe der Entwicklung haben sich Titan und seine Legierungen aufgrund ihrer außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften und Biokompatibilität zu den vorherrschenden Materialien für die interne Fixierung entwickelt. Allerdings weist Titan bestimmte Nachteile auf, wie z. B. eine übermäßige Steifigkeit im Vergleich zu Knochen, die zu Stress Shielding und anschließender Knochenresorption führen kann. Darüber hinaus dient die Fixierung mit Titanplatten und Schrauben zur vorübergehenden mechanischen Unterstützung während der Knochenheilung und kann eine Entfernung durch einen zweiten chirurgischen Eingriff nach der Knochenheilung erforderlich machen, wodurch sich die Belastung für die Gesundheitsfürsorge erhöht. Wenn Titan an Ort und Stelle belassen wird, kann es aufgrund von Strahlaufhärtungseffekten die Röntgenbildgebung beeinträchtigen.

Um die Einschränkungen der Titanfixierung zu beseitigen, haben Forscher die Entwicklung alternativer Materialien für die interne Fixierung untersucht. Bioresorbierbare Systeme nutzen biologisch abbaubare Materialien für die Knochenplatten- und Schraubenfixierung, sodass kein zweiter chirurgischer Eingriff zur Entfernung der Hardware erforderlich ist. Diese biologisch abbaubaren Systeme vermeiden langfristige Probleme im Zusammenhang mit Stress Shielding oder Röntgenstreuung. Zu den im Handel erhältlichen biologisch abbaubaren Osteosynthesematerialien gehören hochmolekulare Polymere wie Poly(milchsäure) (PLA), Polyglykolsäure (PGA) und Poly(milchsäure-co-glykolsäure)-Copolymer (PLGA). Allerdings weisen diese biologisch abbaubaren Polymere eine unzureichende mechanische Festigkeit auf, was größere Abmessungen erforderlich macht und zu einem sperrigen Volumen führt, das die Anwendung behindern kann. Darüber hinaus kann die suboptimale Biokompatibilität Fremdkörperreaktionen hervorrufen und die normale Knochenheilung behindern. Schließlich ist die Kontrolle der biologischen Abbauraten von Polymeren eine Herausforderung, die die normale Knochenheilung übertreffen und zu postoperativen Komplikationen wie Malunion oder Pseudarthrose führen kann.

In den letzten Jahren hat sich Magnesium als vielversprechendes biologisch abbaubares Metall für die interne Fixierung herausgestellt, wie zahlreiche Forschungsstudien belegen. Magnesium weist mechanische Eigenschaften auf, die stärker an menschliche Knochen angepasst sind als die starren Titan- oder Edelstahlmaterialien, wodurch die Nachteile der Stressabschirmung und der Röntgenstreuung wirksam gemildert werden. In vivo lösen sich Magnesiumplatten und -schrauben allmählich auf und setzen Magnesiumionen und Wasserstoffgas frei. Magnesiumionen, die für den menschlichen Körper lebenswichtig sind, können verstoffwechselt werden, ohne Schaden anzurichten. Die Ansammlung von Wasserstoffgas im Gewebe kann zu vorübergehenden Schwellungen oder Beschwerden führen, die normalerweise verschwinden, wenn das Gas mit der Zeit verschwindet. Noch wichtiger ist, dass Magnesium eine bemerkenswerte Bioaktivität bei der Förderung der Knochenregeneration gezeigt hat, was zu einem Anstieg des Interesses an der biomechanischen Grundlagenforschung geführt hat. Seine außergewöhnliche Bioaktivität wurde sogar in schwierigen klinischen Situationen nachgewiesen. Folglich haben die einzigartigen und überlegenen Eigenschaften von Magnesium es zu einem vielversprechenden biomedizinischen Implantat der nächsten Generation für die interne Fixierung beim Menschen gemacht.

Die Anwendung von Materialien auf Magnesiumbasis in der Knochenchirurgie lässt sich bis ins Jahr 1906 zurückverfolgen, und jüngste Fortschritte haben zur Entwicklung biologisch abbaubarer interner Fixierungsgeräte durch Unternehmen wie Synntellix AG (Deutschland) und U&I Corporation (Südkorea) geführt [7]. Diese Fixierungssysteme, darunter MAGNEZIX® (Mg-Y-Re-Zr-Legierungsschrauben) und RESOMET™ (Mg-Ca-Zn-Legierungsschrauben), haben in verschiedenen klinischen Studien in mehreren Ländern vielversprechende Ergebnisse bei der Behandlung von Erkrankungen wie Hallux Valgus gezeigt. Osteonekrose des Femurkopfes und Frakturen des distalen Radius. Angesichts der potenziellen Gesundheitsrisiken von Legierungselementen für Patienten haben sich chinesische Forschungsteams jedoch der Entwicklung von hochreinem Magnesium für interne Fixierungszwecke verschrieben.

In China wurden zahlreiche klinische Studien am Menschen mit hochreinem Magnesium erfolgreich durchgeführt. Im Jahr 2015 haben Yu et al. verwendeten hochreine Magnesiumschrauben zur Fixierung vaskularisierter Knochentransplantate bei jungen Erwachsenen mit verschobenen Schenkelhalsfrakturen. Über einen Nachbeobachtungszeitraum von 16 Monaten erzielten die Patienten zufriedenstellende Ergebnisse beim Harris-Hip-Score, einem Funktionsindex, und zeigten eine geringere Inzidenz von Komplikationen wie avaskulärer Nekrose und Pseudarthrose. Im Jahr 2016 stellten Zhao et al. implementierte in einer klinischen Studie hochreine Magnesiumschrauben zur Fixierung vaskularisierter Knochentransplantate bei Osteonekrose des Femurkopfes. Innerhalb einer 12-monatigen Nachbeobachtungszeit zeigten Patienten, die mit Magnesiumschrauben behandelt wurden, bessere Ergebnisse bei den Funktionswerten und eine geringere Verschiebung des Knochentransplantats. Die Magnesiumspiegel im Serum blieben im normalen physiologischen Bereich und mögliche nachteilige Auswirkungen durch Magnesiumabbauprodukte traten nicht auf. Im Jahr 2019 stellten Chen et al. verwendete in einem Fallbericht hochreine Magnesiumschrauben zur Fixierung vaskularisierter Knochentransplantate bei traumabedingter Femurkopfnekrose. Hinsichtlich der funktionellen Wiederherstellung wurden zufriedenstellende Ergebnisse erzielt und die Magnesiumschrauben verschlechterten sich im Laufe von mehr als zwei Jahren allmählich, ohne dass spürbare Nebenwirkungen auftraten.

Trotz ihres Potenzials steht die Magnesium-basierte Fixierung in der Orthopädie vor Herausforderungen, da ihre mechanische Festigkeit beim Einsatz in gewichttragenden Bereichen relativ gering ist und in solchen Fällen bisher keine klinischen Studien durchgeführt wurden. Theoretisch muss die Fixierung im Bereich des Hüftgelenks Kräften von mehr als 2000 N oder dem Dreifachen des Körpergewichts standhalten, die bei funktioneller Mobilisierung ansteigen können. Forscher haben Beschichtungsstrategien untersucht, um den Abbau von Magnesium in vivo zu verlangsamen und so die mechanische Unterstützung für eine angemessene orthopädische Heilung zu erweitern. Sie untersuchen außerdem metallurgische Techniken zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit von Magnesium-Fixierungsgeräten. Umgekehrt können Kieferoperationen von einer Magnesium-basierten Fixierung profitieren, da im Vergleich zur Gliedmaßen- oder Wirbelsäulenfixierung vergleichsweise geringere Kraftbelastungen erforderlich sind. Die normalen Kräfte für den Unterkiefer betragen etwa 400 N, die eine Woche nach der internen Reposition auf 115 N und sechs Wochen nach der internen Reposition auf 250 N sinken. Daher ist die Magnesiumfixierung vielversprechend für den erfolgreichen Einsatz in der Kieferchirurgie.

Aufgrund der begrenzten klinischen Forschung in diesem Bereich sind jedoch erhebliche Anstrengungen erforderlich, um die Vorteile von Materialien auf Magnesiumbasis in der Kieferchirurgie gründlich zu verstehen und neuartige chirurgische Protokolle für deren Umsetzung zu etablieren. Ziel dieser Studie ist es, die Anwendung von Magnesium zur Knochenfixierung in der Kieferchirurgie zu untersuchen und die chirurgischen Ergebnisse umfassend zu bewerten. Die Studie wird zu einem tieferen Verständnis der Verwendung von Magnesium als interne Fixierung in der Kieferchirurgie beitragen und soll den Weg für neue chirurgische Protokolle ebnen, die biologisch abbaubare Fixierungen nutzen. Letztendlich könnte dies zu besseren Patientenergebnissen und einer Verringerung der Gesundheitsbelastung führen.