Table Of ContentW W Rittmann· S. M. Perren
Cortica1e Knochenheilung
nach Osteosynthese
und Infektion
Biomechanik und Biologie
Unter Mitarbeit von
M. Allgower . F. H. Kayser· J. Brennwald
Mit 65 zum Teil farbigen Abbildungen
in 154 Einzeldarstellungen
Sp ringer- Verlag
Berlin Heidelberg New York 1974
PD. Dr. med. W. W. RITTMANN, Departement fUr Chirurgie der Universitat Basel,
Kantonsspital, CH-4004 Basel
PD. Dr. med. S. M. PERREN, Leiter des Laboratoriums fUr experimentelle Chirurgie,
Schweizerisches Forschungsinstitut, CH-7270 Davos
Library of Congress Cataloging in Publication Data
RITTMANN, W.W., 1938-
Corticale Knochenheilung nach Osteosynthese und Infektion
Bibliography: p.
I. Bone-grafting. 2. Bone regeneration. 3. Surgery-Complications and sequelae.
I. PERREN, STEPHAN M., 1932- joint author. II. Title
RD123.R57 616.7'1 74-13770
ISBN-13: 978-3-540-06884-6 e-ISBN-13: 978-3-642-65940-9
DOl: 10.1007/978-3-642-65940-9
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Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1974
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Satz, Druck und Bindearbeiten:
Universitiitsdruckerei H. Stiirtz AG Wiirzburg
Geleitwort
Die Infektion bleibt eine auBerordentlich ernste "Kehrseite" der Osteosyn
these. Ihre Verhutung mit allen verfUgbaren MaBnahmen der Prophylaxe
ist ein zentrales Anliegen jedes Operationsbetriebes. Ob nun aber die Infek
tionsrate die vielleicht zuHissigen 2% uberschreitet oder nicht - fUr den
"infizierten Patienten" ist die GroBzahl der GlanzHille ein schlechter Trost.
Es gilt, fUr diesen Patienten die prognostisch gunstigste L6sung zu finden.
Sie sollte sich nicht auf Intuition, sondern auf klare und erprobte Richtlinien
stUtz en k6nnen.
Planung im Falle einer infizierten Osteosynthese ist eine Bilanzfrage: Ab
wagung der Nachteile des Fremdk6rpers gegenuber den Vorteilen der Stabili
sierung. Die Autoren haben es unternommen, in systematischen Tierversuchen
die Heilung operativ stabilisierter und hernach mit Staphylokokken infizierter
Osteotomien zu prufen. Sie konnten zeigen, daB unter Bedingungen der Stabili
tat eine massive Infektion die Heilungsvorgange der Knochencorticalis nicht
zum Erliegen bringt. Selbst unter diesen Umstanden kann eine Vereinigung
der Knochenenden im Sinne der primaren Knochenheilung erfolgen - aller
dings weniger regelmaBig als bei der nicht infizierten Osteosynthese.
Diese in Kurze zusammenfaBbaren Ergebnisse wurden eine monographi
sche Darstellung wohl kaum rechtfertigen, ware es nicht fUr den Chirurgen
von groBem praktischem Interesse, Versuchsplanung und -bewertung der
Resultate gleichsam nachzuvollziehen. Er wird dabei fUr die operative Stabili
sierung seiner Frakturen wie auch fur die Behandlung der hoffentlich seltenen
infizierten Falle nutzliche Anregungen fUr sein klinisches Handeln finden.
Zudem durfte es fUr viele einen GenuB bedeuten, patientenbezogene Grundla
genforschung Schritt fUr Schritt zu verfolgen.
M. ALLGOWER
v
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung und Fragestellung
2. Material und Methoden . 4
2.1. Gruppeneinteilung 4
2.2. Material . . . . . 4
2.2.1. Versuchstiere 4
2.2.2. Bakterien 4
2.2.3. Implantate . 4
2.3. Methoden . . . . 7
2.3.1. Narkose und operatives Procedere . 7
2.3.2. Messung des interfragmentiiren Druckes 10
2.3.3. Messung des Schrauben-Drehmomentes 12
2.3.4. Messung der Gehbelastung. . . . .. 13
2.3.5. Infektion und Kontrolle des Infektverlaufes 13
2.3.6. Radiologische Kontrollen . . 16
2.3.6.1. Obersichtsaufnahmen 16
2.3.6.2. Mikroangiographie . 16
2.3.6.3. Mikroradiographie 16
2.3.7. Polychrome Fluorescenzmarkierung und histologische Auf-
arbeitung . . . . . . . . . . 16
2.4. Zusammenfassung des Versuchsablaufes 18
3. Resultate 19
3.1. Allgemeines. 19
3.2. Lokalinfekt. 20
3.3. Interfragmentiirer Druck 26
3.4. Schraubendrehmoment. 35
3.5. Gehbelastung. . . . . 36
3.6. Radiologische Kontrollen . 40
3.7. Histologische Untersuchungen. 49
4. Diskussion. . . . . . . . . . . . 63
5. Zusammenfassung und Schlu8folgerungen . 70
Nachwort 71
Literatur 72
Sachverzeichnis 75
VII
1. Einleitung und Fragestellung
"Das Infektionsrisiko ist bis heute die Schick noch in allen Statistiken [38, 11, 48, 68, 76, 63,
salsfrage der Osteosynthese geblieben" (ALLGO 86] der Staphylococcus aureus. Er kann bei 54
WER, 1971). Die Eroffnung der Frakturzone, die bis 93 % der Infektionen nachgewiesen werden.
Nekrose von Weichteilen und Knochen durch In etwa 50% der Faile findet er sich in Mischkul
Trauma und Operation sowie die implantierten turen [38, 25, 63]. Der Krankheitsherd ist haufig
Fremdkorper ermoglichen das Angehen und die am Anfang nur mit Staphylokokken besiedelt
Ausbreitung des Infektes. Trotz Infekt kann je [11, 50] und wird erst spater durch Super- oder
doch, wie uns die Klinik zeigt, der Knochen Reinfektion [102] mit vor allem Proteus, Coli,
bruch unter biomechanisch giinstigen Voraus Pseudomonas, Streptokokken und Staphylococ
setzungen heilen. Daher interessieren uns die cus epidermidis kontaminiert. Hierdurch soli
Veranderungen der biomechanischen Reaktio sich nach Ansicht von FEISCHL [25] der Krank
nen des Knochens durch den Lokalinfekt. heitsverlauf verschlechtern, was in seinem Pa
Die Angaben iiber die Hiiufigkeit von tientengut zu einer Verlangerung der durch
Knocheninfekten nach operativer Behandlung schnittlichen Hospitalisationsdauer von 3,8 auf
schwanken zwischen 0,54-6,6% fUr geschlossene 6,7 Monate gefUhrt habe.
Frakturen und zwischen 3,7-15% fUr offene Der radiologische Veri auf ist charakterisiert
Frakturen. durch Aufhellungen in der dritten W oche [26],
Die Bedeutung des Knocheninfektes geht aus die allmahlich konfluieren, durch etwa gleichzei
der Tatsache hervor, daB HICKS noch 19641 den tig auftretende subperiostale Knochenablage
Infekt fUr 2/3 der Amputationen nach Unter rungen [33] und erst nach der vierten W oche
schenkelfrakturen verantwortlich macht. 1m Ge durch sog. "Sklerosierung" der Frakturenden
samtmaterial offener und geschlossener Fraktu [107]. In vielen Fallen konnen friihestens im
ren von HICKS finden sich noch 0,4% Amputa zweiten Monat, gelegentlich erst nach Ablauf
tionen, bei KUNER, allein auf die Knocheninfekte eines lahres [45] Sequester aufgrund ihrer relati
bezogen, 6%. Die Amputationsrate betragt nach yen Kalkdichte erkannt werden. Eine zeitliche
vorwiegend konservativer Behandlung nach EL Verzogerung im Auftreten der ersten radiologi
LIS 2,8%, HOLDERMANN 9%, DENIS 0%, SCOTT schen Manifestationen soli nach Erfahrungen
0,8%. von CHARKES et al. [15] daraufbasieren, daB erst
Klinik und Therapie des Infektes sind in 4 Kalkverluste von 30-50% zu radiologisch faBba
neueren Textbiichern ausgedehnt abgehandelt ren Aufhellungen fUhren konnen. 1m Tierexperi
(HIERHOLZER, 1970; POPKIROV, 1971; W ALDVO ment beschrieb NORDEN [80] an der Staphylo
GEL, 1971; BURRI 1974). Der haufigste Erreger kokken-Osteitis des Kaninchens einen ahnlichen
der posttraumatischen Osteitis ist auch heute Verlauf. Bis heute ist aber nicht versucht worden,
die radiologischen Aspekte mit dem histologi
1 Von historischem Interesse ist, daB BILLROTH zwischen schen Befund zu korrelieren.
1860 und 1867 noch bei 40% aller offenen Frakturen ampu
Zu den histologischen Veranderungen des
tierte, wahrend LISTER 1867 nur noch bei 1 von 13 offenen
Frakturen die Extremitat entfernen muBte. Knocheninfektes auBerten sich LENNERT [65],
HICKS [45], HIERHOLZER et at. [50], POP KIROV dere Autoren [35, 20, 45, 71, 82, 3] messen der
[86] und WALDVOGEL et at. [107j2: danach ist stabilisierenden Funktion primare Bedeutung zu
eine zentrale Nekrose mit Fibrinablagerungen und empfehlen, Implantate, die noch stabilisie
und massiver polymorphzelliger Infiltration ty rend wirken, bis zur gesicherten knochernen Ver
pisch. Sie wird umgeben von gefaJ3reichem Gra bindung der Fragmente im infizierten Gebiet zu
nulationsgewebe mit Lymphocyten und Plasma belassen. Die letzteren Autoren nehmen zugun
zellen, Narbengewebe und schliel3lich skleroti sten der Knochenheilung ein langeres Andauern
schem Knochen. Toter Knochen entstehe durch des Weichteilinfektes in Kauf. Es herrscht Einig
Ausbreitung der Infektion entlang den Havers keit dariiber, daJ3 Implantate, welche keine Sta
schen und Volkmannschen Kanalen, was zu Ge bilitat mehr bieten, entfernt werden sollen.
faJ3verschliissen fiihre. Er ist frei von Osteocy Unterschiedlich beurteilt wird aber, welchem
ten, Bindegewebszellen und Knochenmarkszel Implantat beim weiteren operativen Vorgehen
len. Gelegentlich kommt es auf den nekrotischen im infizierten Gebiet der Vorzug gegeben werden
Trabeculae wieder zu Knochenablagerungen sollte: dem intramedullaren Krafttrager [38, 77],
durch Osteoblasten. Die Ansicht, es bestehe eine der Platte oder dem von KEY [61, 16] entwickel
Minderdurchblutung des ganzen Gebietes, wird ten auJ3eren Spanner. Neuere Tendenzen geben
von weiteren Autoren [21, 11, 71, 67] iibernom dem "Fixateur externe" den Vorzug [78, 3].
men. Eine sekundare Revascularisation der ehe Grundlage fiir die Entscheidung inwiefern, wie
mals abgestorbenen Bezirke kann jedoch wieder viel und welche Art Material beim Infekt belas
eintreten[109]. 1m weiteren ist die Bildung eines sen oder implantiert werden solI, ist die Kenntnis
wolkigen Callus charakteristisch. Offen ist noch, der Beeinflussung des Infektgeschehens und der
wie die einzelnen V organge zusammenhangen Knochenheilung durch das V orhandensein der
und wie sie zeitlich einzustufen sind. Implantate.
LANE [64] hat als erster den infektiosen Cha Es wird interessant sein, zu untersuchen, in
rakter der Gewebereaktionen nach Verplattung wiefern biomechanische Aspekte fiir die Fraktur
erkannt. Seither ist die Therapie der Osteitis ziel heilung beim Infekt entscheidend sind. Wie lange
gerichteter geworden; dennoch ist die Osteitis dauert Stabilitat in Anwesenheit eines Lokalin
auffallend therapierefraktar, "eine Erkrankung, fektes? Fiihrt nicht Infektion per se zu Resorp
bei der es keine Heilung gibt" [47,14]. Bei der tion und damit zum Verlust der interfragmenta
medikamentosen Behandlung haben gewisse ren Kompression, welche sich seit der Einfiih
spezielle Probleme der Antibioticatherapie, wie rung durch DANIS [17] (1947) in der Klinik als
die Wirksamkeit der Lokalbehandlung [109, 21, giinstige Voraussetzung fiir eine primare Kno
39, 20, 82], die allgemeine Chemoprophylaxe chenheilung erwiesen hat [4, 79, 2]? 1st primare
[104, 18, 57, 95, 27, 32, 86] und neuerdings die Knochenheilung bei Vo rliegen eines Infektes
Bestimmung der Gewebekonzentrationen von moglich? Welche Bedeutung hat es schliel3lich,
Chemotherapeutica [46, 97, 67, 81] sowie ihre ob eine infizierte Fraktur per primam oder per
lokale Toxicitat [60] besondere Bedeutung er secundam heilt? Hat HICKS [44] recht, der der
langt. Bei der Beurteilung der chirurgischen Be Heilungsart nur sekundare Bedeutung ein
handlungsmoglichkeiten gibt es Autoren [92, 96, raumt?
108], welche die Fremdkorperwirkung der Im ExperimenteUe Arbeiten auf dem Gebiete der
plantate in den Vordergrund schieben und emp Osteitis sind selten. Historische Bedeutung ha
fehlen, das Metall bei Ausbruch eines Infektes ben die Versuche HUNTERS [54] der schon im
kompromil3los zu entfernen oder "hochstens 19. J ahrhundert verschiedene chirurgische MaJ3-
einige fixierende Schrau ben zu belassen". Die nahmen auf ihren therapeutischen Effekt priifte,
Gefahr eines derartigen Vo rgehens liegt in der sowie die Untersuchungen von KOCHER [62]
Entstehung einer infizierten Pseudarthrose. An- (1878) und LEXER [66] (1924), die sich urn ein
tierexperimentelles Modell zur Erzeugung von
2 Oft ist keine klare Grenze gezogen zwischen der hlimatoge
I)en und der posttraumatischen Form. Knochenentziindungen bemiihten. Die moder-
2
nen Arbeiten befassen sich hauptsachlich mit tion unter besonderer Beriicksichtigung der
Faktoren der Pathogenese [98, 34, 53, 23, 11, Frage nach den Veriinderungen der interfrag
36] oder Therapie mit Knochentransplantaten mentiiren Kompression. Ober diese Fragestel
[8], oder mit pharmakologischen Fragen [81]. lung hinaus sollen die radiologischen Befunde,
Experimentelle Untersuchungen zum Studium die in der Klinik verfiigbar sind, den zusiitzlichen
der Knochenheilung unter Infektbedingungen Informationen aus Histologie, Bakteriologie
fehlen fast ganz [70]. Biomechanische Einfliisse und Mechanik des Experimentes gegeniiberge
wurden auJ3er in unveroffentlichten Versuchen stellt werden.
von B. FRIEDRICH (person!. Mitteilung *) unseres
Wissens noch nie beim Knocheninfekt gepriift.
* Seither erschienen: FRIEDRICH, B. : Die Bedeutung der bio
Un sere Fragestellung betrifft die corticale
mechanischen Stabilitat in der Atiologie der posttraumati
Knochenheilung nach Osteosynthese und Infek- schen Osteomyelitis; Wiirzburg: Habilitationsschrift (1973).
3
2. Material ond Methoden
Wir untersuchten die corticale Knochenheilung wirkte. Die Breite des Frakturspaltes wurde
beim Staphylokokkeninfekt in drei Gruppen, die auf 100 /lm standardisiert (n = 9).
sich durch die Art der Plattenosteosynthese Zur Abklarung des Druckverlaufes in vivo an
unterschieden. infizierten Plattenosteosynthesen sind in der
Gruppe,,2 Platten mit Kompression und Druck
messung" Implantate mit DehnungsmeBeinrich
tung (sog. MeBplatten) verwendet worden. Diese
2.1. G ruppeneinteilung
Platten erlauben, die interfragmentar wirkende
Kompression wahrend des Heilungsverlaufes zu
Die Gruppeneinteilung ist aus Abb. I ersicht iiberwachen.
lich. Die verwendeten Osteosynthesemethoden
sind auf postoperativ uneingeschrankte Bela
stung ausgerichtet, indem relativ massive Im
2.2. Material
plantate verwendet werden, namlich:
- Osteosynthese durch 2 schmale Platten unter
2.2.1. Versuchstiere
Anwendung von Kompression. Die Gruppe
wird im weiteren ,,2 Platten mit Kompression Als Versuchstiere dienten 2-3jahrige weibliche
und Druckmessung" genannt (n = 9). sowie kastrierte mannliche Bergschafe, die sich
- Osteosynthese durch eine breite Platte unter in Einzelboxen eines Stalles frei bewegen konn
Anwendung von Kompression (Gruppe ten. Die Tiere erhielten Wasser und Heu ad libi
,,1 Platte mit Kompression "). In dieser tum.
Gruppe ist in Anlehnung an die Kompres
sions-Plattenosteosynthese der Klinik eine 2.2.2. Bakterien
einzelne Platte verwendet worden. Eine
Als Ausgangsmaterial fUr die Erzeugung des In
schmale Platte, die in ihrer Dimension der
fektes diente Staphylococcus aureus yom Phag
Tibia entsprechen wiirde, ist aber, der zu er
typ 47/53/54/75, der aus einem humanen Staphy
wartenden Friihbelastungwegen, zu schwach.
lokokken-Infekt isoliert wurde. Der Stamm war
Deshalb wurde eine breite Platte verwendet
uns in Form eines Lyophilisates von F. H. Kay
(n=7).
ser, Institut fUr Medizinische Mikrobiologie der
- Osteosynthese durch eine geschwachte breite
Universitat Ziirich, zur VerfUgung gestellt wor
Platte ohne Anwendung von interfragmenta
den. Ober Blutagar- und Mausepassagen wurde
rer Kompression (Gruppe "I Platte ohne
die Virulenz der Bakterien gesteigert (s.S. 14).
Kompression ''). In dieser Gruppe ist eine ge
wisse Instabilitat dadurch angestrebt wor
2.2.3. ID1plantate
den, daB die verwendete breite Platte in ihrem
mittleren Segment eine Schwachung aufwies Als Implantate beniitzten wir Platten und
und diese Platte keine Kompression be- Schrauben aus einer Titan-Sauerstoff-Legie-
4
GRUPPE IMPLANTATE OSTEOTOMIE FRAGESTELLUNG
(2)
-
- -
Heilungsverlauf
"2 Plat- bei stabiler
ten mit I Kontakt Kompressions-OS
Kompres- 1@@II~I II\ I@@1 ( und Messung des
sion & '-+(lJ interfragmenta-
Druck- INF Stabilitat ren Druckverlau-
messung" fes
, Heilungsverlauf
I a.:. CIII D~ iCII bei Stabilitat
"1 Plat- ~ I { Kontakt durch interfrag-
te mit ment.Kompression
Kompres- und Fixation
sian" INF Stabilitat durch breite Plat-
ten
, Heilungsverlauf
I QaQ 1CI I CII eli bei geringer In-
"1 Plat- Spalt (lOOllm) stabilitat infol-
{
te ohne ge Fehlens inter-
\
Kompres- fragment.Kompres-
sian" geringe In- sion und Fixation
INF stabilitat durch geschwachte
Platte
Abb. I. Obersicht iiber die 3 Versuchsgruppen: Versuchsmodell, verwendete Implantate und Fragestellung
rung, deren Zusammensetzung und physikali Tabelle I. Chemische Analyse und mechanische Eigenschaf
sche Eigenschaften in Tabelle 1 zusammengefaJ3t ten des verwendeten Plattenmaterials (Titan): Fiir die Im
plantate wurde ein sog. "unlegiertes" Titan verwendet, des
sind. Die Korrosionsresistenz des Titans in der
sen Zusammensetzung in Gewichtsprozenten aufgefiihrt ist.
Korperfliissigkeit ist hervorragend [51, 103]. Die 1m verarbeiteten Zustand und nach Kaltverformung hat das
Gewebsvertraglichkeit erwies sich in den Unter Material die erwahnten mechanischen Eigenschaften. Das
Metall entspricht den Qualitatsnormen der Schweizerischen
suchungen von BECHTOL et al. [7] als sehr befrie
Normen-Vereinigung (SNV Nr. 056507)
digend. Zudem zeichnet sich Titan im Vergleich
zu den andern heute iiblichen Osteosynthese
Chemische Analyse
Materialien durch eine geringere Steifigkeit aus.
Titan 99,35% min.
Daher kommt es zu einer gr6J3eren Restbela
Sauerstoff 0,50% max.
stung (geringere stress protection) unter der Eisen 0,30% max.
Platte, wie BRENNWALD et al. [12] zeigen konn Kohlenstoff 0,10% max.
Wasserstoff 0,015% max.
ten. Die Bauart der Platten entsprach der dyna
mischen Kompressionsplatte (DCP) der AO 3,
die PERREN et al. [84] detailliert beschrieben. Mechanische Eigenschajten
Die spezielle Geometrie der Schraubenlocher Zugfestigkeit ~ 700 N/mm2
(Abb. 2) ermoglicht beim Eindrehen der Schrau Bruchdehnung (50 mm Proben lange) ~ 18%
Biegewinkel bevor Anrisse ~ 60°
ben, Zug auf die Platte und damit axialen Druck (lnnenkriimmungsdurchmesser
auf den Knochen auszuiiben (Abb. 3). = Probendicke)
Elastizitatsmodul 1,1'105 N/mm2
3 Arbeitsgemeinschaft fiir Osteosynthesefragen.
5
