Die weltweit erste als Implantat zugelassene Magnesiumlegierung
Eine nicht unerhebliche Anzahl von orthopädischen Implantaten musste bislang wieder entfernt werden, weil sie zu unerwünschten Reaktionen führt oder den Patienten in körperlicher oder mentaler Weise beeinträchtigt.
Der wiederholte Eingriff ist stets mit potentiellen Risiken verbunden: Es können Gefäß- oder Nervenschädigungen auftreten, ebenso stellen die Narkose und mögliche Infektionen potentielle OP-Gefahren dar, abgesehen von den auftretenden Schmerzen beim Patienten und den (durchschnittlich bis zu drei) Tagen der krankschreibungsbedingten Abwesenheit vom Arbeitsplatz.
Die moderne Medizin suchte schon lange nach biokompatiblen Implantaten, die nach erfüllter Aufgabe von Körper abgebaut werden können und den Patienten nicht unnötig belasten oder langfristig behindern. Magnesium wird in der Forschung bereits seit vielen Jahren als vielversprechendes Material für abbaubare Bio-Implantate angesehen. Das Leichtmetall ist wichtig für den Stoffwechsel und den Knochenaufbau und wird vom Körper gut aufgenommen und abgebaut. Doch ist es sehr reaktionsfreudig und schwierig zu verarbeiten.
Mit MAGNEZIX® ist der Syntellix AG nun endlich der lang ersehnte Innovationsdurchbruch in der medizinischen Materialforschung gelungen: Der weltweit erste, für den Einsatz im Menschen zugelassene, magnesiumbasierte Werkstoff für metallisch stabile und gleichzeitig abbaubare Implantate ist Realität geworden.
MAGNEZIX® [ma‘gnezi̯ks]: Die Legierung aus dem Legierungssystem MgYREZr nach DIN EN 1753 hat einen Magnesium-Anteil von über 90 Prozent, eine Korngröße von unter 10 µm und wird in einem sog. pulvermetallurgischen Prozess hergestellt. Damit wird eine Zugfestigkeit erreicht, die deutlich höher liegt als die von Polymeren (PLA/PGA) und zwischen Knochen und Titan.
MAGNEZIX® vereint die Vorteile aus zwei Welten
Als nicht resorbierbare metallische Osteosynthesematerialien werden derzeit hauptsächlich Titan und Stahl eingesetzt. Gegenüber Knochen weisen diese Metalle eine höhere Steifigkeit auf, was eine Belastungsabschirmung (Stress Shielding) bewirken kann. Durch die Inaktivierung des Knochenstoffwechsels in der Frakturzone wird das Remodeling behindert, was in einer Osteoporose resultieren kann. Permanente Implantate aus Titan oder Stahl erzeugen zudem Artefakte in der radiologischen Bildgebung, insbesondere im CT. Für die MRT sind sie gänzlich ungeeignet. Generell können Implantate im Körper Fremdkörperreaktionen und Allergien hervorrufen.
In der heutigen Zeit haben sich hauptsächlich resorbierbare Implantatmaterialien auf Polymerbasis (PLA/PGA) in der operativen Medizin etabliert. Doch ist deren Einsatz bei einer Vielzahl von Patienten mit Fremdkörperreaktionen verbunden, was ihre gute Verträglichkeit in Frage stellt. Die erzielbaren mechanischen Kennwerte erlauben den Einsatz bioresorbierbarer Polymere lediglich beim Auftreten geringer Zug-, Druck- und Scherbelastungen, wodurch das mögliche Indikationsspektrum stark eingeschränkt ist. Insbesondere in (teil-)belasteten Bereichen bei Osteosynthesen kommen Polymer-Implantate deshalb kaum zum Einsatz. Derzeitige Polymere zeichnen sich zwar durch eine Verwendbarkeit in CT und MRT aus, ihre Darstellbarkeit ist allerdings limitiert.
Werkstoffe aus Magnesium in Form verschiedener Legierungen stehen schon seit der Jahrtausendwende im Fokus der allgemeinen biomedizinischen Forschung. Und es gab gute Gründe, über einen Einsatz von Magnesium in der orthopädischen Chirurgie nachzudenken: Ein Implantat aus diesem Werkstoff würde mit der Stabilität eines herkömmlichen metallischen Implantates aus Titan oder Stahl vergleichbar sein, sich aber gleichzeitig auflösen. Magnesiumbasierte Implantate bieten darüber hinaus den Vorteil einer sehr guten Sichtbarkeit in CT und MRT mit nur geringen Bildartefakten.
Gegenüber den in der Medizin etablierten Polymerwerkstoffen weisen resorbierbare Implantatmaterialien auf Magnesiumbasis eine gute Biokompatibilität sowohl in vitro als auch in vivo auf. Als deutlicher Vorteil ihnen gegenüber erweist sich in der Regel die deutlich höhere Festigkeit der Magnesiumwerkstoffe, wie beispielsweise das für viele Implantationsanwendungen deutlich geeignetere Verhältnis aus mechanischer Festigkeit und Duktilität.
Zusammengefasst: MAGNEZIX® ist eine Magnesiumlegierung, die stabile metallische Eigenschaften aufweist, sich jedoch im Körper vollständig abbaut und durch körpereigenes Gewebe ersetzt wird. Als Material für Implantate zur Osteosynthese ist dies eine ideale Kombination von Eigenschaften für einen temporären Lastträger.
Die biomechanischen Eigenschaften von Magnesium sind denen des menschlichen Knochens viel näher als die von Metall oder Keramik, sie sind denen von Polymeren weit überlegen.
MAGNEZIX® im Vergleich
Polymere
- resorbierbar
- Abbau via Hydrolyse
- pH-Wert sauer (bis 1)
- Osteolysen (langfristig)
- Fremdkörperreaktionen bekannt
- bis 6 Jahre Resorption
- unterlegene mechanische Eigenschaften
Titan und Stahl
- permanent, nicht resorbierbar
- bleibt im Körper oder operative Entfernung
- nicht osteokonduktiv
- Stress shielding
- teilw. stark ausgeprägte Artefakte in der bildgebenden Diagnostik
MAGNEZIX®
- transformierbar/bioabsorbierbar
- Abbau via Korrosion
- pH-Wert basisch (bis 9,5)
- aktive Knochenumbauzone: Stellt sich zum Teil im Röntgen temporär als Resorptionssaum dar
- osteokonduktiv
- infekthemmend
- 1 bis 1,5 Jahre Absorption
- günstige (knochenähnliche) mechanische Eigenschaften
Knochenähnlich und gut verträglich - optimal für die Knochenheilung
Die biomechanischen Eigenschaften von MAGNEZIX® sind denen des menschlichen Knochens sehr ähnlich, was den Heilungsverlauf begünstigt. Das günstigere Spannungs-Dehnungsverhältnis (E-Modul) wirkt zudem dem „Stress Shielding Effect“ entgegen, der bei herkömmlichen, unelastischen Metallimplantaten auftreten kann.
Ein Implantat aus MAGNEZIX® ist mit der Stabilität eines herkömmlichen metallischen Implantats aus Titan oder Stahl vergleichbar, löst sich aber gleichzeitig – ähnlich wie andere bioresorbierbare Implantate im Markt – vollständig auf. Für die Komponenten der Legierung sind keine Allergien bekannt. Im Gegenteil, die außerordentlich gute Biokompatibilitätseignung des Magnesiums resultiert insbesondere auch aus dem vergleichsweise hohen täglichen Bedarf des Menschen an diesem Element. Die empfohlene tägliche Zufuhr von Magnesium liegt zwischen 375 mg und 500 mg je nach Alter und Geschlecht. Innerhalb des Knochens liegt das Magnesium nicht fest gebunden vor, was es rasch verfügbar macht. Auf dieser Basis kann ein Magnesiumimplantat, das im Knochen degradiert auch als Quelle der essentiellen Magnesiumionen angesehen werden.
Diese Kombination der Eigenschaften stellt eine bedeutende Überlegenheit zu den bisher eingesetzten polymerbasierten resorbierbaren – den sog. Zuckerschrauben – als auch permanenten Implantatmaterialien dar.
Das MAGNEZIX® Implantat baut sich im Zeitverlauf in dem Maße ab, wie die Tragfähigkeit des heilenden Knochens zunimmt
Osteokonduktiv und infekthemmend - MAGNEZIX®, das bessere Implantat
Erst heilen, dann auflösen - das MAGNEZIX®-Prinzip: Im Vergleich zu Polymeren werden MAGNEZIX® Implantate nicht nur ab-, sondern zu körpereigenem Gewebe umgebaut – sie regen das Knochenwachstum an.
Magnesium löst sich durch einen Korrosionsprozess im Körper auf. Dies erzeugt ein basisches Milieu in direkter Implantatumgebung, welches bakterielles Wachstum hemmt. Besonders vorteilhaft für den menschlichen Organismus sind zudem die ebenfalls bei der Korrosion freigesetzten Wasserstoffionen, die eine besondere zell- und gewebeschützende Funktion übernehmen. Wasserstoff wirkt in diesem Zusammenhang als Antioxidans, das gezielt DNS-verändernde Hydroxylradikale und Peroxynitride bindet und unschädlich macht. Diese positiven Eigenschaften von reinem Magnesium können auch für MAGNEZIX® (über 90 Prozent Mg-Anteil) erwartet werden. Um das Infektionsrisiko weiter zu senken, werden zudem alle MAGNEZIX® Implantate einzeln steril verpackt.
Magnesium ist ein biologisch aktives Material, das den Heilungsprozess unterstützen kann. Sowohl in vitro als auch in vivo Studien haben eine herausragende Zellkompatibilität und ausgeprägte osteokonduktive Eigenschaften nachgewiesen. In vitro Versuche zeigen nicht nur eine hohe Proliferation humaner Osteoblasten, sondern sogar eine Stimulation der Vitalität. Darüber hinaus wurde die Knochenneubildung (Osteoid) an der Oberfläche des degradierten Implantats histologisch nachgewiesen.
Umbauprozess eines MAGNEZIX® Implantats
Die histologischen Abbildungen zeigen den Umbauprozess im Tiermodell Kaninchen. Dargestellt ist der Querschliff der kanülierten Compression Screw nach verschiedenen Zeiträumen post OP.
Histologische Aufnahme einer implantierten MAGNEZIX® Compression Screw nach wenigen Tagen.
Einsetzender Umbau einer implantierten MAGNEZIX® Compression Screw nach einigen Monaten.
Umbau einer MAGNEZIX® Compression Screw in Calcium-Phosphat nach 12 Monaten mit deutlicher Knochenanlagerung.
Fortschritt erfordert neues Denken
Die Einführung eines innovativen Medizinproduktes eröffnet nicht nur eine breitere Palette von neuen Möglichkeiten, sondern hat sich auch immer mit anfänglichen Widerständen und Vorurteilen auseinanderzusetzen. Innovation bringen Veränderungen, sie müssen überzeugen, sich bewähren – erfordern aber auch ein Ausbrechen aus alten Denk- und Verhaltensmustern.
MAGNEZIX® Implantate sind neuartig und weltweit einmalig in ihrer Art. Sie sind metallisch und (bio-)transformierbar, das heißt sie werden vom Körper abgebaut (und dabei durch Knochengewebe ersetzt). Dieser Vorgang schreitet langsam voran und setzt voraus, dass sich das Implantat im Körper verändert und anpasst. In Einzelfällen können daher temporär radiologisch sichtbare Aufhellungen um das Implantat beobachtet werden. Das Phänomen der „Radioluzenz“ ist eine typische Begleiterscheinung des Abbauprozesses von Magnesium und damit auch von MAGNEZIX®: Während sich das Material auflöst, verliert es naturgemäß Masse und Gewicht. Überdies setzt Magnesium geringe Mengen an Wasserstoff im Abbauprozess frei, die im Verlauf der Zeit absorbiert werden. Durch die osteokonduktiven Eigenschaften von MAGNEZIX® erscheinen Osteoklasten und Osteoblasten, die für den Knochenumbau verantwortlich sind und Osteoid (noch nicht mineralisierte Knochenmatrix) wird gebildet.
Diese aktiven Knochenumbauzonen sind in keiner Weise bedenklich und dürfen nicht als Lockerung missinterpretiert werden. Obgleich visuell auffällig, ist das beschriebene Phänomen der radioluzenten Zonen um das Implantat nur als temporär zu betrachten, hat keinerlei Auswirkungen auf die Knochenheilung und verschwindet von allein. Ergebnisse aus Labortests, Tierstudien und klinischen Anwendungen belegen die Auflösung der MAGNEZIX®-Schraube innerhalb eines Zeitraums von ungefähr 12 Monaten. Spätestens nach drei Jahren ist das ehemalige Implantat durch körpereigenes Material ersetzt, das nahezu identisch mit endogenem Knochengewebe ist.
Es wird empfohlen, das Phänomen der radiologisch sichtbaren Aufhellungen mit einem Hinweis in den Operationsbericht/Arztbrief aufzunehmen, damit nachbehandelnde Personen über diese Besonderheiten des radiologischen Heilungsverlaufes informiert werden.
Da sich MAGNEZIX® Implantate im Körper über die Zeit vollständig abbauen und dabei durch körpereigenes Gewebe ersetzt werden, ist eine Implantatentfernung grundsätzlich nicht notwendig.
Knochenumbauzone am Beispiel einer Scaphoid-Fraktur
Post-op.
Follow-up nach mehreren Monaten: Eine Knochenumbauzone am Kopf des Implantats ist erkennbar.
Follow-up nach 18 Monaten: Die Knochenumbauzone hat sich aufgelöst und ist nur noch schemenhaft erkennbar. Die Genesung des Patienten wurde nicht beeinträchtigt.
MAGNEZIX® Implantate wurden entwickelt, um eine Primärstabilität wie bei Stahl- oder Titanschrauben und eine bis zu 5x höhere Belastbarkeit im Vergleich zu Pins auf Polymerbasis zu erzielen. Während des Heilungs- und Abbauprozesses verlieren Magnesiumimplantate im Zeitverlauf naturgemäß ihre Ursprungsform. In manchen Fällen erscheinen sie in bildgebenden Diagnoseverfahren sogar als „gebrochen“. Dieses Phänomen resultiert nicht aus einer mangelnden Primärstabilität, sondern ist der Tatsache geschuldet, dass sie sich wie beabsichtigt auflösen, während der heilende Knochen wieder das Vermögen erlangt, höhere Lasten zu tragen.
Post-op.: Das Implantat ist "intakt"
Post-op. 6 Monate: Die Heilung ist abgeschlossen. Das Implantat baut sich erkennbar ab.
Die Tatsache, dass mit MAGNEZIX® CS eine selbstschneidende – nicht selbstbohrende – Schraube verwendet wird, sollte ebenfalls beachtet werden. In seltenen Einzelfällen brach der Kopf der Schraube, weil das Vorbohren des spongiösen und/oder kortikalen Knochens nicht durchgeführt wurde. Für selbstschneidende Implantate ist, materialunabhängig, das Vorbohren der gewünschten Schraubenlänge aber unerlässlich, um das Anziehen der Schraube zu erleichtern und die Rotation von kleineren Knochenfragmenten zu reduzieren.