Hintergrund und Fragestellung

Bei der Wahl des Transplantats zum Ersatz des vorderen Kreuzbandes (VKB) werden die Hamstringsehnen und die Patellarsehne mit anhängenden Knochenblöcken (BPTB) in der Literatur als Goldstandard bezeichnet [8]. Zur Fixation der Transplantate sind viele Techniken beschrieben worden [17, 19]. Die meisten Operateure benutzen Implantate zur Transplantatverankerung. Zum einen die nichtatomischen Fixierungen („endobutton“ oder „suture disc“) und zum anderen gelenknahe Fixierungen (Interferenzschrauben oder „CrossPins“). Nachteilig an solchen Implantaten ist die schlechtere postoperative Beurteilbarkeit durch Artefakte in bildgebenden Verfahren (insbesondere bei der Verwendung von Metallinterferenzschrauben). Auch die Notwendigkeit der Implantatentfernung bei Revisionseingriffen innerhalb der ersten postoperativen Jahre ist ein Problem, obwohl gute Ergebnisse bezüglich der Bioresorption von modernen Interferenzschrauben gezeigt werden konnten [4, 21]. Implantatfreie Press-fit-Verankerungen können bei adäquater Verankerung gute und sehr gute funktionelle Langzeitergebnisse zeigen, diese sind bereits für die Bone-patella-tendon-bone- (BPTB-)Press-fit-Verankerung publiziert [9].

Auch bei korrekter Anlage der Bohrkanäle und der adäquaten Fixierung der Transplantate sind Bohrkanalerweiterungen ein häufig auftretendes Problem nach VKB-Rekonstruktion [5], insbesondere wenn Interferenzschrauben und Hamstringtransplantate verwendet werden [3, 25]. Höher et al. [11] beschreiben Transplantatbewegungen innerhalb des Bohrkanals als Ursache.

Viele Metaanalysen konnten zeigen, dass die Hamstringsehen dem BPTB-Präparat bezüglich der Entnahmemorbidität überlegen sind, im Hinblick auf die Stabilität jedoch schlechter abschneiden [6, 7, 29]. Eine aus unserer Arbeitsgruppe stammende Studie konnte jedoch gleiche biomechanische Qualitäten für 2 femorale Hamstring-Press-fit-Fixationen im Vergleich zu BPTB-Transplantaten evaluieren [13].

Ziel dieser Studie war es tibiale Press-fit-Fixationen zu charakterisieren, die im Vergleich mit einer Interferenzschraubenfixation vergleichbare biomechanische Eigenschaften aufweisen. Die ossäre Integration des Transplantats ist für den langfristigen Operationserfolg von essentieller Bedeutung. Die initiale Fixation des Transplantats sollte daher nicht nur eine ausreichende Primärstabilität haben, sondern auch eine rasche ossäre Integration zulassen. Da ein zusätzlicher Knochenblock im Bohrkanal die knöcherne Transplantateinheilung beschleunigt [27], wurde in dieser Studie wieder ein Knochenblock verwendet. Die knöcherne Einheilung des Transplantats wird von vielen standardmäßig eingesetzten Transplantaten (wie z. B. dem „endobutton“) gestört [3, 15].

Material und Methoden

Für die Explantation der Semitendinosus- und Grazilissehnen (SG) wurden 28 Leichenknie verwendet. Das Alter betrug 49,2±18,5 (18–79) Jahre. Die Explantation wurde 1,7±0,76 Tage post mortem in der rechtsmedizinischen Abteilung der Medizinischen Hochschule Hannover durchgeführt. Nach Entnahme der nicht formalinfixierten Präparate wurden diese bei −27°C tiefgekühlt gelagert. Die Sehnen zeigten keine strukturellen Schädigungen. Ein zusätzlicher Knochenblock wurde medial der Tuberositas tibiae aus jenem Bereich, in dem der tibiale Bohrkanal bei der VKB-Rekonstruktion angelegt wird, entnommen [20]. Der Knochenblock bestand sowohl aus spongiösen, als auch kortikalen Anteilen. Die Grazilissehnen waren 20,4±5,2 cm und die Semitendinosussehnen 15,3±3,6 cm lang. Für die Verankerung im Bohrkanal benutzten wir 28 porcine Femora. Die Kondylenbreite betrug 50,4±5,4 mm und das alter der Schweine betrug im Schnitt 24 Wochen. Der femorale Hals wurde diagonal abgeschnitten und der Knochenschaft des Femurs in einen Aluminiumring einzementiert (Technovit 4004, Fa. Heraeus, Wehrheim). Zur Sicherung gegen Herausziehen des Knochens wurde ein 5-mm-Stahlstift quer durch Kunststoff und Knochen eingebracht.

Präparationstechnik

Transplantat und Knochenblöcke wurden während der Präparation und der biomechanischen Testung mit NaCl-Lösung (0,9%) feucht gehalten und vor und nach der Präparation bei −27°C gelagert. Alle Präparate wurden mit einer axialen Drehung von 15° und einer Flexion von 30° des Tibiaschafts gebohrt. Diese Position des Bohrkanals verhindert ein Impingement des Transplantats und ermöglicht die transtibiale Anlage des femoralen Bohrkanals [12].

Press-fit-tape-Fixation (T)

Die femorale Press-fit-Verankerung nach Paessler [23] ermöglicht die tibiale Verankerung über eine doppelte Semitendinosus-/Grazilisschlaufe. Ein 4-mm-Tape (Mersilene; Ethicon Inc., Somerville, NJ, USA) wurde in die Schlaufe eingelegt. Der Bohrkanal wurde der Größe des Transplantats entsprechend angelegt, um diesen dann von distal der mit der Größe von Transplantat plus Knochenblock zu überbohren. Nach Schaffung einer 10-mm-Knochenbrücke wurde das Transplantat mit 5 Knoten über der Kortikalis fixiert. Danach folgte die Einstößelung des Knochenblocks (Abb. 1, Abb. 2).

Abb. 1
figure 1

a Ein Knochenblock wurde medial der Tuberositas tibiae aus einem Bereich, in dem der tibiale Bohrkanal bei der VKB-Rekonstruktion angelegt wird, entnommen. b Alle Konstrukte wurden mit einem Bohrkanal-Transplantat-Winkel von 0° getestet. c Alternativ wurden die Enden mit einer modifizierten Baseballnaht zusammengenäht (Techniken S und TS). d Der Knochenblock wurde mittels einer Hohlschleife gewonnen und dann mit der Sehne vernäht (Technik F). e Die Transplantate wurden über einer Knochenbrücke verknotet (Techniken T, TS und S). f, b Ein 4-mm-Tape (Mersilene; Ethicon Inc., Somerville, NJ, USA) wurde in die Schlaufe eingelegt (Technik T). g Der Knochenblock wurde von distal an die mediale Wand des Bohrkanals eingeschlagen, um das Transplantat an die laterale Wand zu pressen (A VKB-Insertion, B Knochenblock, TR Transplantat). (b, c, d, f aus [13])

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Abb. 2
figure 2

Die maximale Versagenslast der T-Gruppe ist allen anderen Gruppen signifikant überlegen (p<0,001; T Press-fit-tape-Fixation, TS Knochenbrückenfixation, I Interferenzschraubenfixation, S Press-fit-suture-Fixation, F Knochenblockfixation). (Aus [13])

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Interferenzschraubenfixation (I)

Der Bohrkanal wurde der Größe des Transplantats entsprechend angelegt. Zur Fixierung wurde eine resorbierbare Interferenzschraube [(Sysorb® [Poly(D,L-Lactid, PDLLA); Centerpulse Medical AG, Winterthur, Schweiz] mit einer Länge von 30 mm und einem Durchmesser, der dem Bohrkanal plus 1 mm entsprach („oversized“ [26]), verwendet.

Knochenbrückenfixation (TS)

Nach Anlage des Bohrkanals, im Durchmesser dem Transplantat entsprechend, wurde über eine 3-mm-Bohrung eine 10-mm-Knochenbrücke über der Kortikalis geschaffen. Das Transplantat wurde mittels Fiberwire #2 (Arthrex, Naples, Florida) über der Knochenbrücke verknotet und ein Knochenblock in den Bohrkanal eingestößelt (Abb. 1).

Press-fit-suture-Technik (S)

Jedes Ende der Semitendinosussehnen wurde mit dem entsprechenden Ende der Grazilissehnen mittels einer Baseball-stitch-Naht vernäht (Mersilene No.3 metric, USP6; Ethicon Inc.). Der Bohrkanal wurde der T-Fixation entsprechend präpariert, um anschließend das Transplantat über einer Knochenbrücke zu verknoten. Danach folgte die Einstößelung des Knochenblocks (Abb. 1 c).

Knochenblockfixation (F)

Der Bohrkanal wurde im Durchmesser dem Transplantat entsprechend angelegt. Dies geschah mit einer Hohlschleife, um den dadurch gewonnenen Knochenblock mit dem Sehnenmaterial zu vernähen (Abb. 1 d). Das Transplantat wurde durch das alleinige Einziehen in den Bohrkanal verblockt.

Mechanische Prüfung

Die Konstrukte wurden 24 h vor der mechanischen Prüfung aufgetaut und während des gesamten Verfahrens mit NaCl-Lösung feucht gehalten. Für die Testung der Konstrukte wurde eine biomechanische Prüfungsmaschine (Mini Bionix 858, MTS Systems Co., Minneapolis, USA) verwendet. Die eingesetzten Konstrukte wurden in eine Aufnahmehülse geschraubt und der Bohrkanal-Kraft-Einlenkungswinkel auf 0° eingestellt. Diese Stellung simuliert eine VKB-Rekonstruktion mit einem Knieflexionswinkel von 30° (Lachmann-Position [24]). Die Sehen wurden in einer Schneckenklemme fixiert und mit der Maschine verbunden. Das Konstrukt wurde mit 60 N für 30 s präkonditioniert. In der Folge wurden 20 Zyklen mechanischer Belastung für die Präparate zwischen 60 und 250 N bei 1 Hz aufgebracht. Die Zunahme der Konstruktlänge wurde kontinuierlich mit einer Abtastfrequenz von 100 Hz registriert. Dies wurde mit dem Längensensor der Belastungsmaschine erfasst und anschließend mit der Computersoftware (Microsoft Excel 2003) ausgewertet. Es folgte eine Abnahme der Belastung von 60 bis zu 10 N, gefolgt von 30 s Pause. Anschließend wurde ein Ausreißversuch mit einer Belastung von 1 mm/s bis zum Versagen der Konstrukte durchgeführt. Die maximale Ausreißkraft, die Art des Ausreißens und die Materialeigenschaften der Konstrukte wurden analysiert.

Die Amplitude der zyklischen Elongation wurde vom kleinsten Abstand des 1. (5.) Zyklus der Belastung bis zum größten Abstand des 5. (20.) Zyklus bestimmt. Die Konstruktsteifigkeit wurde mittels folgender Formel bestimmt: Konstruktsteifigkeit = maximale Versagenslast (N)/Elongation (mm).

Statistische Analyse

Alle Mittelwerte werden mit Standardabweichungen, Maximum und Minimum berichtet. Das p-Niveau wurde mit 0,05 als statistisch signifikant festgelegt. Die verschiedenen Techniken wurden mit einer „One way ANOVA“ verglichen. Für den Vergleich zweier Gruppen wurde ein Post-hoc-Tukey-Test verwendet. Alle Analysen wurden mit SPSS für Windows 15.0 durchgeführt (SPSS Inc., Chicago/Ill., USA).

Ergebnisse

Maximale Versagenslast

Die strukturelle Unterschiede zwischen den Versuchsgruppen zeigt Tab. 1. Die maximale Ausreißkraft der T-Gruppe lag bei 970±83 (853–1087) N, die TS-Gruppe lag bei 572±151 (777–324) N, die I-Gruppe lag bei 544±109 (440–756) N, die S-Gruppe lag bei 402±77 N (303–485) N und die F-Gruppe erreichte einen Wert von 290±74 (250–432) N. Die maximale Ausreißkraft der T-Gruppe ist allen anderen Gruppen signifikant überlegen (p<0,001; Abb. 2). Diese Werte sind in Tab. 2 zusammengefasst.

Tab. 1 Strukturelle Unterschiede zwischen den Versuchsgruppen
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Tab. 2 Biomechanische Unterschiede zwischen den Versuchsgruppen
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Ausreißmodus

Alle Präparate der T-Gruppe versagten durch eine Insuffizienz des Nahtmaterials, wobei in einem Fall die Grazilissehne und das Nahtmaterial simultan versagten. Die TS-Gruppe versagte zu 100% durch ein Versagen des Nahtmaterials, die Konstrukte der S-Gruppe versagten in 6 Fällen durch eine Nahtinsuffizienz und in einem Fall durch einen Ausriss des Transplantats aus der Naht. Die I-Gruppe versagte in allen Fällen durch einen Ausriss der Schaube. Die F-Gruppe versagte zu 100% durch das Herausziehen des Transplantats aus der Verankerung.

Steifigkeit

Für die T-Gruppe ergab sich eine Steifigkeit von 78±13 (59–95) N/mm, für die S-Gruppe konnte ein Wert von 108±18 (88–145) N/mm evaluiert werden, die I-Gruppe erreichte einen Wert von 162±27 (129–207) N/mm, die TS-Gruppe kam auf 76±14 (55–93) N/mm und für die F-Gruppe konnte die Steifigkeit nicht ermittelt werden, da alle Konstrukte vorzeitig versagten. Die I-Gruppe erreichte signifikant bessere Werte als die T-Gruppe und als die S-Gruppe (p<0,0019; Tab. 2).

Längenänderung während der zyklischen Belastung

Die Längenänderungen zwischen Zyklus 1 und 5 ergaben für die F-Technik signifikant schlechtere Werte im Vergleich zur S-, T- und I-Technik (p<0,05). Die Längenänderungen zwischen Zyklus 15 und 20 ergaben für die F-Technik signifikant schlechtere Werte im Vergleich zu allen anderen Techniken (p<0,001; Tab. 2).

Diskussion

In dieser Arbeit werden die biomechanischen Eigenschaften von 5 verschiedenen Press-fit-Fixierungen in porcinen Femora charakterisiert. Die verwendeten Sehnen unterscheiden sich hinsichtlich der ihrer mechanischen Eigenschaften von denen eines jüngeren Spenderkollektivs. Die Versagensmodi der Konstrukte belegen jedoch, dass die Qualität der Sehen keinen Einfluss auf die Ergebnisse hatte, da das Konstruktversagen immer aus einem Fixationsversagen resultierte.

Die Verwendung von Schweineknochen zur Evaluation der biomechanischen Eigenschaften von VKB-Rekonstruktionen wird in der Literatur kritisch diskutiert [22]: Die biomechanische Versagenslast wird im porcinen Modell systematisch überschätzt. In unserer Studie wurden 3 der 5 Konstrukte über eine Kortikalisbrücke verknotet, so dass der porcine humane Unterschied bezüglich der Spongiosaqualität keinen Einfluss auf die Ergebnisse hatte. Wir haben, bedingt durch die Tatsache, dass sich in vorherigen Studien [2] die größten zyklischen Längenänderungen während der ersten 20 Zyklen ergeben haben, in dieser Studie ein Protokoll von 20 Zyklen verwendet. Die gewonnenen Werte lassen sich bis zum 20. Zyklus mit anderen Studien vergleichen, die ein ähnliches Protokoll mit höheren Zyklenzahlen verwendet haben [17, 19, 24]. Zum Anderen ist bei der Verwendung von Schweineknochen eine identische Knochenqualität gesichert.

Andere Autoren benutzten höhere Belastungen (30 mm/s) in ihren Ausreißversuchen [1, 18]. In den Vorversuchen zu dieser und einer anderen Studie [13] aus unserer Arbeitsgruppe hat sich gezeigt, dass hohe Belastungen mit hohen Standardabweichungen einhergehen. Wir haben daher für diese Studie eine Belastung von (1 mm/s) gewählt. Die von uns gewählte Belastung (1 mm/s) wurde außerdem in vielen aktuellen Studien verwendet [10, 17, 24, 26].

Die maximale Versagenslast der Interferenzschraubenfixation (I=544±109 N) deckt sich mit den Ergebnissen von Weiler et al. ([28]; 479±111 N) und Kousa et al. ([16]; 612±176 N für die BioScrew und 665±201 N für die SmartScrew ACL). Die Fixationstechniken T (970±83 N) und TS (572±151 N) erreichten höhere maximale Versagenslasten im Vergleich zu den Ergebnissen von Kousa et al. [16] und Weiler et al. [28].

Der Wert für die Steifigkeit der Interferenzschraubenfixation (162±27 N/mm) der vorliegenden Studie ist im Vergleich zu Kousa et al. ([16]; 91±34 N/mm für die BioScrew und 115±34 N/mm für die SmartScrew ACL) erhöht, da wir einen größeren Schraubendurchmesser verwendet haben. Die Steifigkeit einiger Press-fit-Fixationen (T, S und TS) ist vergleichbar mit anderen „postfixations“, wie z. B. WasherLoc (87±23 N/mm [16]).

Die vorliegende Arbeit verdeutlicht, dass eine gute biomechanische Festigkeit für eine alleinige tibiale Press-fit-Fixation (bedingt durch den flacheren Bohrkanal-Transplantat-Winkel) verglichen mit der femoralen Press-fit-Fixation schwerer zu realisieren ist [13]. Musahl et al. [20] haben bereits festgestellt, dass die tibiale Verankerung in punkto Steifigkeit im Vergleich zur femoralen Fixation schlechter abschneidet. Die Postfixierung über Knochenbrücke liefert bezüglich maximaler Versagenslast und Elongation vergleichbare Werte mit der Interferenzschraubenfixierung. Auf eine adäquate Präkonditionierung ist bei allen Sehnentransplantaten ohne Knochenblöcke zu achten [13].

Der potentielle klinische Vorteil einer Press-fit-Fixation ist die geringere Bohrkanalerweiterung im Vergleich zu aktuell verwendeten Techniken und die Vermeidung postoperativer Artefakte bei der MRT-Bildgebung [3, 25].

Fazit für die Praxis

Diese Studie zeigt, dass eine tibiale Press-fit-Technik, die autologe Knochenblöcke und eine Fixierung über Knochenbrücke verwendet, einer einfachen Interferenzschraubenfixation hinsichtlich ihrer maximalen Versagenslast überlegen ist. Die initiale Elongation belegt, dass die Konstrukte vor der endgültigen Fixation unbedingt vorgespannt werden müssen. Die Vorteile aus besserer postoperativer Beurteilung durch bildgebende Verfahren, die geringere Bohrkanalerweiterung und schließlich auch die geringeren Kosten machen ein Press-fit-Verfahren zu einer interessanten Technik, die durch klinische Studien untersucht werden muss – dabei ist insbesondere auf die ossäre Integration der Transplantate und die Bohrkanalerweiterung zu achten.