Morphologischer Vergleich zirkulärer Osteotomien durch zwei verschiedene Trepansysteme in vitro

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F. G. Draenert1, E. Schiegnitz1, S. Telkes1, E. Stender2 , P. W. Kämmerer1

Einführung: Die Entnahme von Knochentransplantaten durch Trepansysteme spielt bei chirurgischen Eingriffen im Mundraum eine wichtige Rolle. Die knöcherne Integrität der Entnahmestelle und des Knochentransplantats sollte möglichst geschont werden. Ziel dieser Studie war daher eine vergleichende In-vitro-Untersuchung der knöchernen Entnahmestellen nach zylindrischer Osteotomie mit unterschiedlichen Umdrehungszahlen durch einen Standardtrepan und einen diamantierten Hohlbohrer.

Material und Methoden: An bovinen Beckenknochen wurden Bohrungen mit einem Standardtrepan und einem diamantierten Hohlbohrer mit verschiedenen Umdrehungszahlen (20, 40, 60, 80, 100 %) durchgeführt. Abdrücke der Bohrlöcher durch ein Polyether-Material wurden angefertigt und die Knochenproben anschließend histomorphometrisch deskriptiv evaluiert.

Ergebnisse: Der diamantierte Hohlbohrer zeigte in dieser Studie sowohl bei den Abformungen als auch bei den histologischen Untersuchungen in Bezug auf die Qualität des Bohrlochs eine schonendere Knochenentnahme mit weniger Artefaktbildung.

Schlussfolgerung: Um eine für den Patienten schonende, atraumatische Transplantatentnahme mit – für die histologische Auswertung – geringer Artefaktbildung zu gewährleisten, weist der diamantierte Hohlbohrer Vorteile gegenüber dem Standardmodell auf.

Schlüsselwörter: Trepansysteme; diamantierter Hohlbohrer

Einleitung

Der Einsatz verschiedener Trepansysteme bei chirurgischen Eingriffen im Mundraum ist vielfältig. Die Entnahme zylindrischer Knochentransplantate mit dem Trepanbohrer zur knöchernen Augmentation defizitärer Kieferbereiche vor Implantatinsertion stellt einen Standardeingriff dar [2, 6, 16]. Ebenso gehört es zur experimentellen Routine, vor der histologischen Begutachtung von Knochenstrukturen, diese mit dem Trepan in vivo oder auch in vitro zu entnehmen [18, 22, 24]. Alle Methoden haben gemeinsam, dass eine möglichst geringe Beschädigung der knöchernen Integrität von Entnahmestelle und Knochentransplantat anzustreben ist. So bergen mechanische Schäden wie Frakturen und Abrasionen bei der Entnahme ossärer Augmentate aus den Donorstellen das Risiko einer verzögerten oder auch gänzlich ausbleibenden (Ein-)Heilung [19, 20]. Ebenso ist zur genauen histologischen und mikrotopographischen Untersuchung und Orientierung eine möglichst unbeschädigte Oberfläche von Entnahmestelle und Knochentrepan ohne Bildung knöcherner Artefakte vorteilhaft [6]. Daher ist eine möglichst präzise Knochenentnahme durch die entsprechenden Instrumente angezeigt [17, 21, 23]. Dementsprechend wurden Instrumente entwickelt, die bei der Entnahme einen nur minimalen Schaden an der knöchernen Oberfläche entstehen lassen [4, 6, 14].

Eine Untersuchung zum Schleifverhalten verschiedener Bohrer als technische Untersuchung zum verwendeten orthopädischen DCT-Bohrersystem zeigte bereits die Vorteile des Diamantbohrers. Das Prinzip der diamantierten Hohlbohrer zum Schleifen des Materials ist ein Prinzip aus der Steinbearbeitung, das in zahlreichen klinischen Anwendungen erfolgreich umgesetzt wurde [8, 10–13]. Diese Diamond Cutting Tools (MedArtis AG, Altnau, CH; Cerres Orthopedics GmbH, München, D) (Abb. 1) arbeiten mit einem Aufsatzsystem auf einer AO-Druckluftbohrmaschine. Im Gegensatz zu makroskopisch raspelnden, rotierenden Instrumenten findet ein Schleifen und Raspeln auf Mikroebene statt. Dies führt in erster Linie zu einem exakteren und atraumatischeren Ergebnis, was in einem In-vitro-Model an 8 verschiedenen Bohrern und Raspeln bestätigt werden konnte [7]. Hier war der Diamanthohlbohrer das einzige Instrument, das auch für die Transplantatgewinnung eingesetzt werden konnte, mit akzeptablem Schliffbild. Der Standardbohrer mit Gewindeschaufeln zeigte ebenfalls gute Ergebnisse im geschliffenen Lager, was seine weite Verbreitung auch für die Präparation dentaler Implantatlager bestätigte [7]. Eine histologische Bewertung eventueller Knochenschädigungen an den Entnahmestellen durch gängige zahnärztliche Trepansysteme im Vergleich mit dem diamantierten Hohlbohrer wurde bisher jedoch noch nicht durchgeführt.

Das Ziel der vorliegenden Studie war daher eine In-vitro-Evaluation der knöchernen Entnahmestellen nach zylindrischer Osteotomie eines kommerziell erhältlichen Standard-Trepansystems und eines diamantierten Hohlbohrers im Vergleich. Dabei wurde die Qualität des Bohrlochs in Bezug auf seine Struktur und Form durch Polyether-Abformmaterialien bewertet. Zusätzlich wurde histologisch untersucht, in welchem Ausmaß die beiden Knochenstrukturen Substantia compacta und Substantia spongiosa durch den Bohrvorgang geschädigt werden und wie scharf begrenzt und präzise die angelegten Bohrlöcher sind. Die Ergebnisse wurden deskriptiv ausgewertet.

Material und Methode

Entnahme der Trepanproben

Die Schleifeigenschaften eines Standard-Trepansystems (T1; Meisinger, Neuss, Deutschland) (Abb. 1) und eines diamantierten Hohlbohrers (T2; Meisinger, Neuss, Deutschland) wurden an frischem Rinderbeckenknochen, der von einem lokalen Metzger stammte, unter standardisierten Bedingungen verglichen. Die Bohrungen wurden per Hand an einer konventionellen zahnmedizinischen Behandlungseinheit vom Typ Siemens Sirona M1 (Sirona Dental Systems GmbH, Bensheim, Deutschland) durchgeführt. Pro Bohrertyp wurden Bohrungen bei 20 %, 40 %, 60 %, 80 % und 100 % Umdrehungen angefertigt. Alle Bohrungen für alle Umdrehungszahlen wurden doppelt durchgeführt.

Abformung der Bohrlöcher

Anschließend wurden die Bohrlöcher fotografiert und eine Abformung aus einem kommerziell erhältlichen Polyether-Abformmaterial (Impregum Penta, 3M ESPE, Seefeld, Deutschland) der Bohrlöcher angefertigt (Abb. 2 und 3). Auf jeder Abformung wurden jeweils fünf zufällig ausgewählte Areale in Vergrößerung (x 20) deskriptiv auf ihre Qualität und Form hin untersucht.

Histologische Bearbeitung

Die Knochenproben mit den Bohrlöchern wurden eingebettet und histologische Präparate angefertigt. Die eine Hälfte der Proben wurden mit einer kommerziell erhältlichen Säge mit Wasserkühlung (Exakt, Hamburg, Deutschland) in einer Dicke von 5 mm horizontal, die andere Hälfte vertikal geschnitten, sodass von jeder Bohrung bei jeder Umdrehungszahl Schnitte in beiden Dimensionen vorlagen. Nach der von Donath und Breuner [5] beschriebenen Technik wurden die Knochenschnitte sofort nach Bearbeitung in PMMA (Technovit 7100, Heraeus Kulzer, Hanau, Deutschland) eingebettet und auf eine Dicke von 30–50 µm geschliffen. Eventuelle Beschädigungen durch das Schleifen an kortikalen und spongiösen Knochenabschnitten wurden histolomorphometrisch an allen Proben deskriptiv evaluiert.

Ergebnisse

Abformungen

Die Untersuchung der Abformungen der Bohrlöcher zeigte bereits makroskopisch bei T1 vor allem im distalen Bereich des Bohrlochs eine unruhige und mit Löchern versehene Bohroberfläche (Abb. 2). Es konnte keine gleichmäßige Rundung des Bohrlochs nachgewiesen werden. Bei T2 war der größere Teil des Bohrlochs ohne grobe Ausbrüche oder Zackenbildungen (Abb. 3). Jedoch kam es auch am distalen Rand zu Unregelmäßigkeiten an der Bohroberfläche. Die Unregelmäßigkeiten nahmen bei beiden Systemen mit ansteigender Drehzahl zu. In der höheren Vergrößerung ließen sich bei T1 in allen Schnitten bei allen Umdrehungszahlen deutlich mehr Unregelmäßigkeiten und Riefen (Abb. 4) als bei T2 (Abb. 5) erkennen. Allerdings ist anzumerken, dass auch die Abformungen der T2-Bohrlöcher nicht ohne Schleifartefakte waren.

Histomorphologische Auswertung

Die histologischen Längsschnitte der beiden Trepansysteme ließen in der Kompakta stets exaktere Schnittlinien als in der Spongiosa erkennen. Bei den Längsschnitten waren in allen Fällen mit zunehmender Bohrtiefe keine Verschlechterungen in Form einer gröberen oder ungenauer verlaufenden Schnittlinie zu evaluieren. Mit wenigen Ausnahmen zeigten die Querschnitte scharf begrenzte Bohrlöcher mit typischerweise abgelagerten Knochenspänen entlang der Rundung des Bohrlochs.

Bei T1 war bei allen Längsschnitten ein grober Verlauf der Schnittlinie sichtbar. Dabei variierte der Verlauf der geschnittenen Knochenoberfläche zwischen welligen Schnittlinien und eher gezackten Knochenoberflächen (Abb. 5). Die Schnittlinien waren an mehreren Stellen von Zacken und Ausbrüchen durchzogen (Abb. 6). Mit ansteigender Drehzahl kam es zu immer ungenaueren Bohrlöchern. Die Querschnitte wiesen insbesondere in der Kompakta neben Ablagerungen von Knochenspänen präzise Bohrlöcher auf. In der Spongiosa kam es ab einer Restknochenstärke > 80 µm zu Frakturen im Knochen (Abb. 7).

Bei den Präparaten zu T2 war ein präziser, geradliniger und nur leicht welliger Knochenverlauf entlang der Schnittlinie erkennbar (Abb. 8). Allerdings war punktuell auch ein gröberes und stärker gezacktes Oberflächenrelief des Knochens vorhanden (Abb. 9 und 10). Ab einer Knochenstärke von 80 µm kam es zu geringgradigen Verformungen, auch einzelne Frakturen in diesem Bereich wurden beobachtet (Abb. 11). Insgesamt ließen sich runde Bohrlöcher evaluieren, wobei auffällig war, dass es mit ansteigender Drehzahl zu ungenaueren Bohrvorgängen kam.

Diskussion

Trepansysteme werden bei der Biopsie des Kiefers mit darauffolgender histologischer Begutachtung, bei der vorbereitenden Präparation eines Implantatbetts und bei der Transplantation von Knochenzylindern eingesetzt. Beschädigungen des Gewebes bei der Trepanation wie Frakturen und der Verlust von spongiösen Trabekeln durch die Entnahmeprozedur sind bekannte Probleme [9]. Diese können in Komplikationen wie einer möglicherweise erschwerten histomorphologischen Auswertung [1], einem Implantatverlust, einer Wundheilungsstörung oder gar einer aseptischen Nekrose [9] resultieren. In vorangegangenen Studien konnten Hinweise auf die den standardisierten Trepansystemen überlegenen Schleifeigenschaften eines diamantierten Hohlbohrers gewonnen werden [7]. Daher wurde in der vorliegenden Studie auf einen Vergleich des Schleifprofils eines Standardtrepans (T1) bei der knöchernen Trepanentnahme mit den Eigenschaften des diamantierten Hohlbohrers (T2) in einem In-vitro-Modell abgezielt. Zusammenfassend wurden die knöchernen Entnahmestellen zweier verschiedener Trepansysteme auf ihre Beschaffenheit hin untersucht. Die Testung der Schleifeigenschaften von Bohrern und Trepanen an frischem humanem oder xenogenem Knochen mit konsekutiver histologischer Aufbereitung stellt eine gängige Methode dar [3, 7, 15].

Polyetherabdrücke der knöchernen Bohrlöcher zeigten bei beiden Trepansystemen eine ungleichmäßige Bohroberfläche vor allem im distalen Bereich, wobei beim Trepansystem T2 größere Teile der Bohrfläche eine harmonische und ebene Oberfläche aufwiesen. Bei den histologischen Untersuchungen zeigte sich generell, dass es im dünnwandigen Trabekelnetzwerk der Spongiosa leichter zu Frakturen kam als in der Kompakta. Ein Vergleich der beiden Trepane machte deutlich, dass die Verwendung des diamantierten Hohlbohrers zu den besseren Ergebnissen führte. Bei T1 waren die Resultate bei niedriger Umdrehungszahl (20 % – entspricht 1333 U/min) noch annehmbar. Im höheren Drehzahlbereich war jedoch eine sehr grobe und unstrukturierte Knochenoberfläche erkennbar. Beim Trepansystem T2 waren im niedrigen Drehzahlbereich akkurate und exakte Bohrlöcher nachweisbar. Im höheren Drehzahlbereich kam es auch hier zu Unregelmäßigkeiten an der Bohroberfläche, jedoch nicht im gleichen Ausmaß wie bei T1. Größere Differenzen, in Bezug auf die Knochenoberfläche, ab der es zu einer Fraktur kam, bestanden bei beiden Trepansystemen nicht. Prinzipiell kamen ab einer Knochendicke von ? 110 µm bei beiden Trepansystemen keine Frakturen vor. Die kritische Knochendicke, ab der es zu einer Fraktur kam, lag bei den Ergebnissen dieser Studie zwischen 80 und 110 µm, unabhängig vom verwendeten System. Insgesamt zeigen sich Vorteile für den diamantierten Hohlbohrer im Vergleich zum Standard-Trepansystem. Es waren mit dem diamantierten System präzisere Bohrvorgänge bei geringerem Gewebeschaden möglich. Dies könnte sich positiv auf eine unkomplizierte und zeitnahe Wundheilung, eine bessere Passgenauigkeit von Transplantaten bei Zylindern und eine aussagekräftigere histologische Bewertung auswirken.

 

Interessenkonflikt: Vom Autor sowie den Co-Autoren wurden keine möglichen Interessenkonflikte im Sinne der ICMJE angegeben.

G. F. Draenert hat die Nennung seines Namens auf verschiedenen Instrumententrays der Firma Hager und Meisinger lizensiert.

Korrespondenzadresse

PD Dr. med. Dr. med. dent. Florian G. Draenert

Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie

Universitätsmedizin Mainz

Augustusplatz 2

55131 Mainz

E-Mail: webmaster@draenert.net

Literatur

1. Bain BJ: Bone marrow trephine biopsy. J Clin Pathol 2001;54:737–742

2. Cawood JI, Stoelinga PJ, Blackburn TK: The evolution of preimplant surgery from preprosthetic surgery. Int J Oral Maxillofac Surg 2007;36:377–385

3. Chacon GE, Bower DL, Larsen PE, McGlumphy EA, Beck FM: Heat production by 3 implant drill systems after repeated drilling and sterilization. J Oral Maxillofac Surg 2006;64:265–269

4. Deeley TJ: The drill biopsy of bone lesions. Clin Radiol 1972;23:536–540

5. Donath K, Breuner G: A method for the study of undecalcified bones and teeth with attached soft tissues. The Säege-Schliff (sawing and grinding) technique. J Oral Pathol 1982;11:318–326

6. Draenert FG, Huetzen D, Kammerer P, Wagner W: Bone augmentation in dental implantology using press-fit bone cylinders and twin-principle diamond hollow drills: a case series. Clin Implant Dent Relat Res 2009

7. Draenert FG, Mathys R, Jr., Ehrenfeld M, Draenert Y, Draenert K: Histological examination of drill sites in bovine rib bone after grinding in vitro with eight different devices. Br J Oral Maxillofac Surg 2007;45:548–552

8. Draenert KD, Draenert YI, Krauspe R, Bettin D: Strain adaptive bone remodelling in total joint replacement. Clin Orthop Relat Res 2005:12–27

9. Draenert K, Draenert Y: A new procedure for bone biopsies and cartilage and bone transplantation. Sandorama 1987; 3:254–269

10. Draenert K: Studying bone regeneration with the scanning electron microscope. Scan Electron Microsc 1983: 247–254

11. Draenert K: Stable fixed autologous and homologous cancellous bone transplants. Thieme, New York, USA 1982

12. Draenert K, Draenert Y: The architecture of metaphyseal bone healing. Scan Electron Microsc 1979:521–528

13. Dresing K, Sturmer KM: Press-fit bone dowel arthrodesis of the ankle or the subtalar joint using a diamond bone cutting system. Surgical technique and initial results in 10 patients. Unfallchirurg 2000;103:645–655

14. Eggers G, Klein J, Blank J, Hassfeld S: Piezosurgery: an ultrasound device for cutting bone and its use and limitations in maxillofacial surgery. Br J Oral Maxillofac Surg 2004;42:451–453

15. Ercoli C, Funkenbusch PD, Lee HJ, Moss ME, Graser GN: The influence of drill wear on cutting efficiency and
heat production during osteotomy preparation for dental implants: a study of drill durability. Int J Oral Maxillofac Implants 2004;19:335–349

16. Esposito M, Grusovin MG, Kwan S, Worthington HV, Coulthard P: Interventions for replacing missing teeth: bone augmentation techniques for dental implant treatment. Cochrane Database Syst Rev 2008:CD003607

17. Evans PJ, Miniaci A, Hurtig MB: Manual punch versus power harvesting of osteochondral grafts. Arthroscopy 2004; 20:306–310

18. Gomes de Oliveira RC, Leles CR, Lindh C, Ribeiro-Rotta RF: Bone tissue microarchitectural characteristics at dental implant sites. Part 1: Identification of clinical-related parameters. Clin Oral Implants Res 2011

19. Khoury F, Buchmann R: Surgical therapy of peri-implant disease: a 3-year follow-up study of cases treated with 3 different techniques of bone regeneration. J Periodontol 2001;72:1498–508

20. Khoury F: Augmentation of the sinus floor with mandibular bone block and simultaneous implantation: a 6-year clinical investigation. Int J Oral Maxillofac Implants 1999;14:557–564

21. Kordas G, Szabo JS, Hangody L: The effect of drill-hole length on the primary stability of osteochondral grafts in mosaicplasty. Orthopedics 2005;28:401–404

22. Kumar V, Sagheb K, Klein MO, Al-Nawas B, Kann PH, Kämmerer PW: Relation between bone quality values from ultrasound transmission velocity and implant stability parameters. An ex-vivo study. Clin Oral Imp Res 2011;In print

23. Moholkar K, Taylor D, O’Reagan M, Fenelon G: A biomechanical analysis of four different methods of harvesting bone-patellar tendon-bone graft in porcine knees. J Bone Joint Surg Am 2002;84-A:1782–1787

24. Stavropoulos A, Sima C, Sima A, Nyengaard J, Karring T, Sculean A: Histological evaluation of healing after transalveolar maxillary sinus augmentation with bioglass and autogenous bone. Clin Oral Implants Res 2011

Fussnoten

1 Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie, Universitätsmedizin Mainz

2 Institut für Zahnärztliche Werkstoffkunde und Technologie, Universitätsmedizin Mainz

DOI 10.3238/ZZI.2012.0050–0057


(Stand: 21.03.2012)

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