Wie bereits in der Historie der Kranioplastie angesprochen, wurden vor tausenden von Jahren für die ersten primitiven Kranioplastiken unter anderem Edelmetalle, dann im späten 19. Jahrhundert jedoch erste Knochentransplantate für die Kranialdefektreparatur verwendet. Die zwei Weltkriege des 20. Jahrhunderts und die zahlreichen damit einhergehenden Verletzungen zeigten auf, dass die Versorgung mit Eigenknochen aufgrund der limitierten Verfügbarkeit im Zusammenhang mit erhöhten Infektionsraten und der Notwendigkeit einer Nebenoperation an der Knochen-Donorstelle, nicht ausreichend war.
Matsuno et al. berichten von Infektionsraten von über 25 % beim Einsatz von Eigenknochen. In diesem Zuge wurde ebenfalls mit Tierknochen von Hunden, Affen, Gänsen, Hasen oder Kälbern experimentiert. 1901 berichtet Marchand, dass gekochte und perforierte Tierhörner wie von Büffeln oder sogar Elfenbein besonders biokompatibel seien.
1915 berichtet Morestin den Einsatz von menschlichem Kadaver-Knorpel zur Deckung eines Kranialdefektes. Dieser Knorpel wies jedoch keine signifikante Kalzifizierung an der Einsatzstelle auf und war generell zu schwach, um ausreichenden mechanischen Schutz zu bieten. Die Sterilisierung und Behandlung des Materials für den Einsatz schwächten es zusätzlich. Durch hohe Raten von auftretenden Infektionen und Resorptionen setzte sich diese Behandlungsmethode längerfristig nicht durch.
In diesen Zeitraum fallen ebenfalls Versuche zur Verwendung von starken, formbaren und leichter sterilisierbaren Materialien wie Aluminium. Unglücklicherweise verursachte dieser Werkstoff jedoch Entzüdungen des umliegenden Weichgewebes, sowie Anfälle und löste sich langsam am Einsatzort auf, was schlussendlich wieder zur Abkehr von diesem Material führte. Weitere Metalle wie Blei, Tantal oder sogar Platin wurden verwendet. Während Blei erwartbare Toxizitätserscheinungen und damit relatierte Todesopfer mit sich brachte, konnten Tantal und Platin zwar mit einigem Erfolg angewandt werden, waren jedoch aufgrund ihres hohen Materialpreises nicht für den massenhaften Einsatz geeignet.
Vor allem Platin zeigte gute Biokompatibilität und keine Entzündungserscheinungen des umliegenden Gewebes. Ähnlich verhielt es sich mit Tantal, dessen Einsatz jedoch Fälle von Kopfschmerzen durch Wetterfühligkeit, aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit Materials ergab. Auch Gold und Silber brachten ähnlich positive Ergebnisse wie Platin, hatten aber den gleichen Nachteil der Kostenintensivität. Zudem führte Silber zusätzlich zu Verfärbungen des Skalps.
Neben Metallen, Auto- und Allotransplantaten sowie Polymeren wurde ebenfalls mit anorganischen Keramiken versucht, ein geeignetes Knochensubstitut zu finden. Es liegt nahe, den natürlichen Knochen mit Calciumphosphat, genauer mit Hydroxylapatit (Ca5[OH|(PO4)3]), zu ersetzen – der nativen Bausubstanz von Knochen. Vorteile dieses Materials sind die gute Biokompatibilität und Osseointegration, sowie gute Vaskularisierung durch die Porosität des Materials. Nachteile sind die ausgeprägte Sprödheit und Fragilität, wie bei vielen Keramiken, sowie die potentielle Anheftung von Keimen innerhalb des porösen Materials. Dennoch war Hydroxylapatit viele Jahre das präferierte Material zur Schließung von kranialen Hartgewebedefekten, obwohl eine gute Osseointegration im Patienten oft erst nach 6 Monaten oder mehr erzielt wird. Zwischenzeitlich kann das Tragen eines Helmes vor Bruch des Implantates schützen.
Oftmals wird heutzutage Polymethylmethacrylat (PMMA) zur Deckung von Kranialdefekten, welches erstmalig in den 1950er Jahren am Patienten benutzt wurde, angewandt. Das flüssige, monomere Methacrylat wird mit oder ohne Gussform und mit einem Radikalstarter unter starker Hitzeentwicklung im Operationsraum polymerisiert, sodass gehärtetes (und geformtes) PMMA entsteht, welches zurechtgeschnitten werden kann. Bei dieser Art der Herstellung können jedoch nie alle Radikale und Monomere aus dem Prozess ausgewaschen werden, sodass immer Restmoleküle im Einsatzort hinterbleiben und freigesetzt werden. Dies kann zu Entzündungserscheinungen oder Reizung des umliegenden Gewebes führen, bis hin zur Notwendigkeit einer Explantation. Bei In-vivo-Anwendungen von PMMA, wie z. B. bei einer Hüfttotalendoprothese, wird im Einsatzort des Patienten das Implantat im Gelenk direkt hergestellt. Bei diesem Verfahren werden noch größere Mengen Radikale und MMA-Monomere im Patienten frei, was zu einer Knochenzementreaktion führen kann, mit – je nach Schweregrad – berichteten 30-Tage-Mortalitätsraten von bis zu 88 %.
Zusätzlich zu PMMA gibt es noch eine ganze Reihe von anderen Werkstoffen, die bei der Herstellung von patientenspezifischen Schädelimplantaten zum Einsatz kommen. Jedes dieser Materialien weist individuelle Vor- und Nachteile auf und es kann momentan nicht für jeden Anwendungsfall und jeden Patienten pauschal das beste Material empfohlen werden. Die Wahl des zum Defekt am besten passenden Werkstoffs liegt im Ermessen des behandelnden Arztes und sollte von Fall zu Fall individuell durchdacht und entschieden sein.
Abgeleitet aus den vorab genannten Erfahrungen und Erkenntnissen sollten ideale Kranioplastiematerialien folgende Eigenschaften aufweisen:
- Passt sich perfekt an Defekt und Anatomie an
- Strahlendurchlässigkeit für verbesserte (Post-OP-)Diagnostik
- Infektionsresistent, biofilm-/keimabweisende Oberflächeneigenschaften
- Kein Schrumpfen oder Ausdehnen bei Wärme
- Bruchsicher aber auch elastisch
- Knochenähnliche Eigenschaften
- Leicht intraoperativ zu bearbeiten
- Kostengünstig
- Leicht und schnell anzuwenden
Bei 3di haben wir uns auf drei Materialien spezialisiert, welche die hohen Ansprüche an ein Knochenersatzmaterial im Schädelbereich erfüllen und über einen langen Zeitraum erprobt sind. Somit können wir flexibel auf unterschiedliche medizinische Anforderungen reagieren und für eine Bandbreite an Defekten Lösungen anbieten. Die von uns verwendeten Implantatwerkstoffe, sind die keimabweisende Glaskeramik BIOVERIT®II, die metallische Titanlegierung Ti6Al4V und der thermoplastische Kunststoff Polyetheretherketon (PEEK). Unsere patientenspezifischen Implantate werden derzeit mittels CNC-Fräsen direkt bei uns in Jena gefertigt, so dass der Zeitaufwand und andere Risiken im Vergleich zu einer Fertigung direkt im OP entfallen.
Bildquelle: 3di GmbH (CD)
Diese drei von uns verwendeten Materialien werden wir in den kommenden Beiträgen noch etwas näher beleuchten und ein paar interessante Fakten vorstellen.
Übrigens: Unsere Preise sind werkstoffunabhängig. Die Entscheidung für das passende Material erfolgt defektabhängig und individuell auf den jeweiligen Patienten abgestimmt.
Quellen
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Matsuno A, Tanaka H, Iwamuro H, Takanashi S, Miyawaki S, & Nakashima M, et al.: Analyses of the factors influencing bone graft infection after delayed cranioplasty. Acta Neurochir (Wien) 148:535–540, 2006
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