The critical size bony defect in a small animal for bone healing studies (II): Implant evolution and surgical technique on a rat's femur / Der kritische Knochendefekt am Kleintier zur Untersuchung der Knochenheilung (II): Implantatentwicklung und Operationstechnik am Rattenfemur

Abstract In the preclinical field of orthopaedic and trauma surgery critical size bony defects (CDS) were used to evaluate the biocompatibility and allow to investigate the osteoinductivity and -conductivity of bone substitutes. Concerning the anatomical size the laboratory rat indicates a lower limit in small animals which are appropriate for experiments on bone. The aim of this study was to define a CSD, to develop a suitable fixation system to stabilize bony fragments in CSD and to point out the specialities of the surgical technique. These informations should help for to design and practice studies concering bone healing on rat's femur. Based on previously acquired anatomical data of rat's femur, the technical challenges and anatomical specialities of different osteosynthesis techniques in rat's femur surgery are demonstrated. Our experiences with different fixation systems and techniques lead to the development of an external fixator, which guarantees for a stable bone fragment fixation, prevents severe soft tissue damage, allows of a roentgenologic evaluation of the defect zone and prevents from undesired direct biomaterial-implant interactions. Neither the proximal nor the distal femoral nailing technique is appropriate for a stable fixation in CSD of rat's femur. To evaluate the reliability of an own developed external fixator 42 nude rats with a 4.0 mm CSD were investigated clinically and roentgenologically over 10 weeks. The external fixator showed only a small implant failure rate. A solid fusion of the bone fragments was not observed within the 10 weeks follow-up period. In der Orthopädie und Unfallchirurgie werden Knochendefekte kritischer Größe zur präklinischen Evaluation von Biokompatibilität sowie zur Untersuchung von Osteoinduktivität und -konduktivität von Knochenersatzstoffen herangezogen. Für Versuche am Knochen stellt die Ratte als Versuchstier aufgrund der limitieren anatomischen Größenverhältnisse häufig eine kritische untere Grenze unter den Kleintieren dar. Ziel der vorliegenden Studie ist die Definition eines kritischen Knochendefektes am Rattenfemur (critical size defect, CSD), die Entwicklung eines geeigneten knöchernen Fixationssystems zur Stabilisierung eines CSD sowie die Darstellung der damit verbundenen operationstechnischen Besonderheiten. Diese Informationen sollen die Planung und Durchführung zukünftiger Studien zur Knochenheilung am Rattenfemur erleichtern. Basierend auf den zuvor erhobenen anatomischen Daten des Rattenfemurs werden die technischen Herausforderungen und anatomischen Besonderheiten der Rattenfemurchirurgie anhand verschiedener Osteosynthese-Techniken demonstriert. Unsere Erfahrungen mit verschiedenen Fixationssystemen und Techniken führten zur Entwicklung eines Fixateur extern, welcher eine stabile Fixierung der knöchernen Fragmente ermöglicht, ein größeres Weichteiltrauma vermeidet, die röntgenologische Verlaufskontrolle des Defektbereichs erlaubt und eine unerwünschte Beeinflussung der Defektzone durch das Fixationssystem verhindert. Weder die anterograde noch die retrograde Femurnagelung eignet sich für eine stabile Fixierung der knöchernen Fragmente am CDS des Rattenfemur. Anhand von 42 Nacktratten wird die Zuverlässigkeit eines eigenen entwickelten Fixateur extern über einen maximalen Untersuchungszeitraum von 10 Wochen röntgenologisch und klinisch evaluiert. Hierbei zeigte der Fixateur extern bei einer 4.0 mm großen knöchernen Defektzone am Rattenfemur eine nur niedrige Versagensrate. Eine knöcherne Fusion der Defektzone wurde innerhalb von 10 Wochen nicht beobachtet.