title: Biomechanical study at porcine knees for a tibial frontcross fixation of a patellar bone-tendon-bone transplant (BTB) with bovine cortical bone pins in transtendon und extratendon technique for anterior-cruciate ligament substitution
title: Biomechanische Studie an porcinen Testpräparaten zur tibialenFrontcross Fixation des Patellarsehentransplantates (BTB) zumvorderen Kreuzbandersatz in transtendinöser und extratendinöserTechnik mit bovinen Kompaktapins (CB-Pins)
Creators: name: Tuschen, Stefan
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: Fixationstechnik
Biomechanical study
Biomechanische Studie
Kompaktapin
Ligamentum cruciatum anterius
Fixation technique
Cortical bone pin
Porcine
Medizin, Gesundheit
Schwein

description: Rapid mobilization and early
      muscle training in cruciate ligament surgery result in both
      individual peak loads and cyclical load on the fixed
      transplant. The cross-pin fixation method analyzed here,
      using trans-tendon and extra-tendon front-cross techniques
      with a cortical bone pin with 4mm (CB4) or 5 mm (CB5)
      diameter, is a biological fixation for BTB transplants. In a
      front-cross load model, it was shown in a combined shear and
      bend trial that after single loads and previous cyclical
      loads, the maximum CB pin breaking strength was 600.7 N or
      735 N in the groups with a CB4 pin, and 1393.9 N or 1452.5 N
      in the groups with a CB5 pin above maximum load during
      rehabilitation. In a second preliminary trial, the influence
      of the dorsal drilling channel distance or the implantation
      depth of the pin in cancellous bone was tested for breaking
      strength using a porcine tibia. In both cases—the three CB4
      pin groups with an average maximum breaking strength of 535.2
      N to 558.7 N and the three CB5 pin groups with an average
      maximum breaking strength of 1222.7 N to 1332.7 N—there was
      no significant difference between implantation depths of 3.5
      cm, 4.5 cm, and 5.5 cm in the porcine tibia heads. To
      determine the extent of ligament damage, in a further
      preliminary trial the maximum tensile strength of isolated
      BTB porcine transplants was compared with that of a control
      group after the implantation of CB4 or CB5 pins in front of
      the bone plug. Following the implantation of both CB4 and CB5
      pins, there was no significant reduction in maximum tensile
      strength until failure compared to the control group.
      However, with an average maximum tensile strength of 978.8 N
      in the control group, 953.4 N in the CB4 pin group, and 880 N
      in the CB5 pin group, maximum tensile strength decreased with
      increasing pin diameter to a degree that may be critical. In
      the main trial, maximum retention strength or maximum load
      until failure and the rigidity of the entire system were
      determined for five variants of front-cross fixation after
      both single loads and cyclical load. In the trans-tendon
      technique of front-cross fixation, a CB pin was inserted
      directly in front of the bone plug and through the middle of
      the patellar tendon. In two extra-tendon variants, the bone
      plug was turned by 90 degrees in the drilling channel and one
      CB pin was placed parallel to the underside of the patellar
      tendon. In a fifth variant, the length of the bone plug was
      reduced to 10 mm and a CB5 pin inserted with the trans-tendon
      technique. In this way, a total of 10 groups were compared
      for the maximum load until failure and rigidity of the
      individual variants in at least 10 stress trials.
      Measurements showed average maximum loads until failure from
      619 N to 962 N in all variants—significantly higher than
      forces in a rehabilitation phase. Previous cyclical loads,
      such as occur during physical therapy, did not result in a
      significant difference compared to maximum failure loads in
      single loads groups (p = 0.587). However, the groups with the
      10 mm bone plug and CB5 pin had significantly lower maximum
      failure loads than the groups with the 20 mm bone plug and
      CB5 pin (p &lt; 0.001 and p &lt; 0.009) due to the weakening
      of the tendon insertion and the bone plug slipping past the
      CB pin. As another biomechanical parameter, the rigidity of
      the fixation system was studied. In contrast to groups with
      single loads averaging 56.1 to 71.6 N/m, rigidity improved
      significantly (p &lt; 0.001) after initial cyclical load, to
      an average of 137.7 to 173.8 N/m. This can be attributed to a
      very limited slipping and settling of the system during the
      first cycles. It showed the importance of preconditioning the
      entire system during surgical care. The values are still
      lower than those for the rigidity of a native cruciate
      ligament, but fixation systems that have similarly good
      rigidity as shown in this study are few. The technique
      described here ensures stabile fixation of the BTB transplant
      even with low bone quality, along with the possibility of
      comprehensive healing and in-growth of the transplant plugs.
      In this trial series, front-cross fixation exhibited
      promising biomechanical parameters and could contribute to
      the optimization of transplant fixation in a number of
      important ways. However, transferring the results of an
      animal trial model to human knee joints would require
      critical evaluation. Therefore, further measurements are
      needed on donor knee joints from young individuals in
      comparison to fixation systems that have been proven in
      practice.
description: Rasche Mobilisation und frühes
      Muskeltraining in der Kreuzbandchirurgie führen sowohl zu
      einzelnen Spitzenbelastungen als auch zu zyklischen
      Belastungen auf das fixierte Transplantat. Die in dieser
      Arbeit untersuchte Crosspin-Fixation in der transtendinösen
      und extratendinösen Frontcross-Technik mit einem CB4 oder CB5
      Kompaktapin ist ein biologisches Fixationsverfahren für das
      BTB-Transplantat. An einem Frontcross-Belastungsmodell wurde
      in einem kombinierten Scher- und Biegeversuch nachgewiesen,
      dass nach single-load und nach vorhergehender zyklischer
      Belastung, die maximale Bruchkraft der Kompaktapins mit 600,7
      N bzw. 735 N in den Gruppen mit CB4 Pin und mit 1393,9 N bzw.
      1452,5 N in den Gruppen mit CB5 Pin oberhalb der
      Maximalbelastung während der Rehabilitation liegt. In einem
      zweiten Vorversuch wurde an der Tibia vom Schwein der
      Einfluss des dorsalen Bohrkanalabstandes bzw. der
      Implantationstiefe der Kompaktapins in der Spongiosa auf
      deren Bruchfestigkeit bestimmt. Sowohl in den drei Gruppen
      mit CB4 Pin mit einer durchschnittlichen maximalen Bruchkraft
      von 535,2 N bis 558,7 N als auch in den drei Gruppen mit CB5
      Pin mit einer durchschnittlichen maximalen Bruchkraft von
      1222,7 N bis 1332,7 N fand sich kein signifikanter
      Unterschied zwischen einer Implantationstiefe von 3,5 cm, 4,5
      cm oder 5,5 cm am Tibiakopf des Schweins. Um das Ausmaß der
      Ligament¬schädigung zu bestimmen, wurde in einem weiteren
      Vorversuch die maximale Reißkraft isolierter
      BTB-Transplantate vom Schwein nach Einbringen eines CB4 bzw.
      CB5 Kompaktapins vor dem Knochenblock mit einer
      Kontrollgruppe verglichen. Sowohl nach Implantation eines CB4
      als auch eines CB5 Pins kam es zu keiner signifikanten
      Verminderung der maximalen Reißkraft im Vergleich zur
      Kontrollgruppe. Allerdings zeigte sich bei einer
      durchschnittlichen maximalen Reißkraft von 978,8 N in der
      Kontrollgruppe und 953,4 N in der Gruppe mit CB4 bzw. 880 N
      in der Gruppe mit CB5 Pin eine kritisch zu bewertende Abnahme
      der maximalen Reißkraft bei zunehmendem Pindurchmesser. Im
      Hauptversuch wurden für fünf Varianten der
      Frontcross-Fixation jeweils sowohl nach single-load als auch
      nach vorhergehender zyklischer Belastung die maximale
      Haltekraft und die Steifigkeit des gesamten Systems bestimmt.
      Bei der transtendinösen Technik der Frontcross-Fixation wurde
      ein Kompaktapin direkt vor dem Knochenblock und mittig durch
      den Patellarsehnenstreifen eingebracht wird. Bei zwei
      extratendinösen Varianten wurde der Knochenblock um 90 Grad
      im Bohrkanal gedreht und ein Kompaktapin parallel zur
      Unterfläche der Patellarsehe plaziert. In einer fünften
      Variante wurde die Länge des Knochenblocks auf 10 mm
      reduziert und ein CB5 Pin in der transtendinösen Technik
      eingebracht. Insgesamt wurden so 10 Gruppen mit jeweils
      mindestens 10 Ausrißversuchen in Bezug auf die maximale
      Haltekraft und die Steifigkeit der einzelnen Varianten
      miteinander verglichen. Die Messungen konnten zeigen, dass
      die mittlere maximale Haltekraft aller Varianten mit 619 N –
      962 N deutlich über den Belastungen währen einer
      Rehabilitationsphase lag. Auch eine vorhergehende zyklische
      Belastung wie sie während der Krankengymnastik auftritt,
      führte nicht zu einem signifikanten Unterschied im Vergleich
      zum single-load (p=0,587). Allerdings fand sich in den
      Gruppen mit 10 mm Knochenblock und CB5 Kompaktapin eine
      signifikant schlechtere maxiamle Haltekraft als in den
      Gruppen mit 20 mm Knochenblock und CB5 Kompaktapin
      (p&lt;0,001 und p&lt;0,009), bedingt duch eine Schwächung der
      Sehneninsertion und ein Vorbeigleiten des Knochenblockes an
      dem Kompaktapin. Als weiterer biomechanischer Parameter wurde
      die Steifigkeit des Fixationssystems untersucht. Im Gegensatz
      zum single-load mit durchschnittlich 56,1 bis 71,6 N/m
      verbesserte sich die Steifigkeit signifikant (p&lt;0,001)
      nach zyklischer Belastung auf durchschnittlich 137,7 bis
      173,8 N/m. Dies ist auf ein Nachrutschen und Setzen des
      Systems während der ersten Zyklen zurückzuführen. Hierdurch
      konnte die Bedeutung des Präkonditionierens des gesamten
      Systems während der operativen Versorgung aufgezeigt werden.
      Diese liegen Werte noch immer unterhalb der Steifigkeit eines
      nativen Kreuzbandes liegen, allerdings weisen nur wenige
      Fixationssysteme eine ähnlich gute Steifigkeit auf. Das hier
      vorgestellte Verfahren gewährleistet eine stabile Fixation
      des BTB-Transplantates auch bei verminderter Knochenqualität,
      verbunden mit der Möglichkeit einer Rumdumheilungsmöglichkeit
      der Transplantatblöcke. Die Frontcross Fixation weist in
      dieser Versuchsserie vielversprechende biomechanische
      Parameter auf und kann in mehrfacher Hinsicht einen
      wesentlichen Beitrag zur Optimierung der Transplantatfixation
      leisten. Allerdings ist eine Übertragung von Ergebnissen, die
      in einem Tierversuchsmodell erhoben wurden, auf humane
      Kniegelenke immer kritisch zu beurteilen. Daher sind weitere
      Messungen an Spenderkniegelenken des jungen Menschen im
      Vergleich mit bereits in der Praxis bewährten
      Fixationssystemen notwendig.