De osteoplastische botspalk, OBS, bij middel van Biokant®, een eenvoudige reconstructieve techniek.

The osteoplastic bone splint, OBS, by means of
Biokant®, a simple reconstructive procedure.
Dr. L. SUDA*

NEDERLANDS

SAMENVATTING

Tijdens orthopedische ingrepen waarbij uitgebreide ossale reconstructies nodig zijn kunnen autologe spongieuze botsnippers worden verkregen uit bestaande voorkeursplaatsen.Indien lege artis uitgevoerd, vereistdeze botwinning slechts een minimale secundaire operatieve handeling.Kleine botspanen zijn meestal niet geschikt om belangrijke botdefecten te herstellen tenzij ze bijeen worden gebracht in de vorm van een unifragmentaire moduleerbare osteoplastische botspalk (OBS) bij middel van ‘Biokant®’.
Deze techniek wordt aan de hand van klinische gevallen geadstrueerd. De wetenschappelijke onderbouw wordt door eigen observaties van massieve gecombineerde homoloog autologe bot- en gewrichtstransplantaten geïllustreerd. (56)

* Dr. L. Suda, orthopaedisch chirurg
Orthopaedische Polykliniek
Kortrijkse steenweg 724
9000 Gent (Belgium)
Tel: +32 (0) 9 222 27 03 – Fax +32 (0) 9 220 03 66
E-mail: info@flandersorthopaedics.com


INLEIDING EN PROBLEEMSTELLING

De dagelijkse orthopaedische praktijk confronteert ons met resorptieverschijnselen en defecten van het peri-protetisch bot, veroorzaakt door partikelziekte en/of stress-shielding.
(Zie fig. 8a, 9b, 9c, 10a, 10b)

Fracturen ter hoogte van de prothesehoudende beenstukken kunnen hiervan het gevolg zijn.
(Zie fig. 8a, 8b, 13a)

Het herstel van deze letsels vergt een belangrijke botmassa die moeilijk aan te passen kan zijn aan de morfologische omstandigheden.
(Zie fig. 7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8b’)

Hetzelfde geldt voor post-traumatisch diafysair substantieverlies (zie fig. 11), en aandoeningen waarbijartrodese (zie fig. 12) of spondylodese (zie fig. 4) nodig zijn, de te overbruggen afstand belangrijk is of de congruentie van de te fuseren oppervlakten gebrekkig.

De klinische ervaring en de literatuur over experimentele bottransplantatie leren ons dat spongieuze verse autologe botsnippers (bij bottransplantaties) of osteo-cartilaginaire autologe enten (bij gewrichtsoppervlaktetransplantaties) met een sagittale doorsnede van 3 tot 5 mm zich het gunstigst gedragen vanuit het oogpunt van ingroei en ombouw tot autoloog levend bot. (6, 34, 45, 55, 61, 62)

De volledige vasculaire doorgroei der sinusoïden bij deze afmeting gebeurt dan namelijk sneller dan bij volumineuzere transplantaten.

Het aanbrengen en bevestigen van deze kleine spaantjes bij de voormelde reconstructies wordt mogelijk gemaakt en vergemakkelijkt door een aangepaste techniek van botenting die het voorwerp zal uitmaken van deze mededeling.

Voor het herstel van skeletdelen met belangrijke botdefecten zouden grote gestructureerde autologe botenten kunnen worden gebruikt.

Een niet gestructureerde massa botdeeltjes echter kan zich eveneens onder fysiologische omstandigheden overeenkomstig de wet van Wolff organiseren, bv. na implantatie ter hoogte van de femurschaft (12,66).
(Zie fig. 13a, 13b, 13c).

Door hun osteoconductieve en osteo-inductieve eigenschappen, alsook door het vrijzetten van vaatingroei stimulerende stoffen en transforming growth factors (TGF) in de zogenaamde ‘cytokinensoep’, overtreffen verse autologe botsnippers de ingroeicapaciteiten van alle andere vormen van bottransplantaten, een gevasculariseerd autotransplantaat uitgezonderd. (3a, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 46, 47, 48, 49, 52, 61, 62).

Dergelijke gevasculariseerde overplantingenbetekenen echter een grote en langdurige ingreep met kans op verwikkelingen door trombose, spasmen of torsie van de vaatstelen.
(1, 30, 31, 32, 40, 41).

Het afnemen van massieve, al of niet gevasculariseerde autologe enten vergt ingrepen die eveneens hun eigen complicaties hebben (16, 18).

Ter hoogte van de prelevatie situs wordt in ongeveer 45% van de gevallen gewag gemaakt van klachten en verwikkelingen gaande van lokale sensibiliteits-stoornissen, defiguratie en mogelijke herniaties doorheen de afnameplaats ter hoogte van het bekken, instabiliteit van de sacro-iliacale gewrichten, zelfs fracturen ter hoogte van de tibia na prelevatie van tibiaenten (18). Ook het bloedverlies kan bij spaanafname beduidend zijn (16).

Het winnen van autologe spongieuze botfragmenten vraagt daarentegen slechts mineure ingrepen daar men langs kleine trepanaties van de cristae iliacae of de tibiakop met aangepaste instrumenten voldoende spongieus bot kan bekomen.

Uit de tibiakop verkrijgt men gemiddeld 20g spongiosa, uit de crista iliaca posterior 10g.

Ook is het opvullen van het gemaakte defect met bloedingsstelpend materiaal (gelfoam) en botbankmateriaal eenvoudig.

Autoloog bot komt eventueel ter beschikking uit het operatieveld zelf zoals bv. het proximaal femur bij heupinterventies of fragmenten van processus spinosi en laminae bij ingrepen op de wervelkolom.

Afnametrauma en bloedverlies kunnen worden beperkt door aanvulling van de autologe massa met botbankmateriaal.

De penetratiesnelheid voor capillairen in homoloog bot is echter 6 maal geringer dan voor gelijkaardige verse autologe transplantaten (34, 35).

Eveneens ongunstig zijn in dit geval immunologische factoren (8, 9, 23) en een grotere infectiekans (37).

Barth en Axhausen documenteerden reeds rond de eeuwwisseling aan de hand van dierproeven dat zowel autologe als homologe botenten vrijwel volledig afsterven na transplantatie.

Zeldzame cellen zouden kunnen overleven indien ze binnen enkele dagen aansluiting krijgen op het vaatbed van het receptorgebied. (3a, 4)

Voor het overgrote deel zijn het echter invaserende en tot osteoblasten differentiërende cellen uit het transplantatiebed die aanleiding geven tot het fenomeen van de zogenaamde “schleichender Ersatz” (4) of “creeping substitution” (49)
(Zie fig. 1a).

Dit betekent dat het transplantaat geleidelijk wordt geresorbeerd door osteoclasten maar tegelijkertijd vervangen door nieuw gevormd receptorbot, neergelegd op de dode trabekels van het transplantaat (Zie fig. 1a).

In zijn nauwkeurig gedocumenteerd onderzoek kon Axhausen (3a) een score opstellen voor wat betreft de ombouwsnelheid en -kwantiteit van verschillende vormen van transplantaten. Het best gedraagt zich autoloog vers bot, minder gunstig homoloog bot en zeer ongunstig gemacereerd en speciesvreemd bot. (3a).

Het minder goede gedrag van homoloog materiaal werd toen reeds toegeschreven aan afweerreacties van het organisme (3a, 4, 5, 46).

Men nam dus waar dat het transplantaat fungeerde als een mal waar nieuw botweefsel werd op afgezet in tegenstelling tot het idee van Ollier dat vrij overgeplant been zou overleven en uit zichzelf gaan groeien (4, 49).

De morfohomeostasis van het skelet wordt namelijk in stand gehouden door een levenslang durend en zich in evenwicht houdend gelijktijdig verlopend fenomeen van botafbraak en - opbouw (50).

Meerdere factoren beïnvloeden de ingroei van het bottransplantaat.

  1. De ongunstige immunologische affiniteit van homoloog materiaal geeft histocompatibiliteitsproblemen, meer bij verse dan bij diepgevroren of gelyophyliseerde transplantaten. (7, 8, 9, 10, 23)

    Gevasculariseerde homologe botenten worden afgestoten als men de immunosuppressie staakt (1, 17, 27).

    Daarbij gebeurt de ombouw van vers autoloog bot minstens 6 maal sneller dan van gelijkaardig homoloog materiaal (55).

  2. Een doorsnede van 3 tot 5 mm geeft de ideale afmeting van een niet gevascularizeerde botent aan wat betreft ingroei en ombouw.

    Dit in verband met de penetratie van nieuwe capillairen in de oude kanalen en de mogelijke overleving van getransplanteerde cellen.

    Meer volumineuze en compacte corticale enten vormen een versperring voor ingroeiende elementen en weefselvochten.
    (3a, 8, 9, 10, 25, 45, 55).

  3. De betere doorgankelijheid en porositeit van spongieuze enten heeft tot gevolg dat deze 3 maal sneller worden omgebouwd dan corticale transplantaten van gelijkaardige morfologie.

    Men neemt waar dat de vasculaire penetratie bij autologe spongieuze beenstukjes 2 tot 3 mm per week bedraagt in een goed doorbloed receptorbed. (25, 55).

    Perforaties van de ent om deze doorgankelijker te maken voor bloedvaten begunstigen de ombouw. (22, 56, 57).

  4. De conserveringstechniek en de tijd tussen afname en implantatie beïnvloeden eveneens de osteogene eigenschappen van de ent. (25).

    Weefselkweekmilieu heeft een gunstige osteogene invloed, langdurige bewaring aan de lucht wegens mogelijke uitdroging uiteraard een ongunstige.

  5. Bijgemengde stoffen kunnen de osteoneogenese in de ent bevorderen.

    Dit geldt ondermeer voor rood autoloog beenmerg dat geïmpregneerd wordt in mergvrije homologe spongiosa of gemacereerd bot (10, 13, 24). Bone morphogenetic protein rh-bmp-2 (14, 26, 33), hydroxy-apatiet (42), osteogenin containing gelatin (58), gedemineraliseerde botmatrix (36, 60) kunnen gunstig inwerken op de nieuwbotvorming in het transplantaat.

  6. Goede stabiliteit van de ent zorgt voor een betere ombouw en consolidatie ter hoogte van de contactplaatsen met het receptorbot. (20, 56).

  7. Infectie belet de ingroei en ombouw van botenten (8, 9, 10, 37). Toch leert de praktijk dat men kleinere, tot op bloedend bot gecurreteerde holten, met gunstig resultaat kan opvullen bij middel van rood beenmerg bevattende autologe spongiosa, zelfs in een niet-steriel milieu. (50b).

  8. Overdreven compressie van het transplantaat kan de ingroei van vaten belemmeren door de ent minder poreus te maken (8, 9, 10).

    Anderzijds geeft compressie een betere stabiliteit zodat men in klinische omstandigheden zoekt naar een compressie-osteosynthese ter hoogte van de minerale botmantel van de compacta terwijl de eerder weke weefselstructuur van de spongiosa losser wordt geadapteerd. Omdat de contactvlakken bij spongieus bot meer gekarteld zijn is er ook minder compressie nodig daar de honinggraatstructuur in elkaar grijpt en stabiliteit verschaft. (20)

  9. Lokale invloeden ter hoogte van het receptorbed kunnen ombouwbevorderend of -remmend werken in functie van de vasculaire en de cellulaire omstandigheden.

    Zo zal lokale bestraling een ongunstig effect hebben op de osteoneogenese. Van deze eigenschap kan gebruikworden gemaakt bij het verhinderen van peri-articulaire verkalkingen na heuparthroplastie (23).

Interpositie van osteosynthesemateriaal of acrylaat, alsook sterke fibrose na herhaalde interventies in het transplantatiegebied hinderen de ingroei van bloedvaten in de botent.

Detritus van polyethyleen en acrylaat geven aanleiding tot botresorptie door macrofagen.

Acrylaatslijpsel en microscopische titaniumpartikels zouden de vrijzetting stimuleren van botresorberende cytokinen als interleucin, prostaglandine en tumornecrosisfactor (28).

Vanzelfsprekend beïnvloedt de algemene gezondheidstoestand van het transplantaat ontvangend individu alsmede zijn inname van kataboliserende medicijnen de ingroei van het bottransplantaat.

Bij bottransplantatie treedt in het receptorgebied mede vanuit het transplantaat osteogene inductie van pluri-potentiële niet-specifieke cellen op en osteoblastische metaplasie van zogenaamde pre-existente osteoprogenitorcellen

Dit zou aanleiding geven tot twee fasen in de transplantaatosteogenese dewelke met enkele weken tijdsverschil optreden. (3b)

Vooreerst worden de specifieke osteoprogenitorcellen actief waarna de pluri-potentiële niet-specifieke bindweefselcellen tot beenvormende cellen geïnduceerd worden. (3b).

De lokale vascularisatie is belangrijk in het creëren, door primitieve angioblastische cellen, van zogenaamde embryonale capillairen die het transplantaat penetreren langs pre-existerende Haversche kanalen waar ze de oppervlakten van de sinusoïden zullen gaan bekleden en tot osteoblasten en osteoclasten differentiëren. (50, 61, 62).

Deze osteoblastische metaplasie zou ondermeer veroorzaakt worden door stoffen vrijgemaakt uit necroserende botcellen in de zogenaamde ’cytokinensoep’. (10, 19).

Vasculaire invasie van autoloog spongieus bot in een goed doorbloed transplantatiebed bleek reeds op te treden drie dagen na de transplantatie (10).

Een kubusbormig autoloog spongieus botentje van 5 mm is na een week reeds volledig door nieuwgevormde vaten gepenetreerd als het in een goed gevasculariseerd gebied wordt ingeplant.

Dit wijst erop dat de vascularisatie 2 tot 3 mm per week kan voortschrijden in autologe spongieuze enten (10).

Burwell veronderstelt dat de nieuw-gevormde botcellen in de ent volgende voorname bronnen zouden hebben:

  1. Overlevende osteoblasten van het geënte bot aan de oppervlakte van het transplantaat, vooral waar toegang kan bestaan tot bloedvoorziening en zuurstof vanaf enkele uren of dagen na de transplantatie.

  2. Zeldzame geënte mergcellen en endotheliale cellen dewelke de medullaire sinusoïden aflijnen.

  3. Lokale weefselcellen ingroeiend uit het receptorbed zelf,de zogenaamde pre-existente osteoprogenitorcellen en niet-specifieke tot beenvorming induceerbare cellen. (3b, 10).

  4. Cellulaire elementen uit het bloed dat de ent bevloeit en dewelke tot osteoblasten kunnen differentiëren.

    Meerdere inducerende substanties die tot vaatingroei (vascularisation stimulating factor) en osteoblastische metaplasie (bone morphogenetic proteïns) voeren werden beschreven (14, 19, 61, 62).

    Sommige van deze produkten werden reeds geïsoleerd en kunnen worden aangemaakt (14).

We halen deze fundamentele theorieën en waarnemingen aan, op gevaar af bij de lezer open deuren in te trappen, omdat ze ons voeren naar het concept van bottransplantatie in de zin van een osteoplastische botspalk.

Het transplanteren van grotere gestructureerde autologe botenten brengt namelijk moeilijkheden met zich mee die we wilden omzeilen (18, 20, 21).

Hoewel homologe enten minderwaardig zijn op gebied van ingroei en ombouw kunnen ze, door fusie met het receptorbot, als steriele sekwesters voor behoud van structuur en functie van een skeletsegment zorgen.
(Zie fig. 16f, 16e).

Deze dienen ondermeer als opvulmiddel bij herstel van acetabulair botverlies ter gelegenheid van panrevisies, alsook bij massieve transplantaties na resecties van beenstukken (2, 35, 53) (Zie fig. 10c, 10d).

Geïmpregneerd met acrylaat vormt een massa kubusvormige kleinere fragmenten botbankmateriaal een soort composiet van acrylaat en gemineraliseerde dode botmatrix datossaal kan ingroeien ter hoogte van de contactplaatsen met een goed doorbloed beenderig transplantatiebed. (Zie fig. 10c, 10d).

Het gebruik echter van homoloog materiaal op functioneel belaste lokaties wordt, naast de trage ingroei, ook gehypothekeerd door een beduidend hoger infectierisico. (37, 43, 54).

Om de beenderige ombouw en ingroei van volumineuze homologe bot- en gewrichtstransplantaten te bespoedigen kan men zich voorstellende centrale spongieuze gedeelten van de homologe ent weg te nemen, de corticalis veelvuldig te perforeren en de inhoud te vervangen door autoloog spongieus materiaal zodat men een met autologe spongiosa opgevuld homoloog beenimplantaat bekomt. (56)
(Zie fig. 16c).

Bij dierproeven gebeurde de histologische ombouw en de consolidatie van massieve bottransplantaten in een dergelijke opstelling minstens drie maal sneller en vollediger dan bij homogene diepvriesenten.
(Zie fig. 1a, 1b, 2).

De penetrerende capillairen alsook de ingroei vanuit de beenderige contactplaats met het receptorbot zorgen na drie maanden voor revascularisatie en botvorming tot in het centrum van een gecombineerd autoloog-homoloog knietransplantaat met een doorsnede van 4 cm.
(Zie fig. 1a, 1b, 16f). (56)

Ook bleek 8 weken na de orthotopische implantatie bij dergelijk transplantaat de consolidatie met de receptor volledig, mits een stabiele osteosynthese die breed contactvan de ent met het receptorgebied toelaat (intra-medulaire compressie-osteosynthese) (56) (Zie fig. 16a, 16b, 16c, 16d).

De configuratie van dit soort enten komt overeen met wat we ons voorstellen bij een osteoplastische botspalk.

De corticale geperforeerde spongiosa houdende drager is dan vervangen door een vormgevend netwerk in materiaal dat na enkele maanden wordt geresorbeerd, enerzijds ruim contact van de inhoud met de omgeving toelaat en anderzijds mechanisch noch biochemisch interfereert met de osteoneogenese of de ingroei van vaten. (27)

 

TECHNIEKBESCHRIJVING

Voor een aantal orthopedische ingrepen werd een eenvoudig toe te passen en weinig mutilerende techniek bedacht om reconstructies van botdefecten of een fusie van botdelen te bewerkstelligen.

Uit praktische overwegingen en om het afnametrauma zo gering mogelijk te houden werden de crista iliaca of de proximale tibia als voorkeursplaatsen gehanteerd voor het winnen van autoloog spongieus botweefsel.

In voorkomende gevallen wordt een bottransplantataat verkregen uit het operatiegebied zelf.

Afhankelijk van de gewenste consistentie van de osteoplastische botspalk worden de transplantaten samengesteld uit grove of fijne botsnippers, kubusvormige fragmenten tot 5 mm diameter, desgewenst vermengd met botmeel en gebeurlijk aangevuld met lucifervormige cortico-spongieuze spaantjes.

De uiteindelijk verkregen botmassa wordt in een voorgevormd fijnmazig netwerk van polygalactide (Biokant®) (Zie fig. 14, 15a), een resorbeerbaar materiaal, bijeengebracht.
(Zie fig. 3a, 3b, 4a).

Dit kan bij middel van een spatel of een spuitcilinder die opgevuld worden met het botmateriaal zodanig dat dit gemakkelijk in het voorgevormde netwerk kan worden aangebracht.
(Zie fig. 15b, 15c).

Aldus wordt elke noodzakelijke vorm verkregen en kan het transplantaat ook op iedere gewenste lokatie met eenvoudige middelen (kirschnerdraden, schroefjes, cerclages of hechtingen) worden gefixeerd.

Gedurende de operatie kunnen meerdere van deze spalken worden vervaardigd. (Zie fig. 3, 4a, 4a’, 4b).

De spalken zijn manipuleerbaar en kunnen herhaaldelijk worden ingebracht en uitgehaald, desgewenst op eenvoudige wijze aangepast zonder dat er kostbaar autoloog bot verloren gaat.

Ook bij zeer bloederige ingrepen of waar spoelingen dienen te geschieden worden de kleine botfragmentjes op deze wijze niet verplaatst.Zo komen ze niet terecht in ongewenste (bv. epidurale) locaties zoals dit zou kunnen geschieden na uitgebreide laminectomie met aansluitende spondylodese. (Zie fig. 4a).

Kleine vaatclips of een speciale vlechtnaald zijn nuttig bij het vervaardigen en sluiten van bv. cilindervormige Biokant structuren. (Zie fig. 14).

Klinisch frequent voorkomende casuïstiek adstrueert de beschreven techniek.

  1. Degeneratieve aandoeningen van de lumbosacrale wervelkolom die een spondylodese vereisen.

    De osteoplastische spalk kan op eenvoudige wijze worden ingebracht ter hoogte van de gedecorticeerde processus transversi en er desgewenst op worden vastgehecht.

    De enten blijven dan ter plaatse ook in gevallen waar irrigatie en aspiratie dient te worden verricht en excessief bloedverlies plaatsgrijpt.
    (Zie fig. 4a, 4a’, 4a’’, 4b).

    Doorbouw en consolidatie trad bij alle30 gevallen op na verloop van drie maanden.

    Hierdoor volstaat, alleszins waar geen grove instabiliteit bestaat, een unilaterale fixatie met transpediculaire schroeven.
    (Zie fig. 4b).

  2. Ingewikkelde fracturen van het femur bij prothesehoudende femores met botverlies en eventueel recidiverende fracturen na pogingen tot herstel.

    De grote massa kwalitatief hoogwaardig autoloog spongieus bot die op de kritische locaties kan worden geconcentreerd bij middel van de osteoplastische botspalk bewerkt voldoende nieuw-botvorming om consolidatie van de fracturen met herstel van de femurdiafyse te bekomen..

    Dit gebeurt, ook in slechte trofische omstandigheden en na multipele interventies.
    (Zie fig. 7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 9a, 9b, 9c).

    Het ter plaatse houden van losse beenstukjes op de conventionele wijze zou na spoelingen en excessief bloedverlies vrijwel onmogelijk zijn daar de kleinere fragmenten dan gewoon worden weggewassen.

    Dit gebeurt niet in geval van contensie van deze enten bij middel van een osteoplastische botspalk.

  3. Reconstructie van de acetabulumwand en -rand bij dysplasie ter fixatie van acetabulaire prothesen.

    Onze techniek bij acetabulaire reconstructie wegens aplasie van het pandak bestaat erin een circulaire osteotomie van de mediale acetabulumwand te verrichten. Hierdoor kan de panbodemworden geprotrudeerd en wordt er een situatiegecreëerd waarbijde schroefring zich kan vastzetten in het circulaire osteotomievlak.

    Het beenderige acetabulum kan dan lateraal, dorsaal en ventraal nog worden uitgebreid door het aanbrengen van een osteoplastische botspalk die in de vrijliggende lateraal uitstekende schroefdraad van de titaniumring wordt ingeperst en met kirschnerdraden op het ileum bevestigd.

    De panbodem kan in dergelijk geval nog worden gesupplementeerd met minderwaardig homoloog materiaal uit de botbank. De contensie en belasting van de schroefring zal zich toch vooral ter hoogte van de schroefdraad op de panrand situeren.
    (Fig. 5a, 5b, 6a, 6b, 6b’).

  4. Reconstructie van de bekkenbodem en de acetabulaire wanden bij zeer zware protrusionele defecten na heuparthroplastie (Zie fig. 10a, 10b), als de omstandigheden een aanwending van autoloog materiaal verkieselijk maken in verband met een vluggere ingroei.

    De pan wordt met de osteoplastische spalk gereconstrueerd, eventueel gesupplementeerd met botbankmateriaal en acetabulaire armaturen type Eichler of Burch-Schneider.
    (Zie fig. 10c, 10c’, 10d, 10d’)

  5. Tibiadefect na zwaar trauma met ongunstige trofische toestand rondom het defectgebied kan worden behandeld met een tibio-fibulaire synostose.
    (Zie fig. 11a, 11b).

    In dergelijk geval zal met de osteoplastische spalk een ruime hoeveelheid kwalitatief hoogstaand autoloog spongieus bot kunnen worden ingeplant en de contensie ervan verzekerd ,exact op de gewenste plaats waar ruim contact met het gedecorticeerde receptorbot wordt gewenst.Deze methode is een alternatief voor diafysair transport volgens Ilizarow.

  6. Bepaalde enkel- en voetwortelpathologieën kunnen als behandeling een artrodese vereisen.
    (Zie fig. 12a, 12a’, 12b, 12b’).

    De incongruënte en partiëel necrotische oppervlakten der te artrodiseren structuren bemoeilijken de applicatie en incorporatie van botenten. Dit wordt beduidend eenvoudiger gemaakt door het gebruik van een osteoplastische botspalk, gevuld met autoloog rood beenmerg bevattende spongiosa. Pseudartrosen worden op deze wijze vermeden.

 

DISCUSSIE

Soms kan het volstaan om beensnippers gewoon rond een letsel of in een holte aan te brengen zoals bv. bij het opvullen van een botkyste.

Ter hoogte van functioneel belaste locaties is een snelle en volledige autologe botombouw vereist.

Waar de nood aan autologe spongiosa groot is en de beschikbare voorraad een spaarzaam gebruik ervan noodzakelijk maakt, de te reconstrueren structuren ingewikkeld van morfologie zijn en er overbruggingen dienen te geschieden waarbij een gedeelte van de ent vrij tussen de spiermassa ligt, bewijst de Biokant beenenttechniek goede diensten. Eveneens waar spoelingen en aspiraties het wegwassen van losse botentjes zouden kunnen veroorzaken.

De resorbeerbare draad die voor het netwerk gebruikt wordt interfereert niet met de osteogene inductie en bewaart haar vormgevende structuur een zestal weken ,waardoor organisatie van de enten in de gewenste morfologie gewaarborgd blijft. Hierna wordt de polygalactide afgebroken en verdwijntuit het operatiegebied.

Men kan suggereren om ook ander weefsel, geneesmiddelen of osteogene stoffen ter transplantatie in dergelijk netwerk aan te bieden.zoals we het zelf sinds jaren doen.Pees- en fasciaweefsel in eenBiokant netwerk aangebracht wordt veel handelbaarder in het verloop van pees- en bandplastieken.

Vetweefsel bv. kan worden aangewend ter voorkoming van vroegtijdige epifysaire schijf verbeningen volgens de techniek van Langenskjöld alsook ter voorkoming van recidieven na resectie van ankyloserende calcificaties als gevolg van totale heuparthroplastie.

Een voortgezette studie zal moeten aantonen of het mogelijk is om een osteoplastische botspalk door incorporatie van getransplanteerde vaten, eindstandig of in bypass, te veranderen in een gevasculariseerde botspalk, dit naar het voorbeeld van vrije vaatimplantaties in beenstukken. (30, 40, 41, 67).

Het komt ons voor dat het gebruik van de osteoplastische botspalk bij middel van Biokant® leidt tot optimaal gebruik en zuinigheid bij het transplanteren van kostbaar autoloog botmateriaal dat op minimaal traumatische wijze met aangepaste instrumenten uit de voornoemde predilectieplaatsen kan worden gewonnen.

Ook laat deze techniek toe om de bij bepaalde operaties ter beschikking komende autologe botfragmentjes uit het operatiegebied zelf volledig te benutten in het raam van reconstructies en spondylodesen zodat de ossale doorbouw op korte tijd met grote zekerheid kan worden verwezenlijkt.

We hebben de indruk dat hierdoor de hoeveelheid aanpermanentemetaalimplantaten en osteosynthesemateriaal , vooral in de lage rugchirurgie, kan worden beperkt.

TERUG NAAR BOVEN

Dr.L.Suda, orthopaedisch chirurg
Orthopaedische Polykliniek
Kortrijkse steenweg 724
9000 Gent (Belgium)
Tel: +32 (0) 9 222 27 03 – Fax +32 (0) 9 220 03 66
E-mail: info@flandersorthopaedics.com

ENGLISH

ABSTRACT

On behalf of extensive reconstructive bone surgery cortical and cancellous bone chips can be retrieved from pre-dilected donor sites by minor secundary operations.Very small bone fragments are of restricted value in repair of large bone defects or difficult bone fusions.
They can be very usefull and easy to manipulate if compiled in compound grafts as an ‘Osteoplastic bone splint’ (OBS).
The latter is performed by the use of the ‘Biokant® network’. The procedure is illustrated by clinical observations on operative cases, as well as by our own experimental investigations about the fate and behaviour of massive combined hollow joint grafts, used as carriers for autologous bone material. (56)

* Dr. L. Suda, orthopaedisch chirurg
Orthopaedische Polykliniek
Kortrijkse steenweg 724
9000 Gent (Belgium)
Tel: +32 (0) 9 222 27 03 – Fax +32 (0) 9 220 03 66
E-mail: info@flandersorthopaedics.com

 

INTRODUCTION ON THE PRINCIPLES OF CLINICAL BONE GRAFTING

In dayly orthopaedic practice, we are confronted with defects and resorption fenomena of the periprostetical bone, caused by “particulate” and “cytokine” disease and by stress shielding.
(Fig. 8a, 9b, 9c, 10a, 10b)

Fractures of the prosthesis bearing bones can be the result of these complications.
(Fig. 8a, 8b, 13a)

The repair of those lesions demand an important mass of bone. The implantation of wich can be very difficult as it has to match the morfological conditions.
(Fig. 7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8b’)

The same problem is posed by post-traumatic loss of diaphyseal bone stock (Fig. 11) and conditions, where arthrodesis (Fig. 12) or spondylodesis (Fig. 4) is needed, with important bridging distance or deficient congruity of the fusion surfaces.

Our clinical experience and experimental investigations (56) and the literature on bone transplantations prove that fresh cancellous autologous bone chips or cubes (in bone transplantation) or osteocartilaginous autologous grafts (in joint surface transplantations) of a ∅ of 3 to 5 mm have the best chances for ingrowth and transformation into autologous living bone.

That restricted volume of the graft allows a fast vascular penetration of the sinusoids (Haversian channels).

The insertion and fixation of this grafts is facilitated by an appropriated

technique of bone grafting as proposed in this communication.

Structured autologous vascularised bone grafts could be used ideally for the reconstruction of large bone defects.

A non structured mass of bone chips can however, under physiological conditions, be organized to the normal skeletal configuration of the transplant area according to Wolff’s law.

As for instance after transplantation in the femoral or tibial shaft. (12,66)
(Fig. 13a, 13b, 13c, 11a, 11b)

By their osteoconductive and osteo-inductive properties as by the release of vascularisation stimulating factors and transforming growth factors (TGF) in the so called “cytokine-soup”, arising around the graft, autologous bone chips surpass other forms of bone transplantation, a vascularized autotransplant excepted. (3a, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 46, 47, 48, 49, 52, 61, 62).

Such large vascularized bone transplantations are long and hasardous interventions with a high rate of complications in the transplant because of trombosis, spasms or torsion of the vascular pedicles
(1, 30, 31, 32, 40, 41).

The prelevation of massive and eventually vascularized autologous grafts demands interventions having their own complications for the patient.(16, 18).

At the prelevation site the rate of complaints attains ± 45 % of the cases.
They varies from disorders in sensitivity, defiguration and possible herniations through the prelevation site in the ilium,instability of the sacro-iliac joints and even fractures of the shaft of long bones as after removal of cortical grafts from the tibia (18).

Important blood loss can follow graft prelevation. (16).

The prelevation of autologous spongious bone chips on the contrary demands only minor interventions as we can obtain sufficient bone from the predilection sites by small trepanations using appropriate instruments.

The proximal tibia delivers 20 g of cancellous bone, the crista ilica posterior between 10 and 20 g.

The bone defect created by the graft taking procedure can easely be filled up with largely available bone bank material and fibrine or collagenous sponge to tamponate.

Autologous bone comes also available from the operation field itself during certain interventions.

As for instance from the proximal femur in hip arthroplasty andfrom the vertebral processi and laminae during spine interventions.

Speed of penetration of capillaries in homologous bone is 6 times less than in similar autologous grafts. (34, 35).

Equally unfavourable in homografts are immunological factors (8, 9, 23) and risk of infection (37).

At the end of the 19 century, Barth and Axhausen documented, on the hand of investigations in animals that autologous and homologous bone graft cells die after transplantation in clinical conditions.

Only rare cells can survive if they can obtain acces to the vascular bed of the receptor area after a few days.
(3a, 4).

The large majority of the cells involved in the so called “creeping substitution” are invading cells from the transplantation bed differentiating into osteoblasts (49).(Fig. 1a)

This means that the transplant is gradually resorbed by osteoclasts but simultaneously replaced by new bone tissue of the receptor, deposited on the dead trabeculae of the transplant. (Fig. 1a).

In his scrupulous documented research on bone transplantation (3a) Axhausen proposed a score of velocity of ingrowth and quantity of new formed bone in different types of bone transplantation.

The most favourable condition is presented by fresh autologous bone, less favourable is homologous fresh and frozen bone and very unfavourable are macerated bone and xenografts (3a).

The less favourable behaviour of homologous material and xenografts were attributed already in those days, to rejection fenomena arising from the host. (3a, 4, 5, 46).

Axhausen observed that the transplant act as a mould on which newly formed bone is deposited in contradiction to the theory of Ollier that free transplanted bone survived and could grow on its own. (4, 49).

Nowadays we know that the morphomeostasis of the skeleton is achieved by a lifelong process of bone resorption and reformation regulated by hormones and cytokines. (50).

Multiple factors have an influence on the ingrowth of the bone transplant.

Important in this matter are the following observations.

  1. The unfavourable immunological affinity of homologous material rises histocompatibility problems, more in fresh than in frozen or lyophylisated transplants (7, 8, 9, 10, 23).

    As a consequence vascularized homologous grafts are rejected if immunosuppression is ceased (1, 17, 27).

    The incorporation of fresh autologous grafts occurs as expected 6 times faster than of comparable sized homologous material (25).

  2. A diameter of 3 to 5 mm represents the ideal dimension of a not vascularized bone graft in relation to ingrowth and conversion to autologous bone.

    This in connection with the possibility of penetration of new capillaries in the old Haversian channels and the survival ability of a few transplanted cells.

    More bulky and compact grafts constitute a barrier against invading cells and tissue fluid.
    (3a, 8, 9, 10, 25, 45, 55)

  3. The greater permeability and porosity of cancellous grafts causes a 3 times faster incorporation and revascularisation than seen in cortical transplants of similar morphology(56).

    The revascularisation front progresses 2 to 3 mma week in the case of cancellous autologous fresh grafts in a well vascularized receptor location. (25, 55).

    Perforations of the bone graft in order to make it more “spongious” enhance the revascularisation. (22, 56, 57).

  4. The way of storage has influence on the osteogenetic proporties of the graft. (25).

    Incubation in tissue culture fluid gives good osteogenetic properties whereas storage in air for prolonged periods destroys the osteogenicity of the grafted cells.

  5. The osteogenesis in the graft can be enhanced by addition of osteogenic substances.

    For instance red autologous bone marrow impregnated in marrow free homologous spongiosa or macereted bone (10, 13, 24).
    Bone morphogenetic protein - RH/BMP/2 (14, 26, 33) Hydroxy-apatite (42), osteogenin containing gelatin (58), demineralized bone matrix (36, 60) all can positively influence the new bone formation in the transplant

  6. Good stability of the graft provides a better consolidation and conversion into autologous bone at the contact areas with the receptor bone.(20, 56).

  7. Infection prevents the consolidation and incorporationof bone grafts (8, 9, 10, 37). Clinical practice however shows that bone cavities, if well decorticated and curetted up to healthy bleeding bone can incorporate chips of fresh autologous cancellous red marrow containing bone even in a non sterile environment (50b).

  8. Exaggerated compression of the transplant obstruct the ingrowht of capillaries by making the graft less porous. (8, 9, 10).

    In clinical circumstances we prefer a compromise between need for stability and danger for vascular obstruction by compression.

    Compression osteosynthesis is performed on the compact bone mantle of the corticalis whereas the spongious bone is adapted and only slightly impacted so that the interdentations of the honeycomb structure can provide sufficient stability (20).

  9. ocal influences at the receptor site can have a stimulating or inhibitory effect according to the local vascular and cellular circumstances.

    For instance local ionising irradiation causes inhibition of osteoneogenesis, a phenomenon that can be used in the prevention of myositis ossificans peri-articularis complicating total hip arthroplasty. (23).

Interposition between graft and host of osteosynthesis material or acrylate,and fibrotic tissue after repeated interventions in the transplantation area inhibits the ingrowth of vessels in the bone transplant.

Detritus of polyethylene and acrylate provoces bone resorption by macrophages. Microsopic acrylate and metal (Titanium) particles stimulate the release of cytokines as interleucin 8, prostaglandine and tumoronecrosis factor (28) as osteoclast stimulating substances.

It can be assumed that the general health condition of the patient and the possible intake of catabolising pharmaka can influence the acceptance and ingrowth of the transplant.

Important events in bone transplantation are the osteogenic induction by the graft of pluri-potential non specific cells and osteoblastic metaplasia of the so called prae-existent osteoprogenitor cells.

These phenomena provoke two distinct phases of transplant neo-osteogenesis occuring with 2 to 3 weeks of interval. (3b).

At first we see an activation of specific osteoprogenitor cells and secondly after a few weeks pluripotential non specifice connective tisue cells undergo induction to bone forming cells (osteoblasts) (3b).

The local vascularisation is also important in the creation by primitive angioblastic cells, of so called embryonal capillaries. This vessels penetrate the graft through pre-existent Haversian channels and line the surface of the sinusoids differentiating into osteoblasts and osteoclasts. (50, 61, 62).

This osteoblastic metaplasia could be caused by substances released by necrotising bone cells creating the so called “cytokine-soup” (10, 19).

Vascular invasion of an autologous spongious bone graft in a well vascularized transplantation bed occurs already 2 to 3 days after transplantation (10).

After 1 week a spongious autologous cube of 5 mm Ø is fully penetrated by newly formed vessels if transplanted in a well vascularized environment.

This proves that revascularisation in autologous cancellous grafts can progress 2 to 3 mm in a week. (10).

According to Burwell new formed bone cells in the graft have the following important sources:

  1. Surviving osteoblasts of the graft on the surface of a transplant. In certain conditions where access to circulating blood and oxygen is available a few hours or a day after transplantation.

  2. Rare transplanted marrow cells and endothelial cells lining the sinusoids.

  3. Local fibrous tissue cells growing out of the transplantation bed.

    They can be identified as the so called osteoprogenitor cells and the non specific to bone formation inducible cells (3b, 10).

  4. Cellular elements in the blood who have the potential for differentiation into osteoblasts.

    Several inducing substances (cytokines) provoking vascular ingrowth (vascularization stimulating factor) and osteoblastic metaplasia (bone morphogenetic protein-RHBNP-2,e.a.) are investigated (14, 19, 61, 62).

    Some of these products are identified, isolated and can be produced by recombinant techniques (14, 25a).

We mention this fundamental theories and observations as they lead us to the concept of bone transplantation in the sense of a OBS.

Grafting of large autologous structuralbone segments do arise possible complications wich we trie to avoid. (18, 20, 21).

Homologous bone grafts are of inferior quality in respect of consolidation and incorporation.

However they can, as sterile sequestra, be fused to the receptor bone and preserve structure and function of a skeletal segment (Fig. 16f, 16e), acting as a prosthesis of biological material, capable of ingrowth and conversion into autologous bone tissue.

For instance as a filling and supporting material in the case of repair of bone loss in the acetabulum on the occasion of revisions of total hip prostheses or as replacement after resection of bone segments (2, 35, 53) (Fig. 10c, 10d).

Impregnated with acrylate, a mass of preserved bone cubes form a composite implant of acrylate and mineralized collagen bone matrix, capable of fusion with the host bone at the contact areas in a well vascularized transplantation bed.
(Fig. 10c, 10d).

The application of homologous material on functionally charged locations is complicated, besides the low ingrowth capacity by a significant higher risc of infection (37, 43, 54).

In order to accelerate the incorporation and auto-ossification of massive bone and joint transplants we could imagine to remove the central part of such homologous grafts leaving a multiple perforated shell graft as a “net” or “cage” and filling this hollow structure with autologous cancellous material. So we obtain a homologous structured skeletal implant filled with autologous cancellous bone. (56)
(Fig. 16c).

In such a configuration we could prove that the duration for histological reconversion into autologous material and consolidation was at least 3 times less than in homogenous not-combined deepfrozen total joint grafts.
(Fig. 1a, 1b, 2).

In the combined autologous -homologous perforated total joint graft model penetrating vessels give rise to massive osteogenesis in the center of a combined total joint transplant in a canine transplantation model in less than 3 months. (56) (Fig. 1a, 1b, 16f).

An orthotopically implanted knee joint graft appeared completely fused to the host bone in less than 8 weeks if the osteosynthesis technique allowed a broad contact area between graft and host bone and well vascularized muscle tissue (intra medullary compression osteosynthesis device) (56). (Fig. 16a, 16b, 16c, 16d).

The configuration of this kind of large anatomical structured grafts corresponds with the idea we had in the concept of the osteoplastic bone splint by means of a metabolisable carrier as the Biokant® network.

The cortical perforated and anatomical structure bearing the autologous spongiosa is than replaced by a formgiving network in a biodegradable material that disappears after a few months and does not hinder the contact between host and graft neither mechanically nor biochemically, and has no adverse effect on vascular ingrowth or neo-osteogenesis.(27).

MATERIALS AND METHODS

In a number of specific orthopaedic salvage operations we conceived a simple and non mutilating method for reconstruction of skeletal segments or for bone fusions.

From a pratical point of view and to proceed as atraumatically as possible the crista iliaca and the proximal tibia were chosen to procure autologous spongious bone.

In certain cases the bone transplants came available from the operation site itself.

Depending on the desired consistence of the OBS the transplants are composed by large or small bone chips, bone cubes ∅ up to 5 mm, eventually mixed with bone paste or supported by cortical match-like grafts.

The obtained bone mass is finally compiled in a polygalactide network with meshes of 3 to 5 mm ∅ (Biokant®) (Fig. 14, 15a, 3a, 3b, 4a).

In order to facilitate the procedure we can use an appropriate introducing spoon or syringe (Fig. 15b, 15c).

By that way every necessary form could be obtained and the transplant could be fixed on every desired location with K-wires, screws, cerclages or stitches.

During the operation different types and numbers of those OBS can be manufactured (Fig. 3, 4a, 4a’, 4b).

Those splints can be manipulated, brought in or removed and can be endlessly adapted or transformed without loss of precious autologous bone.(Fig. 4a).

Even in very hemorragic interventions or with use of pulse lavage and aspiration as in acetabular cemented reconstructions, the small bone chips are not washed out. In spinal interventions they can not be displaced into undesired localisations (epidural) after extensive laminectomies associated with dorsolateral spondylodesis.

Vascular clips and a special plait needle are used for manufacturing cylindrical Biokant® structures.
(Fig. 14).

Clinical examples may illustrate the described technique.

  1. In degenerative conditions of the lumbosacral spine not responding to conservative mesures were spondylodesis is indicated.

    The OBS can be inserted and fixed to the processi transversi.

    The chips remain in situ even after copious irrigation and aspiration or excessif hemorrage.
    (Fig. 4a, 4a’, 4a’’, 4b).

    Consolidation time was about 3 to 4 months and consolidation rate 100 %.

    This fast and high rate of consolidation permits the use of a unilateral transpedicular fixation device for de- generative disc and joint desease with only slight instability. (Fig. 4b).

  2. Fractures of the femur in prosthesis- bearing femores with important loss of bone stock and recurrent fractures after trials for osteosynthesis in largely osteonecrotic long bones.

    The large mass of high-quality autologous spongious bone with release of important amounts of osteogenic cytokines, concentrated on the critical locations by means of the OBS Biokant® induces enough new bone formation for reconstruction of those necrotic bones even in desesperate cases as can be seen after multiple interventions in bad trofic conditions.
    (Fig. 7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 9a, 9b, 9c).

    The fixation of loose bone chips in the conventional way is less secure and the small fragments could simply be washed out or displaced.

    This complication does not occur with the Biokant® method.

  3. Reconstruction of the accetabular roof and margins in case of dysplasia or congenital hip dislocation in order to fix acetabular prostheses.

    Our method in acetabular reconstructionfor this condition to facilitate the insertion of an acetabular screw cup, consists in a circular osteotomy of the acetabular inner wall.

    By protusion ofthat wall we create a new roof where a screw cup prosthesis can easely and firmly be brought in.

    Two rows of lamellae are well fixed in the circular osteotomy surfaces.

    The remainder of the cup outside the acetabulum is impregnated and covered by OBS fixed against the roughened peri-acetabular ilium bij Kirschner wires or bone screws.

    The acetabular bottom can be supplemented by more OBS eventually filled with less osteogenic bone bank material. (Fig. 5a, 5b, 6a, 6b, 6b’).

  4. Reconstruction of the acetabular bottom and walls in very large protrusional defects after total hip arthroplasty. (Fig. 10a, 10b).

    As the situation demands an at least partial autologous osteoplasty for a secure ingrowth in order to recreate a firm acetabulum capable of bearing an implant.

    The acetabulum is reconstructed by OBS eventually supplemented by bone bank material and secured by a antiprotrusional armature type Eichler, Muller or Burch-Schneider)
    (Fig. 10c, 10c’, 10d, 10d’).

  5. Important diaphyseal defects of the tibia with deficient trofical conditions or infection in the pseudarthrosis area can be treated with a tibio-fibular synostosis and doubling of the circumference of the fibulaat the tibial defect site.

    The OBS anables us to insert and fix the highly osteogenic spongious chips exactly on the critical places with full contact tothe decorticated fibular and tibial segments,releasing the osteogenic cytokines.

    Good external fixation makes immediate partial weight bearing possible. This method is an alternative for diaphysial transport by the Ilizarov method. (Fig. 11a, 11b).

  6. Certain ankle and tarsal pathologies ask for arthrodesis. (Fig. 12a, 12a’, 12b, 12b’).

    Deficient congruency and partial necrosis of the surfaces of the bones that are to be fused make the application of grafts difficult,and the concentration of osteogenic cytokines insufficient.

    The fusion possibilities are markedly improved by the use of OBS Biokant® filled with red marrow containing spongiosa in a sufficient amount.
    Pseudarthrosis can be avoided in difficult fusions with a large gap as was seen after resection of the talus
    Evenly in cases where the segments to reconstruct are complicated in shape, bridging of spaces is necessary and a large amount of grafted bone lies in connective or muscular tissue.
    The same in cases where aspirations or lavage of the operation site could remove chip-like grafts.

DISCUSSION

Filling a bone cyst can be done by simple packing of the defect with homologous bone chips.

In the case however of functionally loaded segments a fast fusion and fully rebuilding of the bone is necessary.

In circonstances where the demand for autologous bone is great and the available stock is restricted so that very carefull and thrifty handling of the grafts is necessary the Biokant® grafting technique is of great help.

The resorbable thread of the Biokant® does not interfere whith the osteogenic induction or conduction of the grafts and retains its form for about six weeks so that the organisation of the bone mass in the desired morphology can occur.

After that time the polygalactide disappears from the grafting location.

We make the suggestion ( and we preformed it many times during operations) to introduce other tissue, farmaka or osteogenic substancesby means of the Biokant®technique.Handling of tendon- and fascia transplants is extremely simplified if the transplantation material is envelopped in Biokant tissue.

For exemple a large mass of fat tissue in Biokant® applied around the hip joint after removal of peri-articular calcifications that were complications of a total hip arthroplasty.

These OBS avoid the recurrence of the peri-articular calcifications.Or fat tissue introduced to avoid partial closure of the epiphyseal disc in posttraumatic cases.

More studies should be undertaken to prove the possibility of making a vascularized Biokant bone splint by incorporation of vessels in the splint as was experimentally done in free vessel transplantation in bone. (30, 40, 41, 67).

We feel that the Biokantbone grafting method enables an optimal use and economy in the transplantation of precious autologous bone that can be harvested in a minimally traumatic manner from the predilection sites.

This technique facilitates the compilation and implantation of little bone fragments that are removed as a consequence of operative procedures as well, for instance in spine surgery.

They can be used in their totality in reconstructions and spondylodeses so that bone fusion and bridging is accomplished within a few months.

We hope that by this technique the amount of permanent metallic implants in the skeleton, particularly in spine surgery,could be diminished as the influence of this foreign material is neither fully understood noris it necessary.

BACK TO TOP

 

Dr.L.Suda, orthopaedisch chirurg
Orthopaedische Polykliniek
Kortrijkse steenweg 724
9000 Gent (Belgium)
Tel: +32 (0) 9 222 27 03 – Fax +32 (0) 9 220 03 66
E-mail: info@flandersorthopaedics.com