AG Osteosynthese

Die AG Osteosynthese wurde von der DGOOC gegründet, um den Einfluss von Osteosynthesetechniken in orthopädischen Behandlungsverfahren abzubilden.

Historische Entwicklungen, aktuelle Techniken mit ihren Vor- und Nachteilen, zukünftige Trends und deren Erfolgsaussichten sollen durch die Arbeitsgemeinschaft aufgezeigt und zur Diskussion gebracht werden.

 

Leitung

Leiter der Arbeitsgemeinschaft

richter pd dr jens privat© J. RichterPD Dr. Jens Richter
Orthopädie und Unfallchirurgie
Marienhospital Gelsenkirchen GmbH
Akademisches Lehrkrankenhaus
Virchowstr. 135
45886 Gelsenkirchen
Tel. 0209 - 1723501
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Stellvertretender Leiter

stahl dr jens peter klein klinikum dortmund© Klinikum Dortmund gGmbHDr. med. Jens-Peter Stahl
Direktor der Klinik für Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie
- Zentrum für Schwerbrandverletzte -
Klinikum Dortmund / Klinikzentrum Nord
Münsterstraße 240
44145 Dortmund
Tel. 0231 - 953 18400
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Schriftführer

clasbrummel pd dr bernhard klein© B. ClasbrummelPD Dr. med. Bernhard Clasbrummel
Praxis Orthopädie
Königstr. 70
70173 Stuttgart
Tel. 0711 - 9979943
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Historie

Geschichte und Pioniere der Osteosynthese:

Der Begriff Osteosynthese impliziert zwei Wörter: „Knochen“ und „zusammensetzen“. Damit ist die Osteosynthese immer eng mit der Biologie des Knochens und seiner Umgebung, der Anatomie, verknüpft. Für das manuelle oder maschinelle Zusammensetzten werden technische Konstrukte benötigt, die wir Implantate nennen. Diese sind durch Materialeigenschaften, ihre biologische Verträglichkeit und durch ihre mechanischen Prinzipien charakterisiert. Aktuellsind folgende Implantat-Osteosyntheseverfahren relevant:

  • Cerclagen- oder Kabel-Osteosynthese
  • Schrauben–, Kirschnerdraht- und Klammer-Fixation
  • Platten-Osteosynthese
  • Fixateur-Osteosynthese (extern / intern)
  • Marknagel-Osteosynthese
  • Verbund-Osteosynthese

Die ersten Osteosynthesen erfolgten im 19. Jahrhundert; die heutigen Verfahren wurden in der Mitte bis Ende des 20. Jahrhunderts entwickelt. Maßgeblich hierzu hat die Arbeitsgemeinschaft für Osteosynthese (AO) beigetragen.

Pioniere sind Menschen, die ihrer Zeit voraus denken und Wege für zukünftige Verbesserungen sowie Entwicklungen bereiten. Erwähnen muss man in diesem Zusammenhang, dass alle modernen operativen Behandlungsmethoden erst möglich wurden, nachdem Anfang des 19. Jahrhunderts die Grundlagen für die Anästhesie und für die Asepsis im OP gelegt wurden. Im Folgendenwerden ausgewählte Pioniere aufgeführt, die im deutschsprachigen Raum und in EuropaOsteosyntheseverfahren vorangebracht haben:

Carl Hansmann (Deutscher Chirurg *1852– †1917)
Carl Hansmann war Deutscher Chirurg mit Tätigkeiten in Hamburg und Buenos Aires. Seit er auf dem Chirurgenkongress 1886 die Plattenosteosynthese (sog. Hansmannplatte) zur Knochenrekonstruktion vorschlug („blutige Frakturbehandlung“), gilt er als Pionier der Knochenosteosynthese. Damit ging er für seine damalige Zeit ganz neue Wege in der Knochenbruchbehandlung. En vogue war damals die Knochennaht mit Silberdrähten. Nachteile seiner Platten-Schraubenkonstruktion waren die ungenügende mechanische Festigkeit und die Entwicklung von „Bohrsequestern“ (abgestorbener Knochen, z.B. durch zu viel Hitze beim Bohrvorgang oder durch zu viel Druck auf das Knochengewebe). Angeregt durch die Probleme seines Verfahrens wies C. Hansmann schon früh auf die Möglichkeit der Winkelstabilität zur Verbesserung der Osteosynthesestabilität hin.
https://www.osteosynthese-institut.com/
Carl Hansmann: Eine neue Methode der Fixierung der Fragmente bei komplizierten Frakturen.
Verhandlungen der Deutschen Gesellschaft für Chirurgie 15 (1886), S. 134

Fritz König (Deutscher Chirurg *1866– †1952)
Fritz König war Deutscher Chirurg und Hochschullehrer mit Tätigkeiten in Marburg, Hamburg, Greifswald und Würzburg. Er heiratete die Schwester seines Mitassistenten Erich Lexer. F. König setzte sich für die offene Reposition von frischen geschlossenen Knochenfrakturen ein und war damit Vorreiter bzw. Promoter für einen Therapiewandel im Umgang mit Knochenbrüchen während seiner Zeit.Bis in die 30iger Jahre des letzten Jahrhunderts wurde in Unfallchirurgiezentren wie z.B. in Bochum und Wien lediglich 5% bzw. 3% aller Knochenverletzungen operiert. Darüber hinaus erfand F. König technische Verbesserungen für das operative Vorgehen, so z.B. eine Umführungszange für Drähte (Drahtosteosynthese) oder eine Knochenschieblehre zur Längenmessung bei Schraubosteosynthesen. Da es zu seiner Zeit noch keine Antibiotika gab, war die Osteosynthese für den Patienten in dieser Zeit oftmals ein riskanter Weg. Die antiseptische Hautbehandlung lag ihm zur Reduktion dieser Komplikation sehr am Herzen.
F. Povacz. Geschichte der Unfallchirurgie. 2. Aufl. (2007)
Springer Verlag S. 177

Albin Lambotte (Belgischer Chirurg *1866– †1955)
Albin Lambotte war Belgischer Chirurg, mit Tätigkeiten in Schaerbeek und Antwerpen. Er war ein Verfechter der operativen Therapie von tuberkulösen Knocheninfektionen, bezeichnete als einer der Ersten den operativen Vorgang der Knochenstabilisation als „Osteosynthese“ und er entwickelte Implantate sowie Instrumente für die Knochenbehandlung. Nach ihm ist der allseits bekannte „Lambotte-Meißel“ benannt. Durch seine ersten Osteosyntheseimplantate erkannte er das Problem der Metall-Korrosion und deren Nachteile für die Knochenheilung. Daraufhin beschäftigte er sich mit biodegradierbaren Implantaten. Lambotte dokumentierte seine Frakturbehandlungsfälle und Osteosynthesen schon früh durch Zeichnungen. So entstanden seine beiden Lehrbücher. 1921 gründete er die Belgische Gesellschaft für orthopädische Chirurgie.
R. Baumgartner: Die Osteosynthesen von Lambotte zwischen 1895 und 1907.
In: Geschichte operativer Verfahren an den Bewegungsorganen. Hrsg. Michael A. Rauschmann, Klaus-Dieter Thomann, Ludwig Zichner. Springer Verlag (2000), S. 21–29

Martin Kirschner (Deutscher Chirurg *1879– †1942)
Martin Kirschner war Deutscher Chirurg und Hochschullehrer, mit Tätigkeiten in Berlin, München, Greifswald, Königsberg, Tübingen und Heidelberg. Sein Name ist eng mit der Entwicklung des rotierenden Bohrdrahtes verbunden (angespitzter Stahldraht, einbringen durchschnelle Rotationen mittels Kirschnerschem Bohrgerät oder Drahtnagler nach Kirschner). Der sog. K-Draht wird noch heute in verschiedenen Längen und Durchmessern für Fraktur-Extensionen und Osteosynthesen routinemäßig verwendet. Weiterhin war M. Kirschner Mitbegründer der Fachgesellschaft für Chirurgie.
Christoph Weißer: Die Knochenbruchbehandlung bei Martin Kirschner und die Entwicklung des „Kirschnerdrahtes“. Anmerkungen zu einer genialen Idee in der Chirurgie. Würzburger medizinhistorische Mitteilungen. 12, 1994, S. 5–18.
W. Huber. Historical remarks on Martin Kirschner and the development of the Kirschner (K)-wire. Indian J PlastSurg January-June 2008 Vol 41 Issue 1; http://www.bioline.org.br/pdf?pl08021

Robert Danis (Belgischer Chirurg *1880– †1962)
Robert Danis war Belgischer Chirurg und Hochschullehrer, mit Tätigkeit in Brüssel. Sein Name ist mit der Weiterentwicklung der Plattenosteosynthese von der reinen Fixation zur einer Kompressionsplatte und mit einer 3-Stufen-Klassifikation von Sprunggelenksfrakturen (später Weber-Danis oder auch AO) verbunden. Sein 1949 erschienenes Buch „Théorie et Pratique de l'Ostéosynthèse“ inspirierte später M. Allgöwer (s.u.) zur Gründung der Arbeitsgemeinschaft für Osteosynthese (AO). Als Erster erreichte er durch seine stabile Kompressionsplattenosteosynthese eine kallusfreie Frakturheilung ohne Immobilisation.
Danis R. Les fractures malleolaires. In: Danis R. Theorie et pratique de l’osteosynthese.
Masson et Cie, Paris, 1949.

Gerhard Küntscher (Deutscher Chirurg *1900– †1972)
Gerhard Küntscher war Deutscher Chirurg, mit Tätigkeiten in Jena, Freiberg, Kiel, Hamburg und Flensburg sowie im Lazarett während des 2. Weltkriegs. Durch Experimente erkannte er den Kraftfluss von Nagelosteosynthesen im Röhrenknochen und konnte dies durch die spätere Erfindung eines geschlitzten Hohl-Marknagels für die Frakturheilung verbessern. Im Gegensatz zur komplikationsträchtigen Plattenosteosynthese verlief die Knochenheilung nach der intramedullärenMarknagelosteosynthese erfolgreicher, bzw. komplikationsärmer ab. Internationales Aufsehen erregte seine Nagel-Osteosynthese bei einem britischen Fallschirmspringer. Englische Ärztewerteten die zu dem damaligen Zeitpunkt kaum bekannte Nagelung bei ihrem Landsmann erst als einen Verstoß gegen die Genfer Konventionen, wurden jedoch durch die schnelle und unkomplizierte Knochenheilung von den Vorteilen des Verfahrens überzeugt. Mit Ernst Pohl beschrieb Küntscher eine intramedulläreBolzung zur Osteosynthese am Oberschenkelknochen. Anfang der 40iger Jahre wurde seine Behandlungsmethode, die ein Eröffnen der Fraktur entbehrlich machte, auf dem deutschen Chirurgenkongress heftig und kontrovers diskutiert. In der Mehrheit wurden zum damaligen Zeitpunkt Frakturen entweder konservativ oder mittels Fraktureröffnung offen reponiert und mit einer Platte stabilisiert. Die Markhöhle eines Röhrenknochens galt damals als dessen Herz, das der Chirurg nicht antasten durfte. Das Prinzip der elastischen Marknagelverklemmung in einem Röhrenknochen war den allermeisten (Knochen)Chirurgen wenig bekannt und fast schon unheimlich. Neu an dem weiter entwickelten Nagel war vor allem, dass dieser nicht nur hohl, sondern auch noch geschlitzt war, wodurch die Verklemmung in der geschlossenen Knochenröhre bei entsprechendem Nageldurchmesser erzielt wurde.Aus Problemen lernen: Küntscher erkannte schon früh, dass sein „Klemmnagel“ bei Mehrfragmentbrüchen und gelenknahen Frakturen keine ausreichende Stabilität, bzw. zu viel „Unruhe“ im Frakturspalt verursachte. Um die Indikationsliste für seine Nagelosteosynthese zu erweitern, wurde der Verriegelungsnagel mit Querschrauben ober- und unterhalb der Fraktur erfunden. Obwohl G. Küntscher bis zu seinem Tode über 75 peerreviewed Artikel über und zur intramedullären Osteosynthese veröffentlichte, fand er für seine Leistungen in der deutschsprachigen Literatur im Vergleich zu Mitgliedern der AO weniger Anerkennung.
Die Bedeutung der Darstellung des Kraftflusses im Knochen für die Chirurgie. Archiv für klinische Chirurgie 182 (1935), S. 489–551
W. Lentz. 40 Jahre Marknagelung nach Küntscher. Langenbecks Archiv für Chirurgie (1980)

Walter Putnam Blount (Amerikanischer Orthopäde *1900 – †1992)
W.P. Blount war amerikanischer Orthopäde und Chirurg. Durch die intensive Arbeit über Wachstumsstörungen (Erlacher-BlountSyndrom) und dem kindlichen O-Bein, beschäftigte er sich u.a.mit der operativen Therapie von Beinlängenunterschieden und verwendete dafür Stapels, die die Wachstumsfugen überbrückten. Das Verfahren war als Alternative zur (aufwendigeren) Osteotomie gedacht. Nach ihm sind die noch heute verwendeten Klammer-Stapels mit verstärkter Schulter benannt.
Blount WP. Clarke GR. Control of bone growth by epiphyseal stapling; a preliminary report. J Bone Joint Surg Am. 1949 Jul;31A(3):464-78.

Martin Allgöwer (Schweizer Chirurg *1917– †2007)
Martin Allgöwer war Schweizer Chirurg und Hochschullehrer, mit Tätigkeiten in Basel, Chur und Graubünden. Sein Name ist fest mit der Entstehung der Arbeitsgemeinschaft Osteosynthese (AO) verbunden. Martin Allgöwer gehörte zu deren Gründungsmitgliedern. Auf seine Initiative geht die Errichtung eines Forschungslabors (in Davos) zurück. Er trat für die idealistische Idee einer optimalen Versorgung von Unfallopfern und für die Schulung von Chirurgen ein. Eine weitere Philosophie der AO war die exakte Reposition und Osteosynthesestabilität für eine primäre Knochenheilung (wenig Kallus) und der Möglichkeit zur frühzeitigen funktionellen Nachbehandlung. Aus Fehlern lernen: Mit der offenen Reposition war nicht nur ein großer operativer Zugang, sondern oftmals auch eine Schädigung der Knochenhaut (Periost) sowie der Gefäßzufuhr zum Knochen verbunden. Eine im Vergleich zur Marknagelosteosynthese höhere Infektions- und Pseudarthrosenrate, gerade am Unterschenkelknochen, waren die Folge. Zwei wichtige Entwicklungen wurden von der AO daher in den 80iger Jahren auf den Weg gebracht: Platten mit reduzierter Auflagefläche (sog lowcontactplate Konzept; LCP) und der ideologische Verzicht auf eine „wasserdichte“ Osteosynthese, gekoppelt an die Technik der indirekten Reposition sowie der perkutanen (weichteilschonenden) Einbringung des Plattenimplantates (sog. MIPO-Technik = minimal-invasive Platten-Osteosynthese).
F. Povacz. Geschichte der Unfallchirurgie. 2. Aufl. (2007) Springer Verlag S. 213
Müller, M.E., M. Allgöwerund H. Willenegger.Manual der Osteosynthese. AO-Technik.Berlin: Springer, 1969

Maurice Edmond Müller (Schweizer Chirurg *1918– †2009)
Maurice Müller war Schweizer Chirurg und Orthopäde, mit Tätigkeiten in Zürich, Liestal, St. Gallen, Bern. Müller war Initiator und Mitbegründer der Arbeitsgemeinschaft für Osteosynthese (AO) 1958. Die Erarbeitung von Prinzipien für die Osteosynthese bei Erwachsenen war der Grundgedanke. Ein Ziel war die funktionelle Nachbehandlung von Knochenbrüchen. In folgenden Jahren setzte M.E. Müller auch eine Idee zur Behandlung von instabilen pertrochantären Femurfrakturen erstmals um, als er die fehlende mediale Abstützung durch die Herstellung eines Knochenzement-Implantate-Verbunds zur Verbesserung der Primärstabilität einführte. Die Osteotomien und die Endoprothesen des Hüftgelenks wurden neben den Aufgaben für die AO der Schwerpunkt seiner ärztlichen Tätigkeit.So entwickelte M.E. Müller in Kooperation mit Robert Mathys sen. den nach ihm benannten zementierten Hüftprothesenschaft.
Müller, M.E., M. Allgöwerund H. Willenegger.Manual der Osteosynthese. AO-Technik.Berlin: Springer, 1969

Gawriil Abramowitsch Ilizarow (Russischer Orthopäde *1921– †1992)
Der russische Orthopäde und Chirurg G.A. Ilizarow kam 1950 nach Kurgan/UDSSR. Inspiriert von der Gespannaufhängung seiner Pferdekutsche und mangels traumatologischer Implantate entwickelte er Anfang der 50iger Jahre im letzten Jahrhundert den nach ihm benannten Ilizarov-Ringfixateur. Er sagte selbst darüber: „Eine Methode, aber 300 Anwendungsmöglichkeiten“. Mit dem Ringfixateur war die geschlossene Knochenbruchstabilisation und eine frühe Mobilisation bei seinen Patienten möglich. Später entdeckte er die Möglichkeit, frakturierte oder osteotomierte Knochen auseinander zu ziehen(Geweberegeneration) und bei entsprechend langsamer Distanzgeschwindigkeit füllte sich der Defekt von autolog mit neuem Knochen auf (Kallusdistraktion). Die Knochenverlängerung und der Segmenttransport wurden so erfunden. Das Verfahren revolutionierte die Möglichkeiten zur Knochen-Regeneration, Achsenkorrektur und zur Knochendefektbehandlung. Umgekehrt konnte man mit dem Ringfixateur auch eine Kompression (Verkürzung) ausüben, um so z.B. Pseudarthrosen auszuheilen. Das nach ihm benannte Verfahren wurde erst in den 90iger Jahren in der westlichen Medizin bekannt. Der Stern berichtete über das erfolgreiche Patientenbehandlungsverfahren durch den Russischen Orthopäden.
G.A. Ilizarov. TransosseousOsteosynthesis - Theoretical and Clinical Aspects of the Regeneration and Growth of Tissue. Editor: Stuart A. Green. Springer, Berlin Heidelberg 1992

Timothy James Herbert (Englischer Handchirurg *1941)
T.J. Herbert ist Englischer Handchirurg, mit Tätigkeiten in London und Sydney. Er und W. E. Fisher entwickelten zusammen Ende der 70iger Jahre eine Spezialschraube mit doppelter Gewindeanordnung für die Osteosynthese von Kahnbeinfrakturen des Handgelenks. Das Doppelgewindekonzept kommt eigentlich aus dem Fensterbau oder aus dem Trockenbau, wo diese mit gleicher Gewindesteigung als „Abstandsschraube“ Verwendung finden. DieKompression wird mechanisch durch die unterschiedlichen Gewindesteigungen zwischen der Schraubenspitze und dem Schraubenkopf verursacht. Dadurch gelingt beim Eindrehen in den Knochen eine Kompression. Dagegen muss für das Gleitloch in der AO-Technik eine zweite Bohrung gesetzt werden. Außerdem zieht sich der kopflose Schraubenkopf mit dem Gewinde in den Knochen hinein. Er wird dadurch im Knochen versenkt und steht nicht mehr über, wie es bei klassischen Kopfschrauben üblich ist. Das Implantat muss deshalb i.d.R. nicht mehr später entfernt werden. In anatomisch filigranen Regionen, mit wenig Weichteilbedeckung oder sehr enger Nachbarschaft zu anderen Gelenken, bietet diese kopflose Schraubenkonstruktion enorme Vorteile. Das Kompressionsprinzip erhöht die Stabilität und reduziert die Notwendigkeit für eine lange Immobilisation. In Verbindung mit einem zentralen Loch kann die Spezialschraube kanüliert (drahtgeführt) eingebracht werden. Dies vereinfacht und beschleunig den Operationsvorgang. Das Kompressionsschraubenprinzip wird mittlerweile nicht nur am Kahnbein angewendet. Die Indikationen wurden auf andere Körperregionen, wie z.B. den Fuß, ausgeweitet.
S. L. FILAN und T. J. HERBERT: Herbert screw fixation of scaphoid fractures. J. Bone Jt Surg. 78-B, 519–529, 1996

Lutz Claes (Deutscher Maschinenbauingenieur *1944)
Lutz Claes leitete von 1988 bis 2009 das Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik in Ulm und den deutschlandweit ersten Lehrstuhl für Biomechanik. Zu seinen herausragenden Entwicklungen gehört der PolyPin®. Hierbei handelt es sich um ein resorbierbares Implantat, das biologisch im Körper verträglich ist, genügend Steifigkeit während der Operation mitbringt und die Festigkeit erst langsam durch Biodegradationsprozesse verliert. Weiterhin ist es auf dem Röntgenbild nicht sichtbar und provoziert auf MRT-Aufnahmen keine störenden Artefakte. Dem Patient soll durch das resorbierbare Fixationsmaterial ein zweiter OP-Eingriff zur Implantatentfernung erspart werden.
L. Claes A. Ignatius. Entwicklung neuerbiodegradabler Implantate. Chirurg 2002 73:990–996

Ausblick

Die obige Liste ist nur ein Ausschnitt zu wichtigen Pionieren und hat nicht den Anspruch auf Vollständigkeit. Während Anfang des letzten Jahrhunderts wichtige Neuerungen noch Einzelpersonen zugeschrieben werden, rückt die Arbeit von Forschungsinstituten in den letzten Jahren immer mehr in den Vordergrund. Der wissenschaftliche Output der Forschungsinstitute (z.B. Unfallchirurgische und Biomechanik Ulm oder AO Forschungsinstitut in Davos oder die Fraunhofer-Institute sind für die modernen Entwicklungen der Osteosyntheseverfahren in den letzten Jahren mehr und mehr verantwortlich. Die zukünftigen Herausforderungen lassen sich immer weniger von Einzelpersonen erfolgreich lösen. Die Teamarbeit von Ingenieuren, Medizinern und Wissenschaftlern verschiedener Gebiete ist heute gefragt, um Entwicklungen moderner Implantat-Oberflächen, Biomaterialien, Verankerungskonzepte u.a. voranzutreiben.

Während röntgenunsichtbare und biodegradable Implantate in der Praxis nur selten zur Anwendung kommen, haben sich moderne anatomisch geformte Plattenimplantate, Titanoberflächen (bei Platten und Schrauben) und das Prinzip der Winkelstabilität mehr und mehr in Deutschland durchgesetzt. Weitere Fortschritte der Osteosynthesen wurden durch digitale (präoperative) Planungstools in Verbindung mit eichbaren Röntgen- und CT-Aufnahmen eingeleitet, einschließlich der Navigation.

Die Option einer intraoperativen Qualitätskontrolle durch dreidimensionale Bildgebungstechniken zum Ausschluss von Implantatfehlpositionierungen in komplexen Körperregionen (z.B. Wirbelsäule, Becken, Gelenke)hat eine Zukunft, da Qualitätssicherung in der Medizin einen nicht wegzudenkenden Stellenwert hat. Konzepte zur Minderung von Implantat assoziierten Wundinfekten (SSI) sowie moderne Oberflächenbeschichtungen zur Infektbehandlung oder zur Verbesserung der Knochenheilung zeigen erste Fortschritte. Teamarbeit und aufwendige Zulassungsverfahren machen Neuentwicklungen immer kostenintensiver. Dazu gehört auch die Entwicklung von Mikroelektronik-Sensoren auf bzw. in Implantaten bzw. die Entwicklung von theranostischen Implantaten.

www.fraunhofer.de/de/forschung/fraunhofer-initiativen/fraunhofer-leitprojekte/fraunhofer-theranostische-implantate.html
V. Schwachmeyer, P. Damm, A. Bender, J.Dymke, F. Graichen, G. Bergmann In Vivo Hip Joint Loadingduring Post-Operative PhysiotherapeuticExercises. PLOS ONE October 2013 | Volume 8 | Issue 10

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