VERTEBROPLASTIE:

PMMA - Knochenzemente
(Autor: Thammo Weise)

In der Endoprothetik und Dentalchirurgie wird seit mehr als 40 Jahren Knochenzement auf PMMA-Basis erfolgreich eingesetzt. Der Kunststoff Polymethylmethacrylat (PMMA) wurde bereits 1902 durch den Chemiker Otto Röhm entwickelt und ist seither als Plexiglas bekannt. Die ausgezeichnete Biokompatibilität wurde indirekt im zweiten Weltkrieg festgestellt. Die Kuppeln vieler Flugzeuge wurden aus PMMA hergestellt, da es wesentlich einfacher zu formen war als Glas. Bei abgestürzten Piloten, die überlebt hatten, fand man bei Operationen noch Jahre später Plexiglassplitter, die sich zwar durch die Haut gebohrt hatten, aber keinerlei Abstoßungsreaktionen hervorriefen und somit eine grundsätzliche humane Akzeptanz bewiesen war.

Knochenzemente für die Vertebroplastie auf PMMA-Basis bestehen aus zwei Komponenten: Das pulverförmige Polymer besteht zu 60-70% aus Polymethylmethacrylat, 0,4-0,6% Initiator (Benzoylperoxid), 25-45% Röntgenkontrastmittel (Bariumsulfat oder Zirkondioxid) und zusätzlichen Bestandteilen wie Farbstoffen, Weichmachern oder Kalziumphosphatverbindungen (Hydroxylapatit). Das flüssige Monomer setzt sich aus 90-97% Methacrylat (MMA), 0,2-2,5% Aktivator und Zusatzstoffen wie Farbstoffen, Inhibitoren und Stabilisatoren zusammen*. Beim Vermischen beider Komponenten wird durch den Initiator eine Redoxreaktion ausgelöst, die freie Radikale erzeugt. Diese Radikale ermöglichen die Bindung des MMA an das pulverförmige PMMA und lösen so die Bildung extrem langkettiger Polymere aus. Zusatzstoffe wie Inhibitoren dienen zur zeitlichen Steuerung des Polymerisationsprozesses, Weichmacher, um das Implantat in Grenzen elastisch zu halten.

Während der Aushärtung wird eine Reaktionswärme von 57 kJ/mol freigesetzt, die eine Temperaturerhöhung an der Grenzschicht zwischen Implantat und Spongiosa auf 40-46°C bewirkt. Als Folge dieser primären Schädigung kann es in der Orthopädie zu Lockerungen und folglich Entzündungen kommen, bei der Vertebroplastie jedoch wird der Wärme eine schmerzlindernde Wirkung zugesprochen. Weiterhin kommt es im Verlauf der Reaktion zu einem Polymerisationsschwund, der, je nach Zellporosität, etwa 6-7 Vol.% beträgt und deshalb bei handgemischten Zementen geringer ist als bei vakuumgemischten. Gründe für die Volumenabnahme sind die physikalische Schrumpfung beim Abkühlen des Zements, aber auch 2-6% freiwerdende Monomergase, die nicht in die Reaktion eingebunden werden. Da diese Gase zelltoxisch sind, geht man davon aus, dass dadurch nozizeptive Nervenenden im Periost geschädigt werden und ebenfalls zur Schmerzreduktion beitragen. Tierexperimentelle Studien zeigten, dass die zur Röntgenopazität eingesetzten Substanzen eine osteolytische Wirkung auf den Knochen besitzen, wobei der Effekt beim Bariumsulfat deutlicher zu verzeichnen war als beim Zirkondioxid. Durch Verringerung der Anteile im Pulver, kann die osteolytische Wirkung reduziert werden, was aber auch den Röntgenkontrast verschlechtert. Eine Alternative ist die Beigabe von Hydroxylapatit, eine knochenähnliche Kalziumphosphatverbindung, das nicht nur die Osteoinduktivität des Implantats verbessert und damit das Entzündungsrisiko hemmt, sondern ebenfalls röntgenopak ist.

Untersuchungen an Personen, die in einem Monomergas exponierten Bereich arbeiten, haben gezeigt, dass die Reaktion sehr divergent ausfallen und demnach eine Verallgemeinerung schwer fällt. Grundsätzlich wird zwischen Bereichen unterschieden, die über einen langen Zeitraum permanent einer gewissen Monomerkonzentration ausgesetzt sind oder in denen, wie beispielsweise im klinischen Bereich, kurzzeitig sehr hohe Belastungen entstehen können. Entsprechende Richtlinien für den Arbeitsschutz folgen der Auffassung, dass sich kurzzeitig bis zu 100 ppm MMA und über einen Zeitraum von 8 Stunden nicht mehr als 50 ppm MMA in der Atemluft befinden sollten. Jedoch werden aus allen exponierten Berufsgruppen die unterschiedlichsten Reaktionen beschrieben, deren Auftreten jedoch nicht immer zweifelsfrei auf die Wirkung von MMA zurückzuführen ist. Diese können sich in Hautirritationen, Beeinträchtigung der Geruchswahrnehmung über ekzemartigen Ausschlag und Nasenschleimhautentzündung bis hin zu Asthma, chronischer Bronchitis und migräneartigem Kopfschmerz widerspiegeln. Ähnliche Forschungsergebnisse wurden auch hinsichtlich der Karzinogenität und Genotoxizität angestrebt, konnten jedoch ebenfalls keine einheitlichen Aussagen liefern.

Die Datenlagen beweist aber auch, dass davon auszugehen ist, dass eine gesundheitliche Gefährdung durch Monomergase in der Atemluft möglich ist. Beim Anmischen von PMMA basierten Zementen erfolgt deshalb auch im klinischen Bereich immer öfter ein Umdenken. Langfristig wird hier das Verwenden eines geschlossenen Mischsystems zum Standard. Neben den deutlich besseren Mischergebnissen hinsichtlich unvermischter Bestandteile, mechanischer Eigenschaften und Reproduzierbarkeit des Zements waren auch die kleinstmögliche Monomergasbelastung für SOMATEX® ein entscheidender Aspekt, bereits 2004 das SOMIX® Mischsystem im Markt zu etablieren und das Produktportfolio für die Vertebroplastie zu erweitern.

Herzlichst, Ihr Thammo Weise

* Die Volumenangaben entsprechen den Mengen bezogen auf die einzelnen Komponenten und nicht auf fertig gemischten Zement. Je nach Hersteller können Zusammensetzung, Mengenverhältnisse und insbesondere die Zusatzstoffe erheblich variieren.