Kennen Sie die Geschichte der Marknagelung?

Das Aufkommen des Marknagels revolutionierte die Behandlung von Brüchen langer Röhrenknochen. Obwohl die Technik schon seit Jahrhunderten existierte, erreichte sie ihren heutigen Status erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts.

Der Weg zum Erfolg war nicht immer einfach, da die Technik in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts bei vielen Gelehrten auf Skepsis und Widerlegung stieß. Heutzutage ist die intramedulläre Nagelung durch Innovationen in der Metallurgie, den chirurgischen Techniken und den fluoroskopischen Fähigkeiten zum Standard für die Behandlung von Brüchen langer Röhrenknochen geworden.

Fortschritte im biomechanischen Wissen des Menschen haben die Schaffung dieses modernen Designs ermöglicht. Die moderne Marknagelung zeichnet sich durch niedrige Infektionsraten, minimale Narbenbildung, gute Frakturstabilität und sofortige Mobilität des Patienten aus.

Der in diesem Artikel durchgeführte historische Rückblick zielt darauf ab, die Entwicklung des Marknagels zusammenzufassen, seine wichtigen Meilensteine ​​hervorzuheben, die Zeitatmosphäre der ersten Verwendung und der anschließenden Entwicklung des Marknagels darzustellen und die Stellung des Marknagels in der modernen Orthopädie und Traumatologie vorzustellen (z. B. Abbildung 1).

Die Geburt des Marknagels

Die alten Ägypter verwendeten erstmals ein intramedulläres Gerät, das einem Nagel ähnelte. Eine komplexe chirurgische Frakturversorgung hätte es vor so vielen Jahren kaum gegeben.

Sicher ist jedoch, dass die alten Ägypter über großartige Einbalsamierungstechniken verfügten, die auf ihrem Glauben an die Auferstehung des Körpers im Jenseits beruhten.

Dies war bei der Mumie namens Usermontu der Fall, die in Tutanchamuns Grab gefunden wurde, wo ein Gewindenagel zwischen Oberschenkelknochen und Schienbein eingeführt wurde, um das Kniegelenk zu stabilisieren (wie in Abbildung 2).

Archäologen spekulieren, dass es sich bei der Mumie im Sarkophag nicht um Usermontu selbst handelte, sondern um jemand anderen, der 600 v. Chr. von antiken Grabräubern ersetzt wurde.

2000 Jahre später berichtete Bernardino de Sahagun, ein Anthropologe auf der Hernando Cortes-Expedition, über den ersten Einsatz von Marknägeln bei einem lebenden Patienten in Mexiko.

Im Jahr 1524 wurde er Zeuge, wie ein aztekischer Knochenchirurg (mit Namen „Tezalo“) eine Osteotomie mit einem Obsidianmesser durchführte und dann einen Harzstab in die Markhöhle einführte, um die Fraktur zu stabilisieren. Aufgrund des Mangels an geeigneten Operationstechniken und Antiseptika wiesen diese Eingriffe eine hohe Komplikationsrate und eine hohe Sterblichkeitsrate auf.

1800er: Erste Schritte

Um die Mitte des 19. Jahrhunderts berichteten die ersten medizinischen Fachzeitschriften über Marknagelungen. Berichten zufolge verwendeten Diefenbach, Langenbeck, Bardenheuer und andere deutschsprachige Chirurgen Elfenbeinnägel im Mark langer Knochen, um Knochenbrüche zu behandeln.

Unterdessen führte Nicholas Senn aus Chicago, ein Forscher und begeisterter Militärchirurg, Experimente mit intramedullärer Fixierung durch. Zur Behandlung einer „Pseudarthrose“ nach einer Fraktur verwendete er eine hohle perforierte Schiene aus Rinderknochen und führte sie in das Mark ein.

Im Jahr 1886 beschrieb der Schweizer Heinrich Bircher bei einem chirurgischen Treffen das Einsetzen von Elfenbeinnägeln in das Mark zur akuten Behandlung komplexer Frakturen (Abbildung 3).

Einige Jahre später schuf Themistokles Gluck in Deutschland den ersten Marknagel aus Elfenbein mit einem Loch am Nagelende und führte damit erstmals das Konzept der Verriegelung ein.

Im gleichen Zeitraum schrieb Julius Nicolaysen aus Norwegen als erster über die biomechanischen Prinzipien der intramedullären Nagelung proximaler Femurfrakturen. Er betonte die Notwendigkeit, die Länge des Marknagels zu erhöhen, um einen größeren biomechanischen Vorteil zu erzielen und fast den gesamten Knochen zu schützen.

Er war auch der Erste, der das Konzept der proximalen und distalen Nagel-/Knochenverriegelung zur Gestaltung einer statischen Verriegelung vorschlug. Er wird von einigen Gelehrten als Vater der Marknagelung angesehen.

Mitte des 19. Jahrhunderts hatten Pioniere wie Ignaz Philipp Semmelweis in Wien und JosephLister in Glasgow den Grundstein für die chirurgische Sterilisation gelegt. Dies war eine bahnbrechende Leistung, da sie die Entwicklung neuer Operationstechniken unter aseptischen Bedingungen ermöglichte.

1900er: Evolution

Im Jahr 1912 war der britische Chirurg Ernest Hay Groves der erste Chirurg, der einen massiven Metallstab als Marknagel verwendete, und war ein Pionier des retrograden Marknagelansatzes.

Seine Erfahrungen sammelte er im Ersten Weltkrieg, als er Patienten mit infizierter Pseudarthrose behandelte, die sich gegen eine Amputation ihrer Gliedmaßen sträubten. Er beschrieb nicht nur die erste intramedulläre Nageltechnik, die eine Osseointegration durch minimales Trauma ermöglichte, sondern beherrschte auch die Verwendung intramedullärer Nägel und kleinerer Nägel zur Fixierung von Frakturen.

Er experimentierte mit Implantaten aus Aluminium, Magnesium und Stahl und erkannte die Bedeutung der Biomechanik bei der Frakturheilung. Dennoch litt die Technik von Ernest Hay Groves unter einer hohen Infektionsrate und war daher bei seinen Zeitgenossen nicht so beliebt.

Im Jahr 1931 stellte Smith-Petersen, ein amerikanischer orthopädischer Chirurg, eine dreiflügelige Edelstahlschraube zur Behandlung von intraartikulären Kapsel-Femurhalsfrakturen vor. Er entwarf einen offenen Zugang, der das vordere Drittel des Beckenkamms einschnitt, entlang der Vorderkante des breiten Faszienspanners in das Operationsfeld eindrang, dann die Fraktur neu positionierte und mit einem Impaktor die Edelstahlschraube in den Femurkopf trieb (Abbildung 4).

Aufgrund des Erfolgs der Smith-Petersen-Studie begannen viele Chirurgen, mit Metallimplantaten zur Behandlung von Frakturen zu experimentieren. Sven Johansson erfand 1932 den hohlen Marknagel; Seine geniale Innovation nutzte eine Schnittnadel, die eine kontrollierte, radiologisch gesteuerte Einführung des Marknagels ermöglichte. Die von ihm verwendeten technischen Kernkomponenten sind noch heute im Einsatz.

Rush und sein Bruder gingen noch einen Schritt weiter und führten 1937 das Konzept des elastischen Marknagels ein.

Sie verwendeten einen elastischen, vorgebogenen Marknagel aus rostfreiem Stahl und versuchten, eine intramedulläre Dreipunkt-Fixierungsstruktur zu schaffen, um der Tendenz zur axialen Verschiebung um die Fraktur herum entgegenzuwirken.

In ihrem Konzept fungiert der intakte Weichteilbereich als Zugband, das der durch den vorgebogenen elastischen Nagel erzeugten Spannung standhält. Ihre Konstruktion war durch die elastischen Eigenschaften von Edelstahl begrenzt, die sich schon früh von einer elastischen Verformung zu einer plastischen Verformung änderten. Letzteres kann zu einer sekundären Verschiebung und Heilung der Deformität führen.

Darüber hinaus neigen Marknägel dazu, am Eingang auszutreten oder spongiöse Knochenstrukturen zu durchdringen oder sogar innerhalb des Gelenks zu perforieren. Dennoch nutzte der Wiener Gelehrte Ender diese Technik weiterhin als Grundlage für die Ender-Schule der Frakturfixation und sie wird auch heute noch zur flexiblen Fixierung von Kinderfrakturen eingesetzt.

Knochenmarknagel

Im Jahr 1939 entwickelte der für den Nobelpreis nominierte deutsche Chirurg Gerhard Küntscher einen Marknagel aus rostfreiem Stahl zur Behandlung von Frakturen des Femurschafts.

Küntscher und andere ließen sich von den Edelstahlschrauben von Smith-Petersen inspirieren, die zur Behandlung von Schenkelhalsfrakturen verwendet wurden, und glaubten, dass die gleichen Prinzipien auf Schaftfrakturen angewendet werden könnten. Der von ihnen entwickelte Marknagel hatte zunächst einen V-förmigen Querschnitt und einen Durchmesser von 7–10 mm.

Nach Studien an Leichen und Tieren stellte er 1940 auf einem chirurgischen Treffen in Berlin den Marknagel und den chirurgischen Ansatz vor. Zunächst wurde seine Innovation von seinen deutschen Kollegen belächelt, obwohl seine Methode nach dem Zweiten Weltkrieg an Popularität gewann.

Hippokrates (460-370 v. Chr.), der altgriechische Arzt, der oft als Vater der Medizin bezeichnet wird, sagte einmal: „Wer eine Operation durchführen will, muss in den Krieg ziehen“; das gleiche galt für Küntscher.

Während der NS-Zeit war Küntscher in einem Lazarett an der finnischen Front stationiert. Dort konnte er Patienten und Kriegsgefangene der Umgebung operieren. Er führte das Konzept der Knochenmarksnagelung mit einem geschlossenen bzw. offenen chirurgischen Ansatz ein.

Beim geschlossenen Zugang führte er den Marknagel in prograder Richtung durch den Trochanter major und platzierte ihn auf einem Retraktionstisch, der mit einer Schlinge operiert wurde. Die Fraktur wird repositioniert und der Nagel in zwei Ebenen unter Kopfdurchleuchtung eingebracht. Beim offenen Zugang wird der Marknagel durch einen Schnitt nahe der Frakturlinie durch die Fraktur in das Mark eingebracht. Küntscher setzt den Marknagel zur Behandlung von Femurschaftfrakturen sowie Tibia- und Humerusfrakturen ein.

Internationale Anerkennung erlangte Küntschers Technik erst nach der Rückführung alliierter Kriegsgefangener.

Auf diese Weise wurden amerikanische und britische Chirurgen mit dem von Küntscher entwickelten Marknagel vertraut und erkannten seine klaren Vorteile in dieser Ära der Frakturbehandlungsmodalitäten.

Innerhalb kurzer Zeit begannen immer mehr Chirurgen auf der ganzen Welt, seine Methode zu übernehmen, und Küntschers Marknagel revolutionierte die Behandlung von Frakturen, indem er die Genesungszeit des Patienten um fast ein Jahr verkürzte. Patienten, die monatelang in einem Gipsverband ruhiggestellt werden mussten, können nun innerhalb weniger Tage mobil sein.

Der deutsche Chirurg gilt bis heute als maßgeblicher Entwickler des Marknagels und nimmt in der Geschichte der Unfallchirurgie eine zentrale Stellung ein.

Expandierender Marknagel

Im Jahr 1942 stellten Fisher et al. beschrieben zunächst die Verwendung des markexpandierenden Schleifbohrers, um die Kontaktfläche zwischen dem Marknagel und dem Knochen zu vergrößern und die Stabilität der Frakturfixierung zu verbessern.

Dennoch führte Küntscher den bis heute verwendeten flexibel geführten Aufbohrbohrer ein, der das Aufbohren über die gesamte Länge des Markraums des Knochenstamms ermöglicht und so das Einbringen von Marknägeln mit größerem Durchmesser erleichtert.

Ursprünglich war das intramedulläre Aufbohren darauf ausgelegt, den Bereich des Knochenkontakts mit dem Marknagel deutlich zu vergrößern, um eine stabile Fixierung der Fraktur und eine schnelle Bewegung des Patienten zu ermöglichen.

Wie von Smith et al. beschrieben, vergrößert sich die Kontaktfläche mit jedem 1 mm Markraumausdehnung um 38 %. Dies ermöglicht die Verwendung größerer und steiferer Marknägel, wodurch die Gesamtstabilität der Frakturfixierungsstruktur verbessert wird.

Obwohl sich der Küntscher-Marknagel mit seinem flexiblen intramedullären Bohrbohrer als geeignetes internes Fixationsmittel für die Osteotomie herausstellte, verlor die Wissenschaft ihn Ende der 1960er Jahre zugunsten der neu entwickelten Platten der Arbeitsgemeinschaft für Osteosynthesefragen (AO).

1960er Jahre: Das dunkle Zeitalter

In den 1960er Jahren wurde die intramedulläre Nagelung plötzlich zugunsten der Frakturfixierung mit Platten und Schrauben aufgegeben.

Obwohl Küntschers Methode reibungslos funktionierte, lehnten Chirurgen auf der ganzen Welt sie wegen schlechter postoperativer Ergebnisse ab.

Darüber hinaus begannen einige Chirurgen, Bestrahlungstechniken wie die Kopfdurchleuchtung aufzugeben, weil die Chirurgen sich vor den Nebenwirkungen der Bestrahlung ekelten. Die Entwicklung der intramedullären Nagelung endete damit nicht, trotz des allgemeinen internationalen Konsenses für die Verwendung interner Plattenfixierungssysteme.

Küntscher, ein deutscher Arzt, erkannte die Vorteile der Verriegelung und entwickelte einen kleeblattförmigen Verriegelungsmarknagel, den er „Detentionsnagel“ nannte. Die Achillesferse des damaligen Marknageldesigns war die Unfähigkeit, sehr zersplitterte oder in große Winkel verschobene Brüche zu stabilisieren. Die Lösung dieses Problems war die Verwendung von Verriegelungsschrauben.

Die Lösung dieses Problems bestand darin, den Marknagel mit einer Verriegelungsschraube zu stabilisieren.

Auf diese Weise könnte das Implantat Biege- und Torsionskräften besser standhalten und gleichzeitig eine Verkürzung der Gliedmaßen verhindern. Basierend auf einer Kombination von Ideen von Küntscher, Klaus Klemm und Wolf-Dieter Schellmann wurde der Marknagel entwickelt, um eine größere Stabilität zu gewährleisten, indem die Schraubenlöcher proximal und distal des Marknagels vorgebohrt wurden, der mit der eingebrachten Schraube verriegelt wurde.

In den nächsten Jahren ermöglichten Fortschritte in der Klarheit der fluoroskopischen Bilder die Neuauswahl von Frakturverschluss- und Repositionstechniken.

1970er und 1980er Jahre: Wiederbelebung

In den 1970er Jahren war das Interesse am Konzept der Marknagelung des deutschen Chirurgen Küntscher groß.

Die geschlossene intramedulläre Nagelfixierung bei Frakturen mit ihrer Kombination aus flexiblen Bohr- und Verriegelungskonzepten und einer verbesserten Klarheit der Durchleuchtungstechniken trieb die Weiterentwicklung und Verbreitung dieser hervorragenden Operationstechnik voran, die sich durch minimale Weichteilschädigung, gute Stabilität und sofortige Patientenmobilität auszeichnet.

Zu dieser Zeit wurde die akademische Welt von einer Reihe von Innovationen erfasst, die die Entwicklung der zweiten Generation der Marknagelung vorantrieben.

1976 entwickelten Grosse und Kempf einen teilweise geschlitzten Marknagel, um das Problem des Elastizitätsmoduls des Marknagels zu lösen. Der Marknagel war im proximalen Bereich nicht geschlitzt und verfügte über ein Nagelloch für die proximale Schraube, die in einem 45-Grad-Winkel eingeführt wurde, um die Stabilität der internen Fixierungsstruktur des Marknagels zu erhöhen.

Einige Jahre später schloss sich AO dem Trend der Marknagelentwicklung an und entwickelte ähnlich konzipierte Marknägel (Abbildung 5).

Im Jahr 1984 stellten Weinquist et al. schlug den dynamischen Ansatz vor, der darin bestand, die Heilung des Bruchendes durch das Anbringen größerer Verriegelungsschraubenlöcher, das Entfernen statischer Verriegelungsschrauben und die anschließende Änderung der Verriegelungsschraubenlöcher in ovale Nagellöcher in einem moderneren Design zu verbessern.

Der Zweck des dynamischen Ansatzes besteht darin, die Frakturheilung zu fördern und eine Knochenpseudarthrose aufgrund verspäteter Aktivität zu vermeiden.

Derzeit hat die intramedulläre Nageldynamik als eigenständige Technik ihre Befürworter verloren und wird derzeit nur als kostengünstigere Lösung als der vollständige Ersatz des internen Fixationssystems bei der Behandlung nicht heilender Frakturen eingesetzt.

In einer biomechanischen Studie haben Gimeno et al. berichteten, dass die Übergangszone zwischen dem nicht geschlitzten und dem geschlitzten Teil des Marknagels zu Spannungskonzentrationen und chirurgischem Versagen des internen Fixierungsimplantats führte.

Um diese Probleme anzugehen, haben Russel und Taylor et al. entwarf 1986 den ersten nicht geschlitzten, nicht erweiterten Marknagel mit zufriedenstellenden Ergebnissen.

In dieser Zeit entwickelte sich auch das Problem der Verriegelung von Marknägeln weiter, und wie wir heute wissen, war die Verriegelung mit der Schraube durch das vorgebohrte Loch des Marknagels der Entwurf von Klemm und Schleman in Deutschland. Das Einbringen der Schraube würde durch Freihand-Durchleuchtung erfolgen, wodurch der Chirurg einer großen Strahlenbelastung ausgesetzt wäre.

Dieses Problem wurde heute mit einem distalen Zielsystem gelöst, das elektromagnetische Feldverfolgungstechnologie, fluoroskopisch geführte Freihandtechnologie und eine präzise proximale Nagelinstallationsführung umfasst.

1990er Jahre: Marknagel aus Titan

Im Laufe des nächsten Jahrzehnts erfreute sich der Russel-Taylor-Marknagel in der internationalen orthopädischen Gemeinschaft großer Beliebtheit. Die intramedulläre Nagelung mit statischer Schraubenverriegelung wurde langsam zum Versorgungsstandard, wie die Ergebnisse der Studie von Brumback et al. zeigen.

Die Ergebnisse dieser prospektiven Studie zeigten, dass die Verriegelung in den meisten Fällen zu guten Ergebnissen führte und nicht mit einer Pseudarthrose der Fraktur einherging.

Fortschritte in der Metallurgie führten zur Entstehung von intramedullären Nägeln aus Titan, die aufgrund ihrer Festigkeit, guten Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität in der biomedizinischen Industrie weit verbreitet sind.

Das intramedulläre Nagelsystem von Alta war der erste verfügbare intramedulläre Nagel aus Titan und wurde von der medizinischen Fachwelt aufgrund der mechanischen Eigenschaften von Titan, einem stärkeren, aber weniger steifen Metall als Edelstahl, sehr begrüßt.

Allerdings herrscht in der aktuellen Literatur Skepsis darüber, ob Titan ein geeigneteres Material für die interne Fixierung ist als Edelstahl, insbesondere aufgrund der erhöhten Kosten, die mit der Verwendung von Titan verbunden sind.

Allerdings machen bestimmte Vorteile von Titan, wie der Elastizitätsmodul in der Nähe des kortikalen Knochens und die Kompatibilität mit der Magnetresonanztomographie, es zu einer attraktiven Option.

Darüber hinaus ist Titan eine sehr attraktive Option, wenn Marknägel mit kleinerem Durchmesser erforderlich sind.

Aktuelle Trends

Nach den Erfolgen und Misserfolgen der vergangenen Jahrzehnte verfügen Orthopäden über deutlich mehr Erfahrung mit der Marknagelung.

Die intramedulläre Nagelfixierung von Femur-, Tibia- und Humerusfrakturen ist zum Behandlungsstandard für die meisten geschlossenen Frakturen und einige offene Frakturen geworden. Neue Ziel- und Positionierungssysteme haben das Verfahren selbst für die unerfahrensten Chirurgen einfach und reproduzierbar gemacht.

Jüngste Trends zeigen, dass Titan- und Edelstahlmetalle einen sehr hohen Elastizitätsmodul haben und dass Spannungen die für die Knochenheilung erforderlichen irritierenden Spannungen überdecken. Neue Biomaterialien wie Magnesiumlegierungen, Formgedächtnislegierungen und resorbierbare Materialien werden derzeit in der Wissenschaft getestet.

Derzeit sind Marknägel aus endlos kohlenstofffaserverstärkten Polymeren mit verbessertem Elastizitätsmodul und hoher Ermüdungsfestigkeit erhältlich. Magnesiumlegierungen haben einen ähnlichen Elastizitätsmodul wie kortikaler Knochen und sind biologisch abbaubar.

Aktuelle Studien von Li et al. haben in Tiermodellen erhebliche Vorteile bei der Behandlung osteoporotischer Frakturen gezeigt, die auf die Kombination von Magnesium und Zoledronat-Beschichtung zur Frakturreparatur zurückzuführen sind, eine Modalität, die in Zukunft zu einer Behandlung osteoporotischer Frakturen werden könnte.

Abschluss

Im Laufe der Jahre hat sich die intramedulläre Nagelung mit erheblichen Verbesserungen im Marknageldesign, bei metallurgischen Techniken und chirurgischen Techniken zum aktuellen Behandlungsstandard für die meisten langen Knochenbrüche entwickelt und ist ein wirksames, minimalinvasives und reproduzierbares Verfahren.

Aufgrund der Vielzahl an intramedullären Nageldesigns fehlen jedoch viele Informationen über deren postoperative Ergebnisse. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die optimale Größe, Eigenschaften und Krümmungsradius des intramedullären Nageltyps zu bestimmen.

Wir gehen davon aus, dass Innovationen im Bereich der Biomaterialien die Entstehung neuer intramedullärer Nageldesigns hervorbringen werden.

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