 |
Investigation of the effect of galvanic current generated by different metal implants for the ossification
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
125409 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Csernátony, Zoltán |
| Title in Hungarian |
A különböző anyagú fém implantátumok által előidézett galvánáram csontosodásra kifejtett hatásának vizsgálata |
| Title in English |
Investigation of the effect of galvanic current generated by different metal implants for the ossification |
| Keywords in Hungarian |
galvánáram, csontosodás, csontgyógyulás |
| Keywords in English |
galvanic current, ossification, bone healing |
| Discipline |
| Haematology, immunology, thrombosis, infectious diseases (Council of Medical and Biological Sciences) | 80 % | | Ortelius classification: Surgery | | Solid-state Physics (Council of Physical Sciences) | 20 % | | Ortelius classification: Solid state physics |
|
| Panel |
Clinical Medicine |
| Department or equivalent |
Department of Orthopedic Surgery and Traumatology (University of Debrecen) |
| Participants |
Bazsó, Tamás
Csámer, Loránd
Daróczi, Lajos
Deák, Ádám
Harasztosi, Lajos
Harasztosi, Petra
Hegedűs, Csaba
Manó, Sándor
Németh, Norbert
Szalóki, Melinda
Tóth, Ferenc
Vágó, Judit
Zákány, Róza
|
| Starting date |
2017-09-01 |
| Closing date |
2023-03-31 |
| Funding (in million HUF) |
42.499 |
| FTE (full time equivalent) |
12.42 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A traumatológiai és ortopéd sebészeti gyakorlatban a csontdefektusok, törések gyógyulása legtöbbször jól tervezhető, azonban, amikor valamilyen ok miatt elhúzódó törésgyógyulás, álízület képződés lép fel, az gyakran nehézségek elé állítja a kezelőorvost. A mozgásszervi sebészetet kiszolgáló háttéripar fejlesztéseiben az implantátum design és a felületmegmunkálás mellett, metallurgiai újítások is napirenden vannak. A az operáló orvos sokszor szándékosan, időnként pedig a műtéti szituáció teremtette kényszerből vagy az implantátumkészlet hiányosságai miatt a legkülönbözőbb fém-fém párosítás beültetését végzi. A gyógyulás során az eltérő minőségű párosítások alkalmazása során időnként csontreszorpciót, máskor ellenkezőleg, kifejezett csontképződést tapasztalunk. Hipotézisünk szerint ennek egyik lehetséges oka az eltérő minőségű fémanyagok között fellépő galvánáram. A csonttörések gyógyulásának serkentése visszatérő kutatási terület. Napjainkban a terápiás gyakorlatban elérhető elektromos csontstimulációs kezelések transzkután indukciós kezelésekből, vagy beültethető elektromos készülékekből állnak. Ezek hatástalansága szövődményt nem okoz, inkább eredménytelenségnek tekinthető. Vizsgálatunk során állatkísérletek segítségével szeretnénk ellenőrizni, hogy eltérő anyagminőségű implantátumok között fellépő galvánelektromos jelenség a csontgyulást befolyásolja-e, ha igen azt serkenti, vagy inkább gátolja-e, valamint hogy különböző párosítások esetén milyen hatások tapasztalhatók. Célunk, hogy olyan ideális fém-fém párosítást találjunk, mely a törésgyógyulásra kedvező hatású, a későbbiekben a humán implantátumok fejlesztése során is felhasználható legyen.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Természettudományosan ismert, hogy elektrolit oldatba mártott különböző fémek galvánáramot hoznak létre. Kutatásunk alapkérdése, hogy amennyiben egy adott csontdefektus, törés ellenkező oldalain eltérő anyagból készült fém implantátumokat helyezünk el, akkor a létrejövő galvánáram, annak elektromágneses tere a gyógyulást befolyásolja-e, ha igen, akkor arra kedvező vagy hátrányos hatással van-e. A vizsgálatban elektrolit oldatnak a szervezet extracellularis folyadékterét tekintjük, anódként és katódként az eltérő anyagminőségű fém implantátumok szerepelnek. A mozgásszervi sebészeti gyakorlatban ilyen szituáció gyakran lép fel, akár tervezetten (pl. az endoprotetikában, ahol csípőprotézisek szára és a protézis fej a leggyakrabban különböző fémötvözetből készül), akár a műtéti szituáció adta kényszerből (pl. ízületi protézisek mentén fellépő töréseknél a protézisek anyaga és a töréseket rögzítő implantátumok eltérő fémből készülnek), akár készlethiány miatt (pl: az oszteoszintézishez használt anyagok eltérő ötvözetből vagy alapanyagokból készülnek). Vizsgálatunk célja, hogy igazoljuk az ilyen esetekben fellépő galvánelektromos jelenséget és hogy megvizsgáljuk annak hatását a csontgyógyulásra. A kísérletben külső elektromos stimulálást nem alkalmazunk. Amennyiben a vizsgálat azt igazolja, hogy az alkalmazott párosítások közül van olyan, ahol keletkező galvánáram a gyógyulást negatívan befolyásolja, azt is eredménynek tekintjük, mert ezzel alátámasztható, hogy mely szituációk kerülendők a csontsebészetben. Kedvező hatás esetén a vizsgálat jó kiindulási alapként szolgálhat a további fejlesztések számára az oszetoszintézisek, az endoprotetika és a fogászat területén.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Statisztikák szerint Magyarországon a csípőtáji törések elfordulási gyakorisága évente 12–15 ezer, a csuklótáji töréseké 37, a felkar- és válltáji töréseké pedig 12 ezer. Ezek kezelése önmagában is hatalmas összegeket emészt fel, de gazdasági jelentősége még kifejezettebb, ha az időnként elhúzódó rehabilitáció, illetve az aktív munkából való kiesés költségeit is figyelembe vesszük. Az elhúzódó törésgyógyulás, és a legnagyobb problémát jelentő álízület képződés mind a gyógyulás időtartamát, mind az arra fordított összegek nagyságát növeli. A törések gyógyulásának meggyorsítása, a csontregeneráció stimulációja gyógyszeresen vagy valamilyen fizikai módszerrel vissza-visszatérő kérdése a szakmának. Több évtizede felmerült már az elektromos árammal történő stimuláció, mely napjainkban extracorporalis forrásból származó statikus vagy pulzáló mágneses mezővel való kezelést jelent. Felmerül a kérdés, hogy külső forrás helyett alkalmazható lenne-e a szervezetbe az oszteoszintézisek során beültetett implantátumok anyagának helyes megválasztásával, azok kombinálásával olyan „szervezeten belüli galvánelemet” létrehozni, mellyel a csontok gyógyulására kedvező hatást érhetnénk el. A gondolat abból a tapasztalatból származik, hogy a napi gyakorlatban, eltérő fémanyagok beültetése során számos esetben tapasztaljuk a vártnál nagyobb mennyiségű újonnan képződött csont jelenlétét, míg egyes esetekben hasonló szituációkban váratlan csontfelszívódást tapasztalunk. Az állatkísérletek során célunk, hogy olyan megfelelő fém-fém párosítást találjunk, melynek alkalmazása esetén a csontgyógyulásra előnyös hatású elektromágneses tér jön létre, külső indukciós vagy feszültségforrás igénybevétele nélkül. Amennyiben sikerül olyan, az oszteoszintézisek mechanikai, statikai követelményeinek is megfelelő biokompatibilis elrendezést találni, mely ezen követelményeknek megfelel (mintegy intracorporalis elektromos csontstimuláló), a későbbiekben a vizsgálat kiterjeszthető, eredményei végső célként a humán gyógyászatban is alkalmazható implantátumok kifejlesztését is szolgálhatják.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A csont-ízületi sebészetben a csonttörések, illetve tervezett ortopédiai beavatkozások után fellépő csontgyógyulási zavarok napjainkban is komoly kihívást jelentenek a kezelőorvosok számára. A mozgásszervi sebészetben mind a traumatológia, mind az ortopédia területén találkozhatunk a problémával. Bár a legtöbb esetben a csont gyógyulása jól tervezhető, különböző alapanyagú vagy bevonatú fém implantátumok beültetése esetén időnként kifejezett csontfelszívódásra, máskor éppen ellenkezőleg, a várt mértéket meghaladó csontképződésre számíthatunk. Több évtizede újból és újból felmerül a csontgyógyulás folyamatának elektromos árammal, elektromágneses mezővel való direkt vagy indirekt stimulációja. Természettudományos tény, hogy különböző fémek között, azokat elektrolit oldatba merítve galvánáram jön létre. Kutatásunk célja, hogy kontrollált körülmények között vizsgáljuk, hogy a különböző alapanyagú vagy fémbevonatú implantátumok alkalmazása a köztük létrejövő galvánáram hatása révén serkenti vagy gátolja a csontgyógyulást, esetlegesen közömbös a gyógyulás szempontjából. Vizsgálatainkat állatkísérletek megvalósításával tervezzük. Laboratóriumi körülmények között nyulakon végeznénk a vizsgálatokat, tekintve, hogy ezen állatok csontjai megfelelő méretűek a tervezett kísérletek elvégzéséhez, és az állatok tartási, műtéti költségei rentábilisak. Célunk, hogy olyan ideális fém-fém párosítást találjunk, mely a csontgyógyulásra kedvező hatással bír, így vizsgálatunk első lépésnek bizonyulhat a humán gyógyászati célok megvalósítása irányában.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
In trauma and orthopedic practice bone defects and fractures tend to heal according to plan however, when for some reason delayed fracture healing, pseudarthrosis formation occurs, it often poses difficulties for the doctor. In manufacturing of implants for musculoskeletal surgery there has been development in implant design, surface machining, and metallurgical innovations as well. The surgeon sometimes deliberately and sometimes due to the necessity of the surgical situation or lack of implants performs a wide variety of metal-on-metal implant pairing. During the healing process at times bone resorption and at other times on the contrary excessive bone formation was observed in these implant pairing situations. Our hypothesis is that one of the possible causes is galvanic current occurring between the different material metals. The stimulation of the healing of bone fractures is a returning research area. Today, therapeutic practice consists of transcutaneous induction or rarely implantable electrical devices for bone stimulating treatments, the inefficiency of these treatments does not cause complications, but rather they are deemed ineffective. In this study, through animal experiments, we want to check whether the galvanic-electricity phenomenon that occurs between different material quality implants affects bone healing, and if so does it stimulate or rather inhibit it, and what can be observed in different pairings. Our goal is to find an ideal metal-metal pairing, which is beneficial to bone healing and can later be used during the development of implants.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
It is scientifically well known that different metals dipped into electrolyte solution create galvanic current. The fundamental question of this research is that if different material metal implants are placed on the opposite sides of bone defects or fractures does the resulting galvanic current and its electromagnetic field influence bone healing and if so then in a beneficial or harmful way. In this study, the electrolyte solution is the body’s extracellular fluid, and the anode and cathode are different material metal implants. Such situations often occur in musculoskeletal surgery, due to the surgical situation (eg. in periprosthetic fractures where the prosthesis and the plates, wires used for fracture fixation are composed of different metals) or due to stock shortages. This study aims to confirm the onset of such cases of galvanic electric phenomenon and to examine its effect on bone healing. In the experiment, external electrical stimulation is not used. If we manage to find an ideal metal-metal pairing, then we do not have to search for a new solution in case of complications, delayed fracture healing requiring further surgical procedures, but ab ovo chose implants on a scientific basis, that combine these favorable metal alloys this way creating a bone healing stimulating montage to begin with. If the investigation proves that there are pairings employed where the galvanic current has a negative effect on healing, this is also considered a result as it justifies situations that should be avoided in bone surgery. In case of positive results, the study could serve as a good basis for further development of osteosynthesis, prosthetic and dental surgery materials.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Statistics show that in Hungary there are 12-15 thousand hip, about 37 thousand wrist, and 12 thousand upper arm and shoulder fractures a year. The cost of treatment of these fractures consumes huge amounts by itself, but the economic importance is even more pronounced if the sometimes-lengthy rehabilitation or the active work loss day costs are taken into account. The delayed fracture healing and the more problematic pseudarthrosis increase the recovery period and the sums spent. To speed up the healing of fractures and to stimulate bone regeneration by drugs or physical methods has been a recurring question of the profession. For several decades now stimulation by electrical current has been investigated, which today is mostly treatment either with static or pulsating magnetic field from an extracorporeal source. The question arises, rather than using an external source, with the right combination of metals of the implanted osteosynthesis material a "galvanic cell" could be set up that would have beneficial effect on the bone healing process. Along the same principles - further considering the theoretical possibilities - later osteoporotic pandemic fractures (hip, wrist) on the peripheral frail skeleton could be prevented. The idea comes from the experience in the daily practice, that during the implantation of different metal materials in many cases a higher than expected amount of newly formed bone occurs, while in some cases with similar situations unexpected bone resorption is observed. Animal studies aim to find a suitable metal-metal pairing, where a beneficial electric current and electromagnetic field is created for bone healing without the use of an external power source or induction. If a suitable biocompatible arrangement can be found that satisfies the mechanical and static requirements for ostesynthesis (acting as an intracorporeal electric bone stimulator), subsequently the test can be extended, and the result may serve in implant development of human and veterinary medicine.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
In bone and joint surgery fractures, or bone healing disorders arising after elective orthopedic surgery pose a serious challenge to the treating physicians. This problem is often seen in musculoskeletal surgery, both in orthopedics and trauma. Although in most cases bone healing occurs event free, bone resorption can be experienced with various metal based or coated implants and sometimes the contrary that is bone formation exceeds expectations. For the past several decades the question is raised whether direct or indirect stimulation with electric current and electromagnetic fields has effects on bone healing. It’s a scientific fact that submerging different metals into electrolyte solutions yields galvanic current. The purpose of this research is to test under controlled conditions, that the use of different alloy or metal coated implants stimulate or inhibit bone healing, or is indifferent. The examination will utilize animal experimentations. Under laboratory conditions the tests will be carried out on rabbits, considering that the bones of these animals are adequate size to perform the planned experiment, and the animal maintenance and surgical cost is viable. Our goal is to find an ideal metal-metal pairing, which has a favorable effect on bone healing.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
