Silikatbeschichtung zementierter Titanschäfte für die Reduzierung aseptischer Lockerungsraten

Zusammenfassung

Studienziel: CoCrMo-Legierungen sind kontraindiziert bei Allergikern. Für diese Patienten ist eine zementierte Prothese aus Titan(-Legierung) indiziert. Zementierte Schäfte aus Titan(-Legierung) können allerdings in Abhängigkeit von Prothesengeometrie und Oberflächentextur aseptische Lockerungsraten zeigen, die klinisch nicht tolerierbar sind. Große Rauigkeit in Verbindung mit geringer Abriebfestigkeit bedingt eine hohe Konzentration an Titanabriebpartikeln und diese die aseptische Lockerung. Andererseits unterstützt eine große Rauigkeit die mechanische Retention des Knochenzements auf der Prothesenoberfläche. Dadurch verbessert sich initial das Migrationsverhalten; reduzierte Mikrobewegungen zwischen Schaft und Prothesenlager sind die Folge. Zwischen Knochenzement und metallischer Oberfläche besteht aber trotzdem kein hydrolytisch stabiler Verbund, sodass mittelfristig zwangsläufig ein Debonding vorhersehbar ist. Sachgerechter sind bei leicht abradierbaren Prothesen wie Hüft-Endoprothesenschäften aus Titan(-Legierung) kleine Rauigkeiten. Das ungünstige Migrationsverhalten und die größeren Mikrobewegungen können durch eine Silikatbeschichtung (Elektrolytischer [ECD-] oder PVD-Auftrag) kompensiert werden. Methode: Um die Wirksamkeit dieser Beschichtung zu untersuchen, wurden Zugprüfkörper (n = 5) und Ausstoßkegel (n = 3…5) so raugestrahlt, dass Rauigkeiten zwischen Ra = 0,8 mm (Rz = 4 mm) und Ra = 2,0 mm (Rz = 9 mm) entstehen. Nach Silikatbeschichtung wurden diese Prüfkörper zementiert und nach vorgegebenen Fristen und Zyklenzahlen hydrolytischer und wechselnder mechanischer Belastung auf ihre Verbund- und Ausstoßfestigkeit geprüft. Ergebnisse: Die beobachtete Verbundfestigkeit im Zugtest war bei Ra = 1,7 mm für alle untersuchten Auslagerungsintervalle stets größer als 25 MPa. Die Beschichtung führt deshalb auch bei moderatem Raustrahlen (Ra = 1,7 mm) zu einer Retention, die klinisch ausreichend sein sollte, um Migration und Mikrobewegung weitgehend zu unterbinden. Schlussfolgerung: Der Abrieb im Interface, der zugleich Folge und Ursache der Lockerung ist, sollte sich reduzieren oder vermeiden lassen, wenn die Haftung des Zements auf dem metallischen Schaft durch ein chemisches Verbundsystem insbesondere gegen hydrolytisches Debonding dauerhaft stabilisiert wird.

Abstract

Aim: For cemented hip prostheses, all requirements can be fulfilled by using forged Co/Cr/Mo stems. Co/Cr/Mo alloys, however, are contraindicated for allergy sufferers. For these patients, a cemented prosthesis made of titanium (alloy) would be indicated. Cemented stems from titanium (alloy), depending on the geometry of the prosthesis and its specific surface texture, however, may have loosening rates which are clinically not tolerable. In comparison to Co/Cr/Mo alloys, the greater roughness in conjunction with lesser abrasion resistance of titanium-based alloys leads to high loosening rates caused by abrasion. On the other hand, the greater surface roughness permits good mechanical retention of bone cement to the surface. Good mechanical retention enhances migration behaviour and reduces micromotions. However, there is no stable hydrolytic bond between bone cement and metallic surface; intermediate-term debonding between metal and bone cement is predictable. This debonding results in relative movements, consequently in wear particles which have their origin both from the rough metallic surface and from the PMMA cement. The roughness of the metallic surface operates as emery and with that, a rubbing wear from the PMMA. Method: For the above reasons, a low or moderate roughness is essential for easily abradable implants such as shafts made of titanium (alloy) because low roughness provides a fail-safe running function in case of debonding. Thus, one must allow for inappropriate migration behaviour accompanied by greater micromotions due to insufficient mechanical retention in the case of low roughness. This can be accomplished by a silicate layer coating applied to the metal shaft surface via electrochemical “ECD” or physical vapour deposition “PVD”. For analysis, specimens (screws for pull-out, cones for push-out tests) were sand-blasted, so that roughnesses between Ra = 0.8 µm (Rz = 4 µm) and Ra = 2.0 µm (Rz = 9 µm) were generated. Results: The bond strengths observed in tensile tests for roughnesses of Ra = 1.7 mm were always well above 25 MPa for all periods of hydrolytic load. Therefore, the investigation shows that surfaces of moderate roughness (Ra = 1.7 µm), however coated, provide a steady retention. Cave-in and micromotions should widely be prevented. Conclusion: The abrasion, which is a consequence of and reason for debonding and loosening at the same time, should be avoidable if the bonding of cement on the metallic shaft is stabilised with the help of a suitable chemical bond system.

Titan - Hüft‐Endoprothese - aseptische Lockerung - silikatisieren - hydrolytische Stabilität

titanium - total hip replacement - aseptical loosening - silicate coating - hydrolytic stability

Literatur

• 1 Acklin P, Berli B J, Frick W. et al . Nine-year results of Müller cemented titanium Straight Stems in total hip replacement.  Arch Orthop Trauma Surg. 2001;  121 391-398
• 2 Bader R, Brem R, Holzwarth U. et al . Experimentelle Untersuchungen zum Abriebverhalten von zementierten Hüftendoprothesenstielen aus Titan- und Kobalt-Chrom-Basislegierungen.  Biomaterialien. 2003;  4 264-269
• 3 Bader R, Steinhauser E, Holzwarth U. et al . A novel test method for evaluation of the abrasive wear behaviour of total hip stems at the interface between implant surface and bone cement.  Proc Instn Mech Engrs. Part H: J Engineering in Medicine. 2004;  218 223-230
• 4 Bowditch M, Villar R. Is titanium so bad? Medium-term outcome of cemented titanium stems.  J Bone Joint Surg [Br]. 2001;  83 680-685
• 5 Crowninshield R D, Jennings J D, Laurent M L. et al . Cemented femoral component surface finish mechanics.  Clin Orthop Relat Res. 1998;  355 90-102
• 6 Eingartner C, Volkmann R, Kümmel K. et al . Niedrige Lockerungsrate einer zementierten Titan-Geradschaftsprothese im längerfristigen Verlauf.  Swiss Surg. 1997;  3 49-54
• 7 Eingartner C, Volkmann R, Winter E. et al . Results of a cemented titanium alloy straight femoral shaft prosthesis after 10 years of follow-up.  Int Orthop. 2001;  25 81-84
• 8 Erli H J, Marx R, Paar O. et al . Surface pretreatments for medical application of adhesion.  BioMedical Engineering OnLine. 2003;  2 2-18
• 9 Fink U. Sicherheitsaspekte bei der Beschichtung von Titangleitkomponenten.  Orthopäde. 1997;  26 160-165
• 10 Hilburg N. Kompendium der Hüftendoprothetik. München; Med. Dissertation 2002
• 11 Hinrichs F, Kuhl M, Boudriot U. et al . A comparative clinical outcome evaluation of smooth (10–13 year results) versus rough surface finish (5–8 year results) in an otherwise identically designed cemented titanium alloy stem.  Arch Orthop Trauma Surg. 2003;  123 268-272
• 12 Leuthäußer J, Herz M T. Elektrochemische Silikatisierung – eine hochwirksame Vorbehandlung für das Verkleben von Edelstahl und Titan.  In: Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen. 2006;  24 465-470
• 13 Lichtinger T K, Schürmann N, Müller R T. Frühlockerungen eines zementierten Hüftendoprothesenstiels aus Titan.  Der Unfallchirurg. 2000;  103 956-960
• 14 Ling R SM. The use of a collar and precoating on cemented femoral stems is unnecessary and detrimental.  Clin Orthop Relat Res. 1992;  285 73-83
• 15 Marx R, Fischer H. „Werkstück und Verfahren zum Herstellen und zum Verwerten des Werkstückes“ (DE-Patent 19937864, EU-Patent 1 202 702, US-Patent 6,777,028). 
• 16 Marx R, Qunaibi M, Wirtz D C. et al . Surface pretreatment for prolonged survival of cemented tibial prosthesis components: full- vs. surface-cementation technique.  BioMedical Engineering OnLine. 2005;  4 61-69
• 17 Massoud S N, Hunter J B, Holdsworth B J. et al . Early femoral loosening in one design of cemented HIP replacement.  J Bone Joint Surg [Br]. 1997;  79 603-608
• 18 Maurer T B, Ochsner P E, Schwarzer. et al . Increased loosening of cemented straight stem prostheses made from titanium alloys. An analysis and comparison with prostheses made of cobalt-chromium-nickel alloy.  Int Orthop. 2001;  25 77-80
• 19 Morscher E W, Wirz D. Current state of cement fixation in THR.  Acta Orthop Belg. 2002;  68 1-12
• 20 Müller R T, Heger I, Oldenburg M. The mechanism of loosening in cemented hip prostheses determined from long-term results.  Arch Orthop Trauma Surg. 1997;  116 41-45
• 21 Mumme T. (private Mitteilung). 
• 22 Neuß M, Clemens S, Marx R. et al . Ist die Implantation von Titan-Schäften in der Hüftendoprothetik wirklich obsolet?.  Z Orthop. 2005;  143 337-342
• 23 Niinimäki I, Junila J, Jalovaara P. A proximal fixed anatomic femoral stem reduces stress shielding.  Int Orthop. 2001;  25 85-88
• 24 Plueddemann E P. Silane coupling agents. New York; Plenum Press 1982
• 25 Raab S, Ahmed A M, Provan J W. Thin film PMMA precoating for improved implant bone-cement fixation.  J Biomed Mat Res. 1982;  16 679-704
• 26 Rader C P, Hendrich C, Löw S. et al . 5- bis 8-Jahres-Ergebnisse nach Hüfttotalendoprothese mit der Müller-Geradschaftprothese (zementierter TiAlNb-Schaft).  Unfallchirurg. 2000;  103 846-852
• 27 Sarmiento A. Is titanium so bad?.  J Bone Joint Surg [Br]. 2002;  84 931-932
• 28 Schuh A, Thomas P, Kachler W. et al . Das Allergiepotenzial von Implantatwerkstoffen auf Titanbasis.  Orthopäde. 2005;  34 327-333
• 29 Sporer S M, Callaghan J J, Olejniczak J P. et al . The effect of surface roughness and polymethylmethacrylate precoating on the radiographic and clinical results of the Iowa prosthesis.  J Bone Joint Surg. 1999;  81 481-492
• 30 Thomas P, Schuh A, Ring J. et al . Orthopädisch-chirurgische Implantate und Allergien.  Orthopädie. 2008;  37 75-88
• 31 Verdonschot N, Huiskes R. Surface roughness of debonded straight-tapered stems in cemented THA reduces subsidence but not cement damage.  Biomaterials. 1998;  19 1773-1779
• 32 Verdonschot N, Tanck E, Huiskes R. Effects of prosthesis surface roughness on the failure process of cemented hip implants after stem-cement debonding.  J Biomed Mat Res. 1998;  42 554-559
• 33 Wagner M, Wagner H. Vergleich der Ergebnisse von zementierten Hüftprothesenschäften aus Titan und Kobalt-Chrom-Legierungen.  Orthopädische Praxis. 1997;  33 589-593
• 34 Wirtz D C. Eine neue Beschichtungsmethode für zementierte Femurschaftimplantate zur hydrolysestabilen Optimierung des Metall-Knochenzement-Verbundes. Habilitationsschrift Medizinische Fakultät RWTH Aachen. Aachen; Wissenschaftsverlag Mainz 2001
• 35 Witt J D, Swann M. Metal wear and tissue response in failed titanium alloy total hip replacements.  J Bone Joint Surg [Br]. 1991;  73 559-563
• 36 Yerby S A, Paal A F, Young P M. et al . The effect of a silane coupling agent on the bond strength of bone cement and cobalt-chrome alloy.  J Biomed Mater Res. 2000;  49 127-133