Zusammenfassung
Studienziel CoCrMo-Legierungen sind kontraindiziert bei Allergikern. Für
diese Patienten sind im Hüftbereich zementfreie und zementierte Prothesen aus
nicht allergenen Titanlegierungen verfügbar. Knieendoprothesen aus dieser
Legierung, insbesondere auch die Tibiateile dieser Prothesen, können im
Zusammenwirken mit dem UHMWPE-Inlay (Kunststoffgleitschicht) ein problematisches
Abriebverhalten zeigen. Deshalb sind im Kniebereich zementierte Endoprothesen
aus ebenfalls nicht allergener Oxidkeramik sinnvoll, besonders wenn es sich um
eine „mobile-bearing“-Prothese handelt. Knochenzement hat zu einer
Keramikoberfläche eine deutlich geringere Retention als zu einer
Metalloberfläche, insbesondere wenn die Metalloberfläche für zusätzliche
mechanische Adhäsion texturiert ist. Durch Raustrahlen erzeugte Texturen auf
einer keramischen Oberfläche sind wegen des Sprödbruchverhaltens von Keramik
nicht sinnvoll. Mangelnde Retention des Knochenzements auf der Keramikoberfläche
begünstigt Mikrobewegungen der Prothese, die das Risiko des „Debonding“ erhöhen.
Eine Silikat-/Silanbeschichtung kann durch spezifische Adhäsion die Retention
auch ohne Texturen gegen hydrolytische Degradation stabilisieren und so
„Debonding“ verhindern; allerdings setzt diese spezifische Adhäsion die
Aktivierung der Oberfläche, also die Desorption der an der Oberfläche
adsorbierten Wassermoleküle voraus.
Methode Gegenstand der Untersuchungen ist eine Kompositkeramik mit einer
Aluminiumoxidmatrix, die mit Zirkoniumoxid und Stängelkristallen (Platelets)
verstärkt ist (Zirkoniumoxid- und Platelet-verstärktes Aluminiumoxid: ZPTA:
BIOLOX® delta, CeramTec GmbH, Plochingen). Durch die
Umwandlungsverstärkung von Zirkoniumoxid und dem zusätzlichen
Rissablenkungsverhalten der Stängelkristalle kombiniert der Werkstoff so die
sehr geringe Abriebrate von Aluminiumoxid mit der hohen Festigkeit und
Bruchzähigkeit von Zirkoniumoxid. Um die Wirksamkeit der Aktivierung durch
thermische Oberflächenbehandlung und anschließender PVD-Beschichtung mit Silikat
zu untersuchen, wurde die auf ihre Haftfestigkeit zu untersuchende
Keramikoberfläche von ZPTA-Prüfkörpern durch Ausheizen oberflächenaktiviert.
Nach ihrer Silikat-/Silanbeschichtung wurden auf die scheibenförmigen
Keramikprüfkörper TiAlV-Sonden (Durchmesser 6 mm) als Stirnzugprüfkörper
zentrisch aufzementiert (Abfolge: keramisches Substrat, Silikat-/Silanauftrag,
PolyMA-Schutzschicht, Knochenzement, TiAlV-Sonde). Im Stirnzugversuch wurde die
Haftfestigkeit bestimmt. Dabei stand die Frage im Vordergrund, bei welcher
Mindesttemperatur die Aktivierung durch Ausheizen erfolgen muss.
Ergebnisse Die Haftfestigkeit auf den bei unterschiedlichen Temperaturen
ausgeheizten ZPTA-Oberflächen erwies sich als eindeutig abhängig von der
Ausheiztemperatur. Ab einer Ausheiztemperatur von etwa Ts ≈ 350 °C nimmt die
Haftfestigkeit bei den silikatbeschichteten Oberflächen stufenförmig zu. Die
beobachtete Haftfestigkeit ist vor der Stufe ≤ 20 MPa und sie ist nach der Stufe
≥ 30 MPa.
Schlussfolgerung Die Oberflächenaktivierung durch Ausheizen führt nur dann
zu hohen Haftfestigkeiten, wenn diese Aktivierung bei Temperaturen T ≥ Ts
erfolgt. Die untersuchte Oxidkeramik in Verbindung mit einer anschließenden
Silikatbeschichtung zeigt dann eine Retention zum Knochenzement, die klinisch
ausreichend sein sollte, um haftungsbedingte Migration, Mikrobewegung und
haftungsbedingtes „Debonding“ zu unterbinden. Die klinische Relevanz dieser
Aussage muss durch klinische Prüfungen verifiziert werden.
Abstract
Aim CoCrMo alloys are contraindicated for sufferers from allergy. For
these patients, uncemented and cemented prostheses made of non-allergenic
titanium alloy are indicated. Knee prostheses machined from that alloy, however,
may have poor tribological behaviour, especially in contact to UHMWPE inlays.
Therefore, high-strength oxide ceramics may be especially suitable for knee
replacement in allergy patients with mobile bearing prostheses. For adhesion to
bone cement, the ceramic surface only exhibits mechanical retention spots that
are less adequate than those with a textured metal surface. Generating undercuts
by corundum blasting is highly efficient for mechanical adhesion to a CoCrMo
surface, but is not possible on a ceramic surface, due to the brittleness of
ceramics. Lack of retention of bone cement promotes micromotions of the
prostheses. As a consequence of micromotions, early aseptic loosening is
predictable. Silicoating (silicate and silane layering) of the ceramic surface
would allow specific adhesion and hence would result in increased and
hydrolytically more stable bonding between the bone cement and the prosthesis
surface – thereby preventing early aseptic loosening. Silicoating, however,
presupposes a chemically active surface that is not blocked by a layer of
chemisorbed molecules, e.g. water. Desorption of this chemisorbed layer is
mandatory and can be attained by baking out the surface.
Method In order to evaluate the effectiveness of surface activation via
thermal treatment by baking out, with subsequent silicoating of the surface, the
bond strengths of thermally treated and silicate layered ZPTA samples were
compared with thermally treated surfaces that had not been silicoated. In our
study of thermal surface treatment for baking out the surface, we focused on the
question of whether there is a minimal “critical” temperature Ts for effective
desorption of a chemisorbed water layer. The samples were prepared for the
traction-adhesive strength test (sequence: ceramic disc, silicate and silane
layering, protective lacquer (“PolyMA” layer), bone cement, TiAlV probes for the
traction-adhesive strength test) and their traction-adhesive strengths were then
measured.
Results The bond strength was measured as a function of temperature for
ceramic discs that had been baked out and subsequently silicoated. This was
graduated, exhibits with a pronounced increase in the bond strength at a baking
temperature of Ts ≈ 350 °C. The observed bond strengths before the step are
≤ 20 MPa and after the step ≥ 30 MPa.
Conclusion Silicoating is effective in achieving high bond strength of
bone cement on surfaces of oxide ceramics and can also stabilise the long term
behaviour of the bond strength, provided the surface has been thermally treated
prior to silicoating. Because of the proposed migration of the silicoating
layer, micromotions and debonding should be widely reduced or even
eliminated.
Schlüsselwörter Knieendoprothese - aseptische Lockerung - allergene Potenz - Silikatbeschichtung -
Keramik
Key words knee endoprothesis - aseptical loosening - allergenic potential - silicate coating
- ceramics
