Zum Übertritt von Korrosionsprodukten aus Stahlimplantaten in das Kontaktgewebe. Untersuchungen der Implantatoberfläche mit ESCA und instrumentelle Neutronenaktivierungsanalyse des Kontaktgewebes

Zusammenfassung

Im Tierversuch wurde das Langzeitverhalten der Korrosion von Stahlimplantaten untersucht. Hierzu wurde an 30 Kaninchen eine Osteosynthese des linken Hinterlaufes vorgenommen (die Knochenfragmente wurden jeweils mit einer V4A-Stahlplatte und 3-4 Schrauben fixiert). Ein Jahr nach der Implantation wurden die Tiere getötet und Gewebeproben sowie die Implantate analysiert. Mit Hilfe der Elektronenspektroskopie zur chemischen Analyse (ESCA) wurden Aussagen über die Dicke, die Zusammensetzung und den Valenzzustand der Legierungsbestandteile in der äußersten Oberflächenschicht gewonnen. Es zeigte sich, daß die Stahlimplantate von einer leicht verletzbaren nur 3-5 nm dicken Oxidschicht überzogen sind, an deren Aufbau Cr, Fe und Mo, nicht aber Ni beteiligt sind. Diese Passivschicht weist eine recht starke Chromanreicherung auf. Ein erhöhter Chromgehalt läßt sich auch noch in der nächst tieferen Metallschicht, d.h. direkt unter der Passivschicht, feststellen. Der Mechanismus, der zur Ausbildung der Passivschicht führt, wird diskutiert. Bei intakter Passivschicht wird erwartet, daß die in das Gewebe übertretenden Legierungsbestandteile im gleichen Mengenverhältnis wie in der Legierung stehen. Diese Mengenverhältnisse können durch biologische Regelmechanismen verändert werden. Weiterhin wurden mit instrumenteller Neutronenaktivierungsanalyse das Kontaktgewebe und die umliegende Muskulatur auf die Elemente Chrom, Eisen, Kobalt, Nickel, Molybdän und Wolfram (im Stahl enthalten) sowie auf die zum Teil essentiellen Spurenelemente Kalium, Zink, Selen, Brom und Rubidium untersucht. Die Kontaktgewebeproben erwiesen sich bezüglich des Gehaltes an metallspezifischen Elementen als stark angereichert, wobei die über die Normalwerte hinaus erhöhten Konzentrationen der Elemente Nickel, Chrom, Kobalt und Molybdän in jeweils konstanten Verhältnissen beobachtet wurden. Das hiervon abweichende Verhalten des Eisens dürfte auf die Existenz eines Regulierungsmechanismus hindeuten. Auch einige der nicht im Stahl vorhandenen Spurenelemente zeigen ein anomales Verhalten. Zum Beispiel sind K, Zn, Se und Rb im Kontaktgewebe, verglichen mit den umgebenden Geweben, erniedrigt, während Br im Kontaktgewebe um etwa den Faktor 2 angereichert gefunden wird. Das läßt den Schluß zu, daß eine Belastung des Gewebes mit den Edelstahlkorrosionsprodukten nicht nur durch eine Anreicherung der legierungsspezifischen Elemente, sondern auch durch eine Störung des Spurenelementhaushaltes gekennzeichnet ist.

Abstract

The long-term behaviour of corrosion products of steel implants was investigated by means of animal experiments. 30 rabbits were subject to an osteosynthesis of their left hind legs. The bone fragments of each were fixed by a V4A steel plate and 3 to 4 screws. One year after the implantation the rabbits were sacrificed and samples of the tissues as well as of the implants were analyzed. By means of electron spectroscopy for chemical analysis (ESCA) informations were obtained on thickness, composition and valence State of the components of the alloy in the outer surface layer. It turned out that the steel implants were coverd by an easily destroyable oxide layer of 3 to 5 nm only, parts of which were Cr, Fe and Mo. Ni, however, was not found. This passive layer was rather strongly enriched in Cr. An increased content of Cr was also revealed in the deeper metal layer next to the passive one. The mechanism leading to the formation of the passive layer is discussed. Provided that the passive layers of the implants are intact, the Contents of the alloy deposited in the adjacent tissue are expected to be correspondent with the composition of the alloy. The concentrations of the corrosion produets in the tissues can, however, be changed by biological regulatory processes. Moreover, the contact tissues and the surrounding muscles were investigated for the elements Cr, Fe, Co, Ni, Mo and W which are contained in the steel, and for the partially essential trace elements K, Zn, Se, Br and Rb by means of instrumental neutron activation analysis. The samples of contact tissue proved to be strongly enriched with regard to the content of alloy-specific elements. Concentrations higher than the normal values of the elements Ni, Cr, Co and Mo were observed to be present at constant ratios. The behaviour of Fe, however, is an exception from this rule indicating the existence of a regulation mechanism. Also some other trace elements not contained in the steel show an anomalous behaviour. So, for instance, K, Zn, Se and Rb in contact tissue are decreased in comparison with the surrounding tissues, while Br in contact tissue is enriched by a factor of 2. Thus it is proved that an overburden of tissue with corrosion products of stainless steel does not only mean that the alloy-specific elements become enriched, but also that they disturb the balance of trace elements in the body.