Optimierung des Knochenzement-Implantat-Verbundes durch hydrolysebeständige Konditionierung der Metalloberfläche

Zusammenfassung

Fragestellung: Die hydrolysebedingte Degradation der Implantat-Zement-Grenzfläche ist eine der Hauptursachen der aseptischen Lockerung von zementierten Totalendoprothesen. Um eine möglichst hydrolysebeständige Verbundfestigkeit zwischen Implantat und Zement zu erreichen, wurde ein neues Verfahren zur Konditionierung der Metalloberfläche entwickelt. Erste experimentelle In-vitro-Untersuchungen an Prüfkörpern werden hier vorgestellt. Material und Methode: Die Oberfläche von jeweils 6 zylindrischen Prüfkörperpaaren (CoCr-Legierung, kreisförmige Prüfoberfläche mit Ø 6 mm) wurde durch Silikatisierung/Silanisierung so konditioniert, daß eine kovalente An-kopplung zwischen der Metalloberfläche und dem aufgebrachten Knochenzement resultierte. Zur Überprüfung der Initial- und der Hydrolysebeständigkeit wurden diese oberflächenkonditionierten Prüfkörper (OKP) als auch eine Vergleichsserie nicht oberflächenkonditionierter Prüfkörper (NKP) nach Aufbringen des Knochenzementes einem Auslagerungsversuch (0,30,90 und 150 Tage) in feuchtem Milieu (physiologische Kochsalzlösung, 37 °C) unterzogen. Die Verbundfestigkeit der Prüfkörper-Zement-Verbindungen wurde nachfolgend in Zugversuchen auf einer Universal-Zug-Druck-Prüfmaschine (Typ Z030, Zwick, Ulm) mit kardanischer Aufhängung bis zum Versagen des Zement-Implantat-Verbundes ermittelt. Ergebnisse: Im Zugversuch zum Zeitpunkt 0 d (d.h. ohne Auslagerung der Prüfkörper; d = Tage) zeigte sich für die OKP-Zement-Verbindungen eine maximale Verbundfestigkeit von durchschnittlich 39,5 MPa (SD ± 4,7 MPa) und für die NKP-Zement-Verbindungen von 37,1 MPa (SD ± 7,3 MPa) (p = 0,575). Nach den jeweiligen Auslagerungszeiten nahm die Verbundfestigkeit der NKP-Zement-Verbindungen signifikant (p < 0,01) auf durchschnittlich 13,5 MPa (SD ± 2,7 MPa) (30 d), 10 MPa (SD ± 1,7 MPa) (90 d) bzw. 12,3 MPa (SD ± 1,4 MPa) (150 d) ab. Dagegen zeigte sich bei den OKP-Zement-Verbindungen mit Verbundfestigkeitswerten von 37,0 MPa (SD ± 4,9 MPa) nach 30 d, 36,1 MPa (SD ± 5,0 MPa) nach 90 d und 30,2 MPa (SD +/- 4,7 MPa) nach 150 d eine nur wenig abnehmende Verbundfestigkeit (p > 0,01). Schlußfolgerung: Die erhöhte Hydrolysebeständigkeit des Implantat-Zement-Verbundes oberflächenkonditionierter CoCr-Prüfkörper läßt vorbehaltlich weiterer In-vitro- und In-vivo-Untersuchungen eine Verbesserung der Langzeitstabilität zementierter Endoprothesen erwarten.

Abstract

Purpose: The hydrolytic degradation of the implant-cement interface has to be seen as the main reason for aseptic loosening of cemented total hip replacements. Therefore, a new method of conditioning the metallic surface was developed in order to achieve a hydrolytic-resistant bound stability between the implant and bone cement. Preliminary experimental data on test bodies are presented here. Method: The metallic surface of 6 pairs of cylindrical test bodies each (CoCr-alloy, circular testing surface with Ø 6 mm) were conditioned by the method of silicoating/silanisation to gain a covalent coupling with the applied bone cement. In order to examine the initial stability and the hydrolytic resistance of the metal-cement Compound, these pairs of surface-conditioned test bodies (SCT) as well as a reference series of surface-unconditioned test bodies (SUT) were immersed for 0,30, 90,150 days (d) in moisture environment (physiological saline Solution, 37 °C) after coupling with bone cement. The adhesive strength of the test bodies-(bone cement-compounds) were determined by tensile tests on an universal testing machine (Typ Z030, Zwick, Ulm) with gimbal Suspension. Results: At time 0 d (that was without immersion of the test bodies) the mean maximum tensile bond strength of the SCT-cement-compounds was 39,5 MPa (SD ± 4,7 MPa) and that of the SUT-cement-compounds 37,1 MPa (SD ± 7,3 MPa) (p = 0,575). After immersion the tensile bond strength of the SUT-cement-compounds significantly decreased to an average of 13,5 MPa (SD ± 2,7 MPa) (30 d), 10 MPa (SD ± 1,7 MPa) (90 d) and 12,3 MPa (SD ± 1,4 MPa) (150 d) (p < 0,01). In contrast, the SCT-cement-compounds showed a nearly unchanged high mechanical stability with tensile bond strength values of 37,0 MPa (SD ± 4,9 MPa) after 30 d, 36,1 MPa (SD ± 5,0 MPa) after 90 d und 30,2 MPa (SD ± 4,7 MPa) after 150 d (p > 0,01). Conclusions: With reservation as to further in vitro and in vivo investigations the increased hydrolytic stability of the metal-cement-bound of surface-conditioned CoCr-alloy test bodies promises an improvement of the long-term stability of cement total Joint replacements.

Schlüsselwörter

Endoprothetik - Knochenzement - aseptische Lockerung - Hydrolyse

Key words

total Joint replacement - bone cement - aseptic loosening - hydrolysis