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Quantitative Messung und Charakterisierung von rückflächigem Polyethylenverschleiß an künstlichen Hüftpfannen
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Published: | November 6, 2018 |
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Fragestellung: Neben dem primären Verschleißprozess treten in der Hüftendoprothetik auch sekundäre Verschleißprozesse aufgrund von Mikrobewegung z.B. an der Rückseite von fixierten Polyethylen (PE)-Inlays auf. Die Literatur zur Untersuchung von rückflächigem Verschleiß ist auf eine rein subjektive Bewertung von Oberflächenschäden limitiert und verweist häufig auf das Ergebnis eines vernachlässigbaren rückflächigen PE-Verschleiß. Jedoch weisen Osteolysen, welche am Azetabulum häufig pfannenrückseitig im Bereich der Schraubenlöcher auftreten und die daraus begünstigten Pfannenlockerungen auf ein klinisch relevantes Maß an rückflächigen PE-Verschleiß hin. Ziel der Studie ist daher die Entwicklung und Validierung einer Methode zur erstmaligen quantitativen Messung von rückflächigem PE-Verschleiß an künstlichen Hüftpfannen und die Charakterisierung der freigesetzten PE-Verschleißpartikel, um folgende Fragestellungen adressieren zu können:
- 1.
- Wird rückflächiger Verschleiß generiert und kann dieser quantitativ ermittelt werden?
- 2.
- Welche Morphologie und Größe weisen diese PE-Verschleißpartikel auf?
Methodik: Titan-Pfannensysteme (Plasmafit, UHMWPE, Aesculap) wurden unter Berücksichtigung eines Inklinationswinkels von 30° zur Lastachse sinusförmig (f=3Hz) bis zu 2,5kN exzentrisch belastet. Neben einer axialen Kompression wird gleichzeitig ein Torsionsmoment von 5Nm in die Gleitpaarung appliziert. Für eine isolierte Untersuchung von sekundären Verschleißprodukten wird der primäre Verschleiß durch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Artikulationskomponenten vermieden. Eine rückseitige Anströmung der Pfanne mit Reinstwasser ermöglicht die Erfassung von rückflächigen Verschleißpartikeln. Das Reinstwasser wird nach 2x106 Zyklen filtriert und mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops die Verschleißprodukte nach Anzahl, Größe und Morphologie gemäß ASTM F1877-05 charakterisiert.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Durch die Untersuchungen konnte rückflächiger PE-Verschleiß ermittelt werden. Bei einer Belastung von 2,5kN wurde eine geschätzte Partikelanzahl von 1,26x109 ± 9,18x107 pro 1x106 Zyklen (ETN per 106) ermittelt. Die Partikelcharakterisierung zeigte eine gemittelte Partikelgröße von 63 ± 1,7nm, eine Rundheit von 0,7 ± 0,02 und einen Aspect Ratio von 1,41 ± 0,25. Die Reproduzierbarkeit der Untersuchungsmethode bestätigt sich durch den nicht signifikanten Unterschied (p=0,461) zwischen 3 Versuchen unter gleichen Bedingungen. Die Belastung von 1,5kN zeigte gegenüber 2,5kN signifikant weniger (p<0,001) rückflächigen PE-Verschleiß. Eine Partikelanalyse ohne Belastung zeigte keine relevanten Verunreinigungen, was die Kontaminationsfreiheit des Systems nachwies. Nach unserem Wissen stellt diese Arbeit die erste Untersuchungsmethode zur quantitativen Messung und Charakterisierung von rückflächigem PE-Verschleiß an künstlichen Hüftpfannen dar. In der Folge sollen klinische Fragestellungen beispielsweise über die Effektivität von Schraubverschlüssen an künstlichen Hüftpfannen, untersucht und beantwortet werden.