PVD-Silikat-Beschichtung für die verbesserte Zementhaftung auf Endoprothesen aus ATZ-Dispersionskeramik

Zusammenfassung

Studienziel: CoCrMo-Legierungen sind kontraindiziert bei Allergikern. Für diese Patienten sind im Hüftbereich zementfreie Prothesen aus Titanlegierung verfügbar. Zementfreie Knieendoprothesen, insbesondere die Tibiateile dieser Prothesen, haben wegen geringem Formschluss wenig Primärretention. Deshalb sind im Kniebereich zementierte Endoprothesen aus hochfester Oxidkeramik oder Endoprothesen aus CoCrMo-Legierung, beschichtet mit einer abschirmenden ZrN- bzw. TiNbN-Antiallergieschicht, sinnvoll. Die Endoprothesenoberfläche aus Oxidkeramik hat für Knochenzement eine deutlich schlechtere mechanische Retention als eine Metalloberfläche. Hinterschneidungen von durch Raustrahlen erzeugten Texturen sind auf einer keramischen Oberfläche wegen deren Sprödigkeit nicht möglich. Mikrobewegungen werden begünstigt, sodass das Debondingrisiko erhöht ist. Silikatisieren kann durch spezifische Adhäsion die Retention insbesondere auch gegen hydrolytische Degradation stabilisieren. Methode: Um die Wirksamkeit der Silikatisierung zu validieren, wurde die auf ihre Haftfestigkeit zu untersuchende „Alumina toughened Zirconia“-(ATZ-)Keramikoberfläche durch Korundstrahlen (mittlere Korngröße 50 µm) gereinigt und chemisch aktiviert. Nach Silikatbeschichtung wurden TiAlV-Sonden (Durchmesser 6 mm) als Stirnzugprüfkörper aufzementiert und nach vorgegebenen Fristen hydrolytischer Belastung bis zu 360 Tage bei 37 °C in Ringerlösung die Haftfestigkeit geprüft. Als Referenz dienten Prüfkörper aus „as fired“-ATZ-Keramik und aus abgestrahlten bzw. abgestrahlten und silikatisierten CoCrMo-Prüfkörpern. Ergebnisse: Die Haftfestigkeit auf der silikatisierten ATZ-Oberfläche erwies sich innerhalb des Beobachtungsintervalls als hydrolysestabil und war nach allen untersuchten Auslagerungsintervallen stets größer als 20 MPa. Schlussfolgerung: Die Silikatbeschichtung sollte bei der untersuchten Oxidkeramik nach chemischer Aktivierung durch Abstrahlen mit Korund der Korngröße 50 µm zu einer Retention führen, die klinisch ausreichend ist, um Migration, Mikrobewegung und Debonding weitgehend zu unterbinden.

Abstract

Aim: CoCrMo alloys are contraindicated for allergy patients. For these patients, cemented or uncemented prostheses made of titanium alloy are indicated. Uncemented prostheses, however, have low primary retention, particularly the tibial components of knee joint prostheses because of the lack of a positive locking. Therefore, for knee replacement cemented CoCrMo prostheses may be suitable also for allergy sufferers if these are masked by ZrN or TiNbN layers. Alternatively the CoCrMo alloy may be replaced by high-strength oxide ceramics. For adhesion of bone cement to the ceramic surface, however, only inefficient mechanical retention spots are exposed as compared with a metal surface. Undercuts generated by corundum blasting, although highly efficient on a CoCrMo surface, are not such efficient centres on a ceramic surface due to its brittleness. Therefore, the mechanical component of retention is significantly reduced. When specific adhesion between bone cement and surface does not exist due to physical and chemical forces, the hydrolytic stability will be insufficient. Micromotions are promoted and early aseptic loosening is predictable. Silicoating of the ceramic surface will allow specific adhesion and can result in better hydrolytic stability of bonding. Methods: In order to evaluate the effectiveness of silicoating the bond strengths of blasted (mean size of corundum grains 50 µm) and silicate layered alumina-toughened zirconia (ATZ) surfaces were compared with “as fired” surfaces by utilising TiAlV probes (diameter 6 mm) for traction-adhesive strength testing. Samples machined out of CoCrMo alloy were utilised for reference. After preparing the samples for traction-adhesive strength testing (sequence: substrate, silicate and silane, protective lacquer [PolyMA], bone cement, TiAlV probe) they were aged up to 360 days at 37 °C in Ringer's solution. Results: The bond strengths observed for all ageing intervals were well above 20 MPa and much higher and more hydrolytically stable for blasted and silicate-layered compared with “as fired” ATZ samples. Conclusion: Silicoating may be effective for achieving a high initial bond strength of bone cement on surfaces of oxide ceramics and also suitable to stabilise bond strength under hydrolytic conditions as present in the human body. Activation by low grain size corundum (mean grain size 50 µm) seems to be effective for activation without deteriorating the bending strength of the ceramics investigated. Due to the proposed layer system migration, micromotions and debonding should be widely reduced or even eliminated.

Schlüsselwörter

Knieendoprothese - Oxidkeramik - aseptische Lockerung - silikatisieren - hydrolytische Stabilität

Key words

total knee replacement - oxide ceramics - aseptic loosening - silicoating - hydrolytic stability

Literatur

• 1 Mittelmeier H. Report on the first decennium of clinical experience with a cementless ceramic total hip replacement.  Acta Orthop Belg. 1985;  51 367-376
• 2 Oonishi H, Aono M, Murata N et al. Alumina versus polyethylene in total knee arthroplasty.  Clin Orthop Relat Res. 1992;  282 95-104
• 3 Oonishi H, Ueno M, Kim S C et al. Ceramic versus cobalt-chrome femoral components; wear of polyethylene insert in total knee prosthesis.  J Arthroplasty. 2009;  24 374-382
• 4 Otto M. Klassifikation bei Protheseninsuffizienz und Partikelbestimmung.  Pathologe. 2008;  29 S232-S239
• 5 Willmann G. Keramische Pfannen für Hüftendoprothesen. Teil 3: Zum Problem der Osteointegration monolithischer Pfannen.  Biomedizinische Technik. 1997;  42 256-263
• 6 Zichner L, Lindenfeld T. In-vivo-Verschleiß der Gleitpaarungen Keramik-Polyethylen gegen Metall-Polyethylen.  Orthopäde. 1997;  26 129-134
• 7 Bader R, Bergschmidt P, Fritsche A et al. Alternative Werkstoffe und Lösungen in der Knieendoprothetik für Patienten mit Metallallergie.  Orthopäde. 2008;  37 136-142
• 8 Kircher J, Bergschmidt P, Bader R et al. Die Bedeutung der Gleitpaarung beim jüngeren Endoprothesenpatienten.  Orthopäde. 2007;  36 337-346
• 9 Cordingley R, Kohan L, Ben-Nissan B et al. Alumina and zirkonia bioceramics in orthopaedic applications.  J Aust Ceram Soc. 2003;  39 20-28
• 10 Bädorf D. Ceramics in total Knee Replacement – a new Concept. Bioceramics in Orthopaedics – new Applications. In: Puhl W, ed. Bioceramics in Orthopaedics– new Applications. Stuttgart: Enke; 1998: 112-118
• 11 Harrysson O L A, Robertsson O, Nayfeh J. Higher cumulative revision rate of knee arthroplasties in younger patients with Osteoarthritis.  Clin Orthop Relat Res. 2004;  421 162-168
• 12 University of Michigan .Biomaterials Properties – Surface Free Energy. Im Internet:. http://www.lib.umich.edu/taubman-health-sciences-library/biomaterials-properties-surface-free-energy Stand: 14.01.2011
• 13 KRÜSS Advancing Surface Science .Solids – Selected literature values for surface free energies. Im Internet:. http://www.kruss.de/en/theory/substance-properties/solids.html Stand: 14.01.2011
• 14 Nevelos J. Surface engineering of prosthetic knee components.  The Knee. 2004;  11 163-167
• 15 Gekeler J. Sphärische Press-fit-Pfannen und erste klinische Erfahrungen mit der Keramik-Gleitpaarung (PLASMACUP SC). In: Puhl W, ed. Bioceramics in Orthopaedics – new Applications. Stuttgart: Enke; 1999: 32-38
• 16 Begand S, Oberbach T, Glien W. Characteristic properties of a new dispersion ceramic.  Key Engineering Materials. 2007;  330–332 1207-1210
• 17 Rahaman M N, Yao A H, Bal B S et al. Ceramics for prosthetics hip and knee joint replacement.  J Am Ceram Soc. 2007;  90 1965-1988
• 18 Salmang H, Scholze H. Keramik. In: Telle R, Hrsg. Keramik. Berlin: Springer; 2007
• 19 Clarke I C, Pezzotti G, Green D D et al. Severe Simulation Test for run-in Wear of all-Alumina compared to Alumina Composite THR. In: D'Antonio J A, Dietrich M, eds. Bioceramics and alternative Bearings in joint Arthroplasty. Proceedings 10th BIOLOX® Symposium Washington. Berlin: Springer; 2005: 11-20
• 20 Brockmann W, Geiß P L, Klingen J et al. Adhesive Bonding: Materials, Applications and Technology. Weinheim: Wiley-VCH; 2009
• 21 Habenicht G. Kleben. Grundlagen, Technologien, Anwendungen. Berlin: Springer; 2009
• 22 Kern M, Eschbach S. Kleben – Neue Wege in der Prothetik.  Zahnärztl Mitteilungen. 2008;  98 44-50
• 23 Musil R, Tiller H J. Der Kunststoff-Metall-Verbund. Heidelberg: Hüthig; 1989
• 24 Lohbauer U, Zipperle M, Rischka K et al. Hydroxylation of dental zirconia surfaces: characterization and bonding potential.  J Biomed Mater Res Part B: Applied Biomater. 2008;  87?B 461-467
• 25 Kern M, Barloi A, Yang B. Long-term bond strength to zirconia ceramic after different surface conditioning.  Journal Dental Research. 2008;  87 Abstr No 1059
• 26 Wikipedia .Ausheizen. Im Internet:. http://de.wikipedia.org/wiki/Ausheizen Stand: 24.01.2011
• 27 Ciftcioglu C. Untersuchungen zur Verbundfestigkeit von Zirkononiumoxid mit verschiedenen Kompositklebern – eine In-Vitro-Studie. [Dissertation] Universität Bonn; 2008
• 28 Wirtz D C. Eine neue Beschichtungsmethode für zementierte Femurschaftimplantate zur hydrolysestabilen Optimierung des Metal-Knochenzement-Verbundes. [Habilitation] Aachen: Wissenschaftsverlag Mainz; 2001
• 29 Begand S, Oberbach T, Glien W. Investigations of the mechanical properties of an alumina toughened zirconia ceramic for an application in joint prostheses.  Key Engineering Materials. 2005;  284–286 1019-1022
• 30 Cristofolini L, Affatato S, Erani P et al. Implant fixation in knee replacement: preliminary in vitro comparison of ceramic and metal cemented femoral components.  The Knee. 2009;  16 101-108
• 31 Vetter S. Analyse und Bewertung der Verbundhaftung von Keramik und Knochenzement in der Knieendoprothetik. [Dissertation] Technische Hochschule Stuttgart; 2003
• 32 Edelhoff D, Abuzayeda M, Yildirim M et al. Adhäsion von Kompositen an hochfesten Strukturkeramiken nach unterschiedlicher Oberflächenbehandlung.  Dtsch Zahnärztl Z. 2000;  55 617-623
• 33 Plueddemann E P. Silane Coupling Agents. New York: Plenum; 1982
• 34 Sun R, Suansuwan N, Kilpatrick N et al. Characterisation of tribochemically assisted bonding of composite resin to porcelain and metal.  J Dentistry. 2000;  28 441-445
• 35 Mannocci F, Sherriff M, Watson T F et al. Penetration of bonding resins into fibre-reinforced composite posts: a confocal microscopic study.  Int Endodontic J. 2005;  38 46-51
• 36 Erli H J, Marx R, Paar O et al. Surface pretreatments for medical application of adhesion.  BioMedical Engineering OnLine. 2003;  2 2-18
• 37 Marx R, Faramarzi R, Jungwirth F et al. Silikatbeschichtung zementierter Titanschäfte für die Reduzierung aseptischer Lockerungsraten.  Z Orthop Unfall. 2009;  147 1-8
• 38 Marx R, Fischer H. „Werkstück und Verfahren zum Herstellen und zum Verwerten des Werkstückes“. (DE-Patent 19 937 864, EU-Patent 1 202 702, US-Patent 6 777 028)
• 39 Munz D, Fett T. Ceramics: mechanical properties, failure behaviour, materials selection. Berlin: Springer; 1999
• 40 Gruber M. Untersuchung zur Biegefestigkeit von Zirkoniumdioxid nach unterschiedlicher Oberflächenbearbeitung und künstlicher Alterung. [Dissertation] LMU München; 2009
• 41 Edelhoff D, Weber M, Spiekermann H et al. PVD-Beschichtung für verbesserte Retention glasfaserverstärkter Wurzelkanalstifte.  Schweiz Monatsschr Zahnmed. 2006;  116 992-999
• 42 Thomas P, Schuh A, Ring J et al. Orthopädisch-chirurgische Implantate und Allergien.  Orthopäde. 2008;  37 75-88
• 43 Murray M G S, Facchini A, Sicking R et al. Development of an advanced ceramic/titanium alloy knee joint.  Bioceramics. 1999;  12 67-70