Silikatbeschichtung zementierter Titanschäfte für die Reduzierung aseptischer Lockerungsraten

Zusammenfassung

Studienziel: CoCrMo-Legierungen sind kontraindiziert bei Allergikern. Für diese Patienten ist eine zementierte Prothese aus Titan(-Legierung) indiziert. Zementierte Schäfte aus Titan(-Legierung) können allerdings in Abhängigkeit von Prothesengeometrie und Oberflächentextur aseptische Lockerungsraten zeigen, die klinisch nicht tolerierbar sind. Große Rauigkeit in Verbindung mit geringer Abriebfestigkeit bedingt eine hohe Konzentration an Titanabriebpartikeln und diese die aseptische Lockerung. Andererseits unterstützt eine große Rauigkeit die mechanische Retention des Knochenzements auf der Prothesenoberfläche. Dadurch verbessert sich initial das Migrationsverhalten; reduzierte Mikrobewegungen zwischen Schaft und Prothesenlager sind die Folge. Zwischen Knochenzement und metallischer Oberfläche besteht aber trotzdem kein hydrolytisch stabiler Verbund, sodass mittelfristig zwangsläufig ein Debonding vorhersehbar ist. Sachgerechter sind bei leicht abradierbaren Prothesen wie Hüft-Endoprothesenschäften aus Titan(-Legierung) kleine Rauigkeiten. Das ungünstige Migrationsverhalten und die größeren Mikrobewegungen können durch eine Silikatbeschichtung (Elektrolytischer [ECD-] oder PVD-Auftrag) kompensiert werden. Methode: Um die Wirksamkeit dieser Beschichtung zu untersuchen, wurden Zugprüfkörper (n = 5) und Ausstoßkegel (n = 3…5) so raugestrahlt, dass Rauigkeiten zwischen Ra = 0,8 mm (Rz = 4 mm) und Ra = 2,0 mm (Rz = 9 mm) entstehen. Nach Silikatbeschichtung wurden diese Prüfkörper zementiert und nach vorgegebenen Fristen und Zyklenzahlen hydrolytischer und wechselnder mechanischer Belastung auf ihre Verbund- und Ausstoßfestigkeit geprüft. Ergebnisse: Die beobachtete Verbundfestigkeit im Zugtest war bei Ra = 1,7 mm für alle untersuchten Auslagerungsintervalle stets größer als 25 MPa. Die Beschichtung führt deshalb auch bei moderatem Raustrahlen (Ra = 1,7 mm) zu einer Retention, die klinisch ausreichend sein sollte, um Migration und Mikrobewegung weitgehend zu unterbinden. Schlussfolgerung: Der Abrieb im Interface, der zugleich Folge und Ursache der Lockerung ist, sollte sich reduzieren oder vermeiden lassen, wenn die Haftung des Zements auf dem metallischen Schaft durch ein chemisches Verbundsystem insbesondere gegen hydrolytisches Debonding dauerhaft stabilisiert wird.

Abstract

Aim: For cemented hip prostheses, all requirements can be fulfilled by using forged Co/Cr/Mo stems. Co/Cr/Mo alloys, however, are contraindicated for allergy sufferers. For these patients, a cemented prosthesis made of titanium (alloy) would be indicated. Cemented stems from titanium (alloy), depending on the geometry of the prosthesis and its specific surface texture, however, may have loosening rates which are clinically not tolerable. In comparison to Co/Cr/Mo alloys, the greater roughness in conjunction with lesser abrasion resistance of titanium-based alloys leads to high loosening rates caused by abrasion. On the other hand, the greater surface roughness permits good mechanical retention of bone cement to the surface. Good mechanical retention enhances migration behaviour and reduces micromotions. However, there is no stable hydrolytic bond between bone cement and metallic surface; intermediate-term debonding between metal and bone cement is predictable. This debonding results in relative movements, consequently in wear particles which have their origin both from the rough metallic surface and from the PMMA cement. The roughness of the metallic surface operates as emery and with that, a rubbing wear from the PMMA. Method: For the above reasons, a low or moderate roughness is essential for easily abradable implants such as shafts made of titanium (alloy) because low roughness provides a fail-safe running function in case of debonding. Thus, one must allow for inappropriate migration behaviour accompanied by greater micromotions due to insufficient mechanical retention in the case of low roughness. This can be accomplished by a silicate layer coating applied to the metal shaft surface via electrochemical “ECD” or physical vapour deposition “PVD”. For analysis, specimens (screws for pull-out, cones for push-out tests) were sand-blasted, so that roughnesses between Ra = 0.8 µm (Rz = 4 µm) and Ra = 2.0 µm (Rz = 9 µm) were generated. Results: The bond strengths observed in tensile tests for roughnesses of Ra = 1.7 mm were always well above 25 MPa for all periods of hydrolytic load. Therefore, the investigation shows that surfaces of moderate roughness (Ra = 1.7 µm), however coated, provide a steady retention. Cave-in and micromotions should widely be prevented. Conclusion: The abrasion, which is a consequence of and reason for debonding and loosening at the same time, should be avoidable if the bonding of cement on the metallic shaft is stabilised with the help of a suitable chemical bond system.

Schlüsselwörter

Titan - Hüft‐Endoprothese - aseptische Lockerung - silikatisieren - hydrolytische Stabilität

Key words

titanium - total hip replacement - aseptical loosening - silicate coating - hydrolytic stability

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