Werkstoffuntersuchungen an Hüftpfannenexplantaten : ultrahochmolekulares Polyethylen in der klinischen Anwendung

Abstract

Ultrahochmolekulares Polyethylen wird seit Jahrzehnten als Gleitflächenwerkstoff für Hüftimplantate eingesetzt. Aufgrund von Knochenabbaureaktionen (Osteolyse) an der Grenzfläche Implantat und Knochen, die durch Polyethylen Verschleißpartikel induziert werden, kommt es zur Lockerung und somit zum Implantatversagen. Um das Risiko der partikelinduzierten Osteolyse zu reduzieren, wird seit 1998 vernetztes ultrahochmolekulares Polyethylen mit verbesserten Verschleißeigenschaften eingesetzt.<br />Drei Explantate wurden nach in vivo Versagen (Implantationsdauer: 5 Tage, 1 und 17 Jahre) untersucht, zum Vergleich wurde ein original verpacktes Implantat mit untersucht. Alle Explantate sind aus vernetztem Werkstoff, ausgenommen ist das nach 17 Jahren reoperierte Implantat. Folgende Methoden wurden angewendet:<br />Dynamischen Differenz Thermoanalyse, Infrarotspektroskopie, Instrumentierte Eindringprüfung, und Quellversuche.<br />In Anbetracht der klinischen Daten wird klar, dass nach fünf Tagen in vivo keinerlei Veränderungen im Werkstoff des Explantats aufgetreten sind. Nach einer Implantationsdauer von einem Jahr sind keine Änderungen der physikalischen und morphologischen Eigenschaften nachweisbar. Aus dem biologischen Umgebungsmedium aufgenommene Biomoleküle können aber sehr wohl bis in einer Tiefe von mehr als 1000 mym nachgewiesen werden. Nach einer Einsatzdauer von 17 Jahren treten deutliche Veränderungen der Morphologie, sowie der mechanischen Eigenschaften an unvernetztem UHMWPE auf.<br />Die Ergebnisse belegen eine Korrelation von Oxidationsindex mit dem Kristallinitätsgrad, sowie von Kristallinitätsgrad mit der Eindringhärte bzw. mit dem Eindringmodul. Der Oxidationsindex als Maß für Kettenspaltung deutet auf Veränderungen in der Morphologie hin. Die daraus resultierende Erhöhung des Kristallinitätsgrades bewirkt eine Erhöhung von Eindringhärte und Eindringmodul.<br />Erfahrungsgemäß lassen die gewählten Methoden auf eine gute Korrelation der Messergebnisse in der polymeren Werkstoffforschung schließen. Aus dieser Arbeit kann schlussgefolgert werden, dass zur Bewertung des Werkstoffverhaltens von Explantaten aus UHMWPE die Werkstoffkenngrößen Oxidationsindex, Kristallinitätsgrad, Eindringmodul und Eindringhärte die geeigneten Kenngrößen darstellen. Die Aussagefähigkeit der angewendeten Methoden erlaubt eine ausgezeichnete Korrelation von chemischen und morphologischen Veränderungen mit den Auswirkungen auf das mechanische Verhalten des Werkstoffes auf Mikrometerebene.<br />

Ultra high molecular weight polyethylene has been used as sliding surface in total hip joint replacement for decades. These material exhibit excellent physical, chemical and mechanical properties like high wear resistance, biocompatibility, crack propagation resistance, strength and ductility. Wear particle induced osteolyses leads to cup loosening. Therefore highly crosslinked ultra high molecular weight polyethylene with enhanced wear resistance is used since 1998 for clinical applications.<br />Three retrieved and one not used hip cup were analysed. The range of in vivo duration of three retrieved implants was 5 days, 2 years and 17 years.<br />All implants are highly crosslinked, exclusive of the 17 years implanted one.<br />Following methods were used for testing the morphological, mechanical and chemical properties: Differential scanning calorimetry, Fourier transformed infrared spectroscopy, nanoindentation and swell experiments.<br />Considering the clinical data, five days in vivo did not affect any modification of material. The explant with in vivo service of one year shows a FTIR peak which can be attributed to bio-molecules diffused from the biological surrounding into the implants. The bio-molecules did not affect any structural properties.<br />The retrieved non crosslinked implant exhibits changes in morphology as well as in mechanical properties after in vivo duration of 17 years.<br />Comparing the results following correlation was found: oxidative degradation (in term of oxidation index) influences the degree of crystallinity as well as the degree of crystallinity leads to higher indentation modulus or indentation hardness. Chain scissions indicating a higher degree of crystallinity cause an increase of indentation modulus and indentation hardness.<br />According to experience the chosen methods enable correlation of structure parameters and mechanical properties in polymer research. Considering the actual work the appropriate parameters for material evaluation are oxidation index, degree of cristallinity, indentation modulus and indentation hardness.