Comparative studies of conventional and cross-linked implants and explants

Abstract

Total Hip Replacement (THR) is a surgical technique to treat patients suffering from severe musculoskeletal disorders or injury of the hip. In this technique, the bearing surfaces of the femur (thigh bone) and hip are replaced by prostheses that renew functioning of the hip. Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) has been extensively used since 1960’s to manufacture hip replacement components such as acetabular liners. Wear and oxidative degradation are major reasons of failure of UHMWPE components or may hinder the in-vivo performance of the components. Therefore, it is important to investigate the surface and subsurface chemical, physical and mechanical properties of retrieved UHMWPE acetabular liners. In this study, we aimed to reveal different aspects of the effects of combined chemical, physical and mechanical properties on in-vivo time. A total number of 20 explants, 2 conventional and 18 cross-linked have been tested for their chemical, morphological and micromechanical properties. Two commercial engineering polymer blocks GUR 1050, GUR 1020 and GUR 1020 doped with Vitamin E (Vit. E) were also investigated. For comparison reasons, results from former studies carried out at TU-Wien were included and discussed. Additionally, the accelerated aging was examined to better understand the in-vivo structural, physical, mechanical and tribological properties. Stereomicroscope, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Depth Sensing Indentation (DSI), Small Punch Test (SPT), and Ball-on-Plate (BOP) equipment and techniques for tests and measurements were used. OI increases with increasing in-vivo time and the value of OI is higher in conventional explants than all different types of cross-linked explants. In the conventional explants (in-vivo time & 15 years), the higher the oxidation index (OI & 2) correlates with increasing the degree of crystallinity. Increasing the chain scission via oxidation leads to increasing degree of crystallinity and results in increasing E- modulus in conventional explants. The first generation cross-linked remelted explants show the lowest degree of crystallinity, but they are better stabilized against oxidative degradation. The second-generation cross-linked explants show higher degree of crystallinity than the first-generation remelted and annealed explants. FTIR and DSI results show that, with aging, the OI and E-Modulus substantially increases for GUR 1050 and GUR 1020 type bulk materials and higher OI makes material susceptible to severe wear. The more oxidized conventional explants have less toughness than their bulk material. As Vit E. hinders oxidation, GUR 1020 Vit. E samples’ wear rate does not change dramatically. Furthermore, cross-linked implants are far more wear resistant than bulk material but less tough. For all materials abrasive wear is the dominant wear mechanism. The relatively higher work to failure i.e. toughness values of DePuy (cross-linked, remelted) and second generation (cross-linked, sequentially annealed or using high pressure to form) explants is a result of the irradiation dose and thermal treatment after cross-linking. Moreover, DePuy explants have higher toughness values than other second-generation explants which is believed to be a result of moderate irradiation dose exposure of the explant during cross-linking. Cross-linked and remelted explants showed lower ultimate tensile strength and toughness. In this work an attempt was taken to correlate stiffness values obtained from DSI and SPT methods. E-modulus values obtained from SPT method are lower than the ones from DSI method.

Totalhüftprothesen (engl. Total Hip Replacement (THR)) ist eine Operationstechnik zur Behandlung von Patienten mit Muskel-Skelett-Erkrankungen oder einer Hüftverletzung. Bei dieser Technik werden die Auflageflächen des Femurs (Oberschenkelknochen) und der Hüfte durch Prothesen ersetzt. Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE) wird seit den 1960er Jahren in großem Umfang zur Herstellung von Hüftersatzkomponenten wie Hüftgelenkpfannen verwendet. Verschleiß und oxidativer Abbau sind die Hauptgründe für die Schaden von UHMWPE- Komponenten. Daher ist es wichtig, die chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften von UHMWPE aus Hüftgelenkpfannenauskleidungen. Das Ziel dieser Studie ist es, verschiedene Aspekte der Auswirkungen kombinierter chemischer, physikalischer und mechanischer Eigenschaften auf die In-vivo-Zeit aufzuzeigen. Insgesamt 20 Explantate, 2 konventionelle und 18 vernetzte, wurden auf ihre chemischen, morphologischen und mikromechanischen Eigenschaften getestet. Zwei kommerzielle technische Polymerblöcke GUR 1050, GUR 1020 und GUR 1020, die mit Vitamin E (Vit. E) dotiert waren, wurden ebenfalls untersucht. Zu Vergleichszwecken wurden Ergebnisse früherer Studien an der TU-Wien aufgenommen und diskutiert. Zusätzlich wurde die beschleunigte Alterung untersucht, um die in- vivo strukturellen, physikalischen, mechanischen und tribologischen Eigenschaften besser zu verstehen. Stereomikroskop, Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Depth Sensing Indentation (DSI), Small Punch Test (SPT) und Ball-on-Plate (BOP) Geräte und Techniken wurden für die Tests und Messungen verwendet. Bei herkömmlichen Explantaten steigt der OI mit zunehmender In-vivo-Zeit und der OI-Wert ist höher als bei vernetzten Explantaten. Bei den herkömmlichen Explantaten (In-vivo-Zeit & 15 Jahre) wird gezeigt, dass der Kristallinitätsgrad umso höher ist, je höher der Oxidationsindex (OI & 2) ist. Das Erhöhen der Kettenspaltung durch Oxidation führt zu einem zunehmenden Kristallinitätsgrad und daraus folgt bei herkömmlichen Explantaten zu einem zunehmenden E-Modul. Die vernetzten umgeschmolzenen Explantate der ersten Generation weisen den niedrigsten Kristallinitätsgrad auf, sind jedoch besser gegen oxidativen Abbau stabilisiert. Die vernetzten Explantate der zweiten Generation zeigen einen höheren Kristallinitätsgrad als die umgeschmolzenen und getemperten Explantate der ersten Generation. FTIR- und DSI-Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmendem In-vivo-Zeit der OI- und E-Modul für das Grundmaterial vom Typ GUR 1050 und GUR 1020 erheblich ansteigt und ein höherer OI das Material anfällig für starken Verschleiß macht. Die stärker oxidierten konventionellen Explantate haben eine geringere Zähigkeit als ihr Schüttgut. Da Vitamin E die Oxidation behindert, ändert sich die Verschleißrate der GUR 1020 Vitamin E-Proben nicht dramatisch. Darüber hinaus sind vernetzte Implantate weitaus verschleißfester als Schüttgut, jedoch weniger zäh. Bei allen Materialiendominiert der abrasiver Verschleiß. Die relativ hohe Zätigkeit bis zum Bruch, d.h. die Zähigkeitswerte von DePuy-Explantaten (vernetzt, umgeschmolzen) und Explantaten der zweiten Generation (vernetzt, nacheinander getempert oder unter Verwendung von Hochdruck), sind ein Ergebnis der Bestrahlungsdosis und der Wärmebehandlung nach der Vernetzung. Darüber hinaus weisen DePuy-Explantate höhere Zähigkeitswerte als andere Explantate der zweiten Generation auf, was vermutlich auf eine mäßige iiiBestrahlungsdosis des Explantats während der Vernetzung zurückzuführen ist. Vernetzte und umgeschmolzene Explantate zeigten eine geringere Zugfestigkeit und Zähigkeit. In dieser Arbeit wurde versucht, Steifigkeitswerte zu korrelieren, die mit der DSI- und SPT- Methoden erzielten wurden. Die mit der SPT-Methode erhaltenen E-Modul-Werte sind niedriger als die mit der DSI-Methode erhaltenen E-Modul-Werte.