Freisetzung des Röntgenkontrastmittels Zirkoniumdioxid an der implantatzugewandten Seite von PMMA-Zementköchern - REM-Analyse und -Charakterisierung bei zementierten Hüftendoprothesenschäften vom Typ CF-30

Release of the radiopacifying agent zirconium dioxide on the implant-facing side of the PMMA-cement mantle - SEM-analysis and characterization of cemented hip arthroplasties type CF-30

von Antje Schunck
Dissertation
Datum der mündl. Prüfung:2020-08-19
Erschienen:2020-08-11
Betreuer:Gottfried Dipl.-Ing. Buchhorn
Gutachter:Prof. Dr. Wolfgang Schultz
Gutachter:Prof. Dr. Arndt Schilling
Gutachter:Prof. Dr. Joachim Lotz
Zum Verlinken/Zitieren: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8143

 

 

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Zusammenfassung

Englisch

Aseptic loosening is the main reason for the failure of hip endoprostheses. Since a strong increase in joint replacement operations is expected due to demographic change, it is important to design the prosthesis systems in a way that the risk of aseptic loosening is minimized. The bone cement or the cementing technique has been the weak spot in cemented systems for several years. The contribution of the radiopacifying agent (zirconium dioxide or barium sulfate) to the abrasion-related osteolysis has not yet been fully understood. An accumulation of zirconium dioxide in the macrophages of the interface granulation tissue by a factor of 10 and a grain size of the radiopacifying agent in the macrophages smaller than originally added to the cement have been described in previous studies. This thesis documents the morphology of the implant-facing side of the bone cement as the main source of cement abrasion in cemented CF-30 hip arthroplasty stems, which are particularly suitable for this due to the stem geometry and the high loosening rates, using e.g. electron microscopy, EDX and interferometry. It could be shown that the zirconium dioxide is in the form of agglomerates with an average size of 10 to 15 µm unevenly distributed in the matrix. Small grains of the radiopacifying agent can be distinguished within these agglomerates. The grains in turn have a different internal structuring (granular surface with partial polishing). Depending on the particle cohesion, either individual particles of the radiopacifying agent are loosened and broken out or ground off. It can be assumed that the radiopacifying agent grains are directly comminuted by the metal stem and thus increase the reactive surface with an increased biological reaction to the foreign material and consecutive progress of the aseptic loosening. Therefore, a viable option is the development of alternative biocompatible radiopacifying agent with a hardness similar to that of acrylate, which do not tend to crush and have no significant abrasive properties.
Keywords: Aseptic loosening; zirconium dioxide; particle disease; CF-30; hip endoprosthesis; bone cement; radiopacifying agent

Deutsch

Die aseptische Lockerung ist Hauptgrund für das Versagen von Hüftendoprothesen. Da aufgrund des demographischen Wandels eine starke Zunahme der Gelenkersatzoperationen zu erwarten ist, gilt es, die Prothesensysteme so zu gestalten, dass das Risiko der aseptischen Lockerung minimiert wird. Schwachpunkt bei zementierten Systemen ist unverändert der Knochenzement bzw. die Zementiertechnik. Der Beitrag des Röntgenkontrastmittels (Zirkoniumdioxid bzw. Bariumsulfat) zur abriebbedingten Osteolyse ist noch nicht vollständig geklärt. Eine Anreicherung von Zirkoniumdioxid in den Makrophagen des Periimplantatgewebes um den Faktor 10 sowie eine kleinere Korngröße des Röntgenkontrastmittels in den Makrophagen als ursprünglich dem Zement zugesetzt, wurden in vorhergehenden Untersuchungen beschrieben. Die vorliegende Arbeit dokumentiert u.a. mittels Elektronenmikroskopie, EDX und Weißlichtinterferometrie die Morphologie der implantatzugewandten Seite des Knochenzementes als Hauptquelle für den Zementabrieb bei zementierten CF-30-Hüftendoprothesenschäften, welche sich aufgrund der Schaftgeometrie und der hohen Lockerungsraten besonders hierfür eignen. Es konnte gezeigt werden, dass sich das Zirkoniumdioxid in Form von durchschnittlich 10 bis 15 µm großen Agglomeraten ungleichmäßig in der Matrix befindet. Innerhalb dieser Agglomerate lassen sich einzelne Körner des Röntgenkontrastmittels abgrenzen, die wiederum eine unterschiedliche interne Strukturierung (körnige Oberfläche mit teilweiser Politur) aufweisen. In Abhängigkeit vom Partikelverbund kommt es entweder zum Auslockern und Herausbrechen bzw. zum Abschleifen einzelner Partikel des Röntgenkontrastmittels. Es ist von einer direkten Zerkleinerung der Röntgenkontrastmittel-Körner durch den Metallschaft und damit Vergrößerung der reaktiven Oberfläche mit einer verstärkten biologischen Reaktion auf das Fremdmaterial und konsekutiver Progredienz der aseptischen Lockerung auszugehen. Daher bietet sich die Entwicklung alternativer biokompatibler Röntgen-kontrastmittel an, welche eine dem Acrylat ähnliche Härte aufweisen, nicht zur Zerkleinerung tendieren und über keine signifikanten abrasiven Eigenschaften verfügen.
Schlagwörter: Aseptische Lockerung; Röntgenkontrastmittel; Zirkoniumdioxid; Partikelkrankheit; CF-30; Hüftendoprothese; Knochenzement
 
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