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Z Orthop Unfall 2018; 156(01): 85-92
DOI: 10.1055/s-0043-120917
Originalarbeit
Georg Thieme Verlag KG Stuttgart · New York

Haftung von Knochenzement auf keramischen Oberflächen – Deaktivierung der Oberfläche als wirksame Retentionsfläche für Knieendoprothesen durch die Adsorption von atmosphärischem Wasser

Bone Cement Adhesion on Ceramic Surfaces – Deactivation of Surfaces and as a Consequence Inefficient Retention of Knee Prostheses Because of Adsorption of Atmospheric Water
Bernd Marx
1   Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF), RWTH Aachen
,
Philip Kerschbaum
2   Zentrum für Bio-Medizintechnik der RWTH Aachen, CC&A Medical Components Ltd., Aachen
,
Stephanie Lindlahr
2   Zentrum für Bio-Medizintechnik der RWTH Aachen, CC&A Medical Components Ltd., Aachen
,
Rudolf Marx
2   Zentrum für Bio-Medizintechnik der RWTH Aachen, CC&A Medical Components Ltd., Aachen
,
Uwe Reisgen
1   Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF), RWTH Aachen
,
Dieter Christian Wirtz
3   Klinik und Poliklinik für Orthopädie und Unfallchirurgie, Universitätsklinikum Bonn
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Publication Date:
22 November 2017 (online)

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Zusammenfassung

Studienziel CoCrMo-Legierungen sind kontraindiziert bei Allergikern. Für diese Patienten sind im Hüftbereich zementfreie und zementierte Prothesen aus nicht allergenen Titanlegierungen verfügbar. Knieendoprothesen aus dieser Legierung, insbesondere auch die Tibiateile dieser Prothesen, können im Zusammenwirken mit dem UHMWPE-Inlay (Kunststoffgleitschicht) ein problematisches Abriebverhalten zeigen. Deshalb sind im Kniebereich zementierte Endoprothesen aus ebenfalls nicht allergener Oxidkeramik sinnvoll, besonders wenn es sich um eine „mobile-bearing“-Prothese handelt. Knochenzement hat zu einer Keramikoberfläche eine deutlich geringere Retention als zu einer Metalloberfläche, insbesondere wenn die Metalloberfläche für zusätzliche mechanische Adhäsion texturiert ist. Durch Raustrahlen erzeugte Texturen auf einer keramischen Oberfläche sind wegen des Sprödbruchverhaltens von Keramik nicht sinnvoll. Mangelnde Retention des Knochenzements auf der Keramikoberfläche begünstigt Mikrobewegungen der Prothese, die das Risiko des „Debonding“ erhöhen. Eine Silikat-/Silanbeschichtung kann durch spezifische Adhäsion die Retention auch ohne Texturen gegen hydrolytische Degradation stabilisieren und so „Debonding“ verhindern; allerdings setzt diese spezifische Adhäsion die Aktivierung der Oberfläche, also die Desorption der an der Oberfläche adsorbierten Wassermoleküle voraus.

Methode Gegenstand der Untersuchungen ist eine Kompositkeramik mit einer Aluminiumoxidmatrix, die mit Zirkoniumoxid und Stängelkristallen (Platelets) verstärkt ist (Zirkoniumoxid- und Platelet-verstärktes Aluminiumoxid: ZPTA: BIOLOX®delta, CeramTec GmbH, Plochingen). Durch die Umwandlungsverstärkung von Zirkoniumoxid und dem zusätzlichen Rissablenkungsverhalten der Stängelkristalle kombiniert der Werkstoff so die sehr geringe Abriebrate von Aluminiumoxid mit der hohen Festigkeit und Bruchzähigkeit von Zirkoniumoxid. Um die Wirksamkeit der Aktivierung durch thermische Oberflächenbehandlung und anschließender PVD-Beschichtung mit Silikat zu untersuchen, wurde die auf ihre Haftfestigkeit zu untersuchende Keramikoberfläche von ZPTA-Prüfkörpern durch Ausheizen oberflächenaktiviert. Nach ihrer Silikat-/Silanbeschichtung wurden auf die scheibenförmigen Keramikprüfkörper TiAlV-Sonden (Durchmesser 6 mm) als Stirnzugprüfkörper zentrisch aufzementiert (Abfolge: keramisches Substrat, Silikat-/Silanauftrag, PolyMA-Schutzschicht, Knochenzement, TiAlV-Sonde). Im Stirnzugversuch wurde die Haftfestigkeit bestimmt. Dabei stand die Frage im Vordergrund, bei welcher Mindesttemperatur die Aktivierung durch Ausheizen erfolgen muss.

Ergebnisse Die Haftfestigkeit auf den bei unterschiedlichen Temperaturen ausgeheizten ZPTA-Oberflächen erwies sich als eindeutig abhängig von der Ausheiztemperatur. Ab einer Ausheiztemperatur von etwa Ts ≈ 350 °C nimmt die Haftfestigkeit bei den silikatbeschichteten Oberflächen stufenförmig zu. Die beobachtete Haftfestigkeit ist vor der Stufe ≤ 20 MPa und sie ist nach der Stufe ≥ 30 MPa.

Schlussfolgerung Die Oberflächenaktivierung durch Ausheizen führt nur dann zu hohen Haftfestigkeiten, wenn diese Aktivierung bei Temperaturen T ≥ Ts erfolgt. Die untersuchte Oxidkeramik in Verbindung mit einer anschließenden Silikatbeschichtung zeigt dann eine Retention zum Knochenzement, die klinisch ausreichend sein sollte, um haftungsbedingte Migration, Mikrobewegung und haftungsbedingtes „Debonding“ zu unterbinden. Die klinische Relevanz dieser Aussage muss durch klinische Prüfungen verifiziert werden.

Abstract

Aim CoCrMo alloys are contraindicated for sufferers from allergy. For these patients, uncemented and cemented prostheses made of non-allergenic titanium alloy are indicated. Knee prostheses machined from that alloy, however, may have poor tribological behaviour, especially in contact to UHMWPE inlays. Therefore, high-strength oxide ceramics may be especially suitable for knee replacement in allergy patients with mobile bearing prostheses. For adhesion to bone cement, the ceramic surface only exhibits mechanical retention spots that are less adequate than those with a textured metal surface. Generating undercuts by corundum blasting is highly efficient for mechanical adhesion to a CoCrMo surface, but is not possible on a ceramic surface, due to the brittleness of ceramics. Lack of retention of bone cement promotes micromotions of the prostheses. As a consequence of micromotions, early aseptic loosening is predictable. Silicoating (silicate and silane layering) of the ceramic surface would allow specific adhesion and hence would result in increased and hydrolytically more stable bonding between the bone cement and the prosthesis surface – thereby preventing early aseptic loosening. Silicoating, however, presupposes a chemically active surface that is not blocked by a layer of chemisorbed molecules, e.g. water. Desorption of this chemisorbed layer is mandatory and can be attained by baking out the surface.

Method In order to evaluate the effectiveness of surface activation via thermal treatment by baking out, with subsequent silicoating of the surface, the bond strengths of thermally treated and silicate layered ZPTA samples were compared with thermally treated surfaces that had not been silicoated. In our study of thermal surface treatment for baking out the surface, we focused on the question of whether there is a minimal “critical” temperature Ts for effective desorption of a chemisorbed water layer. The samples were prepared for the traction-adhesive strength test (sequence: ceramic disc, silicate and silane layering, protective lacquer (“PolyMA” layer), bone cement, TiAlV probes for the traction-adhesive strength test) and their traction-adhesive strengths were then measured.

Results The bond strength was measured as a function of temperature for ceramic discs that had been baked out and subsequently silicoated. This was graduated, exhibits with a pronounced increase in the bond strength at a baking temperature of Ts ≈ 350 °C. The observed bond strengths before the step are ≤ 20 MPa and after the step ≥ 30 MPa.

Conclusion Silicoating is effective in achieving high bond strength of bone cement on surfaces of oxide ceramics and can also stabilise the long term behaviour of the bond strength, provided the surface has been thermally treated prior to silicoating. Because of the proposed migration of the silicoating layer, micromotions and debonding should be widely reduced or even eliminated.

Schlüsselwörter

Knieendoprothese - aseptische Lockerung - allergene Potenz - Silikatbeschichtung - Keramik

Key words

knee endoprothesis - aseptical loosening - allergenic potential - silicate coating - ceramics