Polyethylen-Abrieb: Ursache oder Folge einer Endoprothesenlockerung? Untersuchungen an festen und gelockerten Hüftendoprothesen

Zusammenfassung

Studienziel: Durch die Kombination verschiedener Untersuchungstechniken soll das Umgebungsgewebe von Endoprothesen zerstörungsfrei analysiert werden. Dabei soll die Lokalisation der Polyethylen-Abriebpartikel erfasst, deren Geometrie quantitativ bestimmt und funktions- von lockerungsbedingtem Abrieb unterschieden werden. Weiterhin soll die Gewebekontamination mit anderen Implantatbestandteilen mikroanalytisch gemessen werden. Die Ergebnisse sollen dazu dienen, Verschleißmechanismen besser zu verstehen und damit Implantatoptimierungen zu unterstützen. Methode: Fünf Autopsiefälle mit festsitzenden Hüftendoprothesen (2 × Endo-Modell Mark III, 1 × St. Georg Mark II, LINK; 2 × Spongiosa Metal II, ESKA) wurden zu histologischen Schliffpräparaten aufgearbeitet. Untersuchungen der Abriebpartikel erfolgten durch eine kombinierte Anwendung verschiedener Mikroskopietechniken und hochsensitiver protonen-induzierter Röntgenemission (PIXE). Der lockerungsbedingte Abrieb wurde an der Außenkontur von Pfannen-Explantaten (St. Georg Mark II, LINK, D; n = 293) gemessen. Ergebnisse: Verschleißpartikel sind ungleichmäßig im Gewebe verteilt; bei zementierten Prothesen dominieren Zementpartikel. Metallpartikel sind intrazellulär nur vereinzelt nachzuweisen. Die Konzentration des Legierungsbestandteils Kobalt (Co) ist im mineralisierten Knochengewebe erhöht. Die gemessene Co-Deposition steht in Abhängigkeit zu Lokalisation und Standzeit des Implantates. Funktionsbedingter Polyethylen (PE)-Abrieb ist von PE-Abrieb anderer Genese (Lockerung, Impingement) morphologisch und durch die Gewebereaktion zu unterscheiden. Bei einsetzender Pfannenlockerung kann kurzfristig mehr PE-Abrieb in das Gewebe gelangen als bei normaler Funktion der Prothese über viele Jahre. Schlussfolgerung: Wurde früher eine Reduzierung der Gewebekontamination mit Implantatmaterial primär durch die Optimierung der Gleitpaarungen angestrebt, führt die Interpretation der bisher gewonnenen Befunde zu der Überlegung, andere Entstehungsmechanismen für Abriebpartikel, aber auch die Metalllegierung, stärker in Optimierungsüberlegungen für Implantate oder Implantationstechniken einzubeziehen.

Abstract

Aim: Periprosthetic tissue was analysed by the combination of different investigation techniques without destruction. The localisation and geometry of polyethylene abrasion particles were determined quantitatively to differentiate between abrasion due to function and abrasion due to implant loosening. Non-polyethylene particles from implant components which contaminate the tissue were micro-analytically measured. The results will help us to understand loosening mechanisms and thus lead to implant optimisations. Method: A non-destructive particle analysis using highly sensitive proton-induced X‐ray emission (PIXE) was developed to achieve a better histological allocation. Five autopsy cases with firmly fitting hip endoprosthesis (2 × Endo-Modell Mark III, 1 × St. Georg Mark II, LINK, Germany; 2 × Spongiosa Metal II, ESKA, Germany) were prepared as ground tissue specimens. Wear investigations were accomplished with a combined application of different microscopic techniques and microanalysis. The abrasion due to implant loosening was histologically evaluated on 293 loosened cup implants (St. Georg Mark II, LINK, Germany). Results: Wear particles are heterogeneously distributed in the soft tissue. In cases of cemented prostheses, cement particles are dominating whereas metal particles could rarely be detected. The concentration of the alloy constituent cobalt (Co) is increased in the mineralised bone tissue. The measured co-depositions depend on the localisation and/or lifetime of an implant. Functional polyethylene (PE) abrasion needs to be differentiated from PE abrasion of another genesis (loosening, impingement) morphologically and by different tissue reactions. Conclusion: In the past a reduction of abrasion was targeted primarily by the optimisation of the bearing surfaces and tribology. The interpretation of our findings indicates that different mechanisms of origin in terms of tissue contamination with wear debris and the alloy should be included in the improvement of implants or implantation techniques.

Schlüsselwörter

Elementanalyse - Endoprothese - Histologie - Metallabrieb - Verschleiß

Key words

microanalysis - arthroplasty - histology - metal ion release - wear debris

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