Mechanische In-vitro-Prüfung von fünfzehn kommerziellen Knochenzementen auf der Basis von Polymethylmethacrylat

Zusammenfassung

Einleitung: Neben den mechanischen Eigenschaften acrylischer Knochenzemente, langfristig eine effiziente kraftübertragende Funktion zwischen Prothese und Knochen zu erfüllen, ist vor allem die Optimierung der Zementiertechniken mitentscheidend für die Langzeitstabilität zementierter Hüftprothesen. Material und Methoden: Die Biegefestigkeiten von 15 im klinischen Alltag weit verbreiteten Knochenzementen (CMW 3® Gentamycin; CMW® 3; Refobacin Palacos® R; Palacos® R; Palamed® G; Palamed®; Cerafixgenta®; Cerafix®; Duracem®; Simplex® Tobramycin; Simplex® P; Versabond®; Sulcem®; Sulcem® 3 Genta; Copal®) unterschiedlicher Prüfkörperherstellungen wurden unter standardisierten In-vitro-Testbedingungen im 4-Punkt-Biegetest nach ISO 5833 mechanisch getestet. Die Oberflächen der jeweiligen Bruchstellen wurden mittels Auflichtmikroskopie morphologisch analysiert. Ergebnisse: Die höchsten gemessenen Biegefestigkeiten konnten in den Gruppen der vakuumangemischten unter Druck ausgehärteten, die niedrigsten in der Gruppe mit Blut verunreinigter Prüfkörper gemessen werden. Die Vakuumanmischtechnik führte zu deutlich reduzierten Lufteinschlüssen. Lufteinschlüsse, im Zement eingeschlossene Antibiotika- oder Blutbeimengungen konnten als mechanische Schwachstellen im Knochenzementmantel identifiziert werden. Schlussfolgerungen: Die vorliegende In-vitro-Studie demonstriert, dass der Qualität der Zementiertechnik ein mitentscheidender Einfluss für die mechanische Stabilität des Zementmantels zugeschrieben werden muss.

Abstract

Introduction The long-term stability in cemented hip arthroplasty depends not only on the mechanical properties of the acrylic bone cements but also on an improvement of cementing techniques. Material and Methods: The bending strengths of 15 commonly used bone cements (CMW 3® Gentamycin; CMW® 3; Refobacin Palacos® R; Palacos® R; Palamed® G; Palamed®; Cerafixgenta®; Cerafix®; Duracem®; Simplex® Tobramycin; Simplex® P; Versabond®; Sulcem®; Sulcem® 3 Genta; Copal®) have been mechanically tested in a standardised in vitro four-point bending test (ISO 5833). The fatigue fracture surfaces were morphologically analysed with light microscopy. Results: The highest values of bending strength were found in vacuum mixed specimens cured under pressure. The lowest values of strength were seen in with blood contaminated specimens. Fatigue cracks were often initiated from air bubbles or other inclusions such as antibiotics or blood in the bone cement. Conclusions: The present in vitro study highlights the supposition that the quality of the cementing technique is of eminent importance in determining the long-term stability of cemented hip arthroplasties.

Schlüsselwörter

acrylische Knochenzemente - mechanische Biegefestigkeiten - 4‐Punkt‐Biegetest - ISO 5833

Key words

acrylic bone cement - bending strength - four‐point bending test - ISO 5833

Literatur

• 1 Breusch S J, Kühn K D. Knochenzemente auf Basis von Polymethylmethacrylat.  Orthopäde. 2003;  32 41-50
• 2 Harkess J W. Arthroplasty of the hip. Canale ST “Campell's Operative Orthopaedics”. 9th ed. St.  Louis; Mosby-Year Book 1998: 295-425
• 3 Malchau H, Herberts P, Eisler Th, Garellick G, Söderman P. The Swedish total hip replacement register.  J Bone Joint Surg [Am]. 2002;  84 (Suppl 2) 2-20
• 4 Wirtz D C, Niethard F U. Ursachen, Diagnostik und Therapie der aseptischen Hüftendoprothesenlockerung - eine Standortbestimmung.  Z Orthop. 1997;  135 270-280
• 5 Becker C R, Lehner B, Ungethüm S, Breusch S J. Der Einfluss der Jet-Lavage auf das In-vitro-Zementierergebnis.  Orthopäde. 2006;  35 558-565
• 6 Breusch S J, Schneider U, Reitzel T, Kreutzer J, Ewerbeck V, Lukoschek M. Significance of jet lavage for in vitro and in vivo cement penetration.  Z Orthop. 2001;  139 52-63
• 7 Lewis G. Effect of mixing method and storage temperature of cement constituents on the fatigue and porosity of acrylic bone cement.  J Biomed Mater Res. 1999;  48 143-149
• 8 Lewis G. Effect of two variables on the fatigue performance of acrylic bone cement: mixing method and viscosity.  Biomed Mater Eng. 1999;  9 197-207
• 9 Benjamin J B, Gie G A, Lee A J, Ling R S, Volz R G. Cementing technique and the effects of bleeding.  J Bone Joint Surg [Br]. 1987;  69 620-624
• 10 Breusch S J, Schneider U, Kreutzer J, Ewerbeck V, Lukoschek M. Einfluß der Zementiertechnik auf das Zementierergebnis am koxalen Femurende.  Orthopäde. 2000;  29 260-270
• 11 Markolf K L, Harlan C, Amstutz M D. In vitro measurement of bone-acrylic interface pressure during femoral component insertion.  Clin Orthop. 1976;  121 60-66
• 12 Armstrong M S, Spencer R F, Cunningham J L, Gheduzzi S, Miles A W, Learmonth I D. Mechanical characteristics of antibiotic-laden bone cement.  Acta Orthop Scand. 2002;  73 688-690
• 13 Askew M J, Kufel M F, Fleissner Jr P R, Gradisar Jr I A, Salstrom S J, Tan J S. Effect of vacuum mixing on the mechanical properties of antibiotic-impregnated polymethylmethacrylate bone cement.  J Biomed Mater Res. 1990;  24 573-580
• 14 Lewis G. Fatigue testing and performance of acrylic bone-cement materials: state-of-the-art review.  J Biomed Mater Res Part B: Appl Biomater. 2003;  66 B 457-486
• 15 ISO .International Standards, ISO 5833/1. Implants for Surgery. Acrylic Resin Cements. Part I: Orthopaedic Applications. 
• 16 Harper E J, Bonfield W. Tensile characteristics of ten commercial acrylic bone cements.  J Biomed Mater Res. 2000;  53 605-616
• 17 Kühn K D, Ege W, Gopp U. Acrylic bone cements: mechanical and physical properties.  Orthop Clin North Am. 2005;  36 29-39
• 18 Schelling K, Heisel C, Schnurer S M, Mau H, Breusch S J. Neue PMMA-Knochenzemente zur Anwendung in Vakuummischsystemen.  Orthopäde. 2002;  31 556-562
• 19 Schreurs B W, Spierings P T, Huiskes R, Slooff T J. Effects of preparation techniques on the porosity of acrylic cements.  Acta Orthop Scand. 1988;  59 403-409
• 20 Jasty M, Davies J P, O'Connor D O, Burke D W, Harrigan T P, Harris W H. Porosity of various preparation of acrylic bone cement.  Clin Orthop Relat Res. 1990;  259 122-129
• 21 James S P, Jasty M, Davies J, Piehler H, Harris W H. A fractographic investigation of PMMA bone cement focusing on the relationship between porosity reduction and increased fatigue life.  J Biomed Mater Res. 1992;  26 651-662
• 22 Janssen D, Aquarius R, Stolk J, Verdonschot N. The contradictory effects of pores on fatigue cracking of bone cement.  J Biomed Mater Res Part B: Appl Biomater. 2005;  74 B 747-753
• 23 Wirtz D C. Eine neue Beschichtungsmethode für zementierte Femurschaftimplantate zur hydrolysestabilen Optimierung des Metall-Knochenzement-Verbundes. Habilitationsschrift, Aachener Beiträge zur Medizin 2002, Band 25. Wissenschaftsverlag Mainz
• 24 Majkowski R S, Bannister G C, Milles A W. The effect of bleeding on the cement-bone interface.  Clin Orthop Relat Res. 1994;  299 293-297
• 25 Gruen T A, Markolf K L, Amstutz H C. Effects of lamination and blood entrapment on the strength of acrylic bone cement.  Clin Orthop. 1976;  119 250-255
• 26 Bean D J, Hollis J M, Woo S L‐Y, Convery F R. Sustained pressurization of polymethylmethacrylate: a comparison of low- and moderate viscosity bone cement.  J Orthop Res. 1988;  6 580-584
• 27 Kavanagh B F, Wallrichs S, Dewitz M, Berry D, Currier B, Ilstrup D, Coventry M B. Charnley low-friction arthroplasty of the hip. Twenty-year results with cement.  J Arthroplasty. 1994;  9 229-234