Entfernung von Al2O3-Restpartikeln von der Oberfläche korundgestrahlter Titanimplantate durch die ALFREDS-Oberflächenbehandlung : Effekt auf die Biokompatibilität, Osteointegration und Scherhaftfestigkeit in-vivo

Gensior, Tobias Johannes; Erli, Hans Josef Ludwig

doi:999910015125

Entfernung von Al2O3-Restpartikeln von der Oberfläche korundgestrahlter Titanimplantate durch die ALFREDS-Oberflächenbehandlung : Effekt auf die Biokompatibilität, Osteointegration und Scherhaftfestigkeit in-vivo = The removal of Al2O3 particles from grit-blasted titanium implant surfaces : effects on biocompatibility, osseointegration and interface strength in vivo

Gensior, Tobias Johannes

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tobias Johannes Gensior

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

Umfang100 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Erli, Hans Josef Ludwig (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-06-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-32922
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63160/files/3292.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Orthopädie und Unfallchirurgie - Schwerpunkt Unfallchirurgie (533500-3 ; 931510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Endoprothese (Genormte SW) ; Korundstruktur (Genormte SW) ; Aluminiumoxide (Genormte SW) ; Titan (Genormte SW) ; Gelenkendoprothese (Genormte SW) ; Medizin (frei) ; Korundstrahlen (frei) ; Osteointegration (frei) ; Scherhaftfestigkeit (frei) ; arthroplasty (frei) ; grit-blasting (frei) ; aluminumoxide (frei) ; titanium (frei) ; osseointegration (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
EINLEITUNG. In der zementfreien Hüftendoprothetik werden Titanimplantate mit Al2O3 korundgestrahlt, um die Oberfläche aufzurauen und die Osteointegration zu verbessern. Das verwendete Al2O3 wird als Restpartikel in die Oberfläche eingebettet und bedeckt je nach Hersteller 25% bis 40% der Implantatoberfläche. Diese Partikel gelangen in den Gelenkspalt, verursachen Abrieb der Prothesenkomponenten und erhöhen die Metall-Ionen-Freisetzung. Losgelöste Al-Ionen induzieren osteolytische Enzyme, TNF-alpha und hemmen die Zelldifferenzierung. Die ALFREDS-Oberflächenbehandlung entfernt bis zu 96% der Al2O3-Restpartikel von der Implantatoberfläche ohne die Mikrotopographie zu beeinträchtigen. Ziel der vorliegenden Studie war es, die ALFREDS-Oberflächenbehandlung in-vivo zu evaluieren, um ihre Biokompatibilität, Effekte auf die Osteointegration und die Scherhaftfestigkeit im Kaninchenmodell zu analysieren. Als Referenz dienten konventionell korundgestrahlte Oberflächen. METHODEN. 76 Al2O3-korundgestrahlte CP-Ti- und Ti6Al7Nb-Zylinder wurden in die distalen Femora von 38 Kaninchen implantiert und 28 oder 56 Tage nach der Operation untersucht. Jeweils die Hälfte der Implantate eines Werkstoffes wurden durch ALFREDS gereinigt. Die Oberflächenrauheit und -zusammensetzung wurden mittels Energy-Dispersive-X-ray (EDX), Back-Scattering-Electron (BSE) und non-contact-profilometry kontrolliert. Anschließend wurden Röntgenaufnahmen von jedem Implantat angefertigt und es erfolgte eine manuelle Testung der Implantatstabilität. Die mechanische Scherhaftfestigkeit der Knochen-Implantat-Grenzfläche wurde an 40 Implantaten durch einen Pushout-Test ermittelt. 36 Proben wurden histologisch und rasterelektronenmikroskopisch (REM) untersucht. Das Ausmaß der Osteointegration wurde computerassistiert histomorphometrisch quantifiziert. Statistische Berechnungen erfolgten mittels ANOVA. ERGEBNISSE. Die ALFREDS-Oberflächenbehandlung zeigte sich in der verblindeten histologischen und REM-Analyse vollständig biokompatibel. Alle Oberflächen wiesen zu beiden Standzeiten (28/56 Tage) Knochenregeneration auf, ohne Unterschiede im Knochen-Implantat-Interface oder Hinweise auf Entzündungsreaktionen. Radiologisch und histologisch konnten bei zwei konventionell Al2O3-korundgestrahlten Proben Lockerungszeichen in Form von Osteolysen und Knochenresorptionen nachgewiesen werden. Unabhägig vom Implantatmaterial zeigten die Al2O3-bereinigten Implantate in der Histomorphometrie eine über die Standzeit signifikant bessere Osteointegration (p=0.015). Im Gegensatz dazu war die mechanische Verankerung und die Scherhaftfestigkeit der konventionell behandelten Implantate zu allen Standzeiten höher (p=0.06). Es bestand keine statistisch signifikante Differenz zwischen den Implantatmaterialien. Ti6Al7Nb-Implantate waren besser osteointegriert (p=0.21) und erzielten höhere Scherhaftfestigkeiten (p=0.19). SCHLUSSFOLGERUNG. Die ALFREDS-Oberflächenbehandlung entfernt effektiv Al2O3 von Implantatoberflächen. Dies resultiert in einer reduzierten Scherhaftfestigkeit, aber einer über die Zeit signifikant besseren Osteointegration. Diese Technologie ist biokompatibel und könnte klinische Langzeiterfolge bieten, da praktisch keine Partikel mehr in den Gelenkspalt gelangen können. Zur Determinierung des Effektes auf die Osteointegration und die Implantat-Überlebenszeit sind klinische Langzeitstudien erforderlich.

BACKGROUND. Cementless endoprosthetic devices are grit-blasted with Al2O3 particles to increase surface roughness and enhance the implants´ osseous integration. Grit blasting leads to an embedding of Al2O3 particles which subsequently cover 24% to 42% [1,2] of total surface area. Dislocated into the joint space, Al2O3 causes abrasive wear of arthroplastic devices and increases metal-ion release. Apart from third-body wear, Al2O3 particles activate macrophages and inhibit bone formation. The ALFREDS-surface treatment removes approx. 96% of residual Al2O3 particles from implant surfaces, while retaining the original micro-topography. The aim of the present in-vivo study was to investigate the new surface treatment and its effect on osseous integration applied to two different metals, with a conventional grit-blasted surface serving as control.METHODS: 76 cylinders of Al2O3-blasted cpTi or Ti6Al7Nb were implanted into the distal femoral metaphysis of 38 rabbits and harvested 28 days or 56 days after surgery. Half of the implants of each raw material were cleaned with the ALFREDS surface treatment. Surface roughness and composition were controlled by Energy-Dispersive-X-ray, Back-Scattering-Electron and non-contact-profilometry. Manual testing of the implant stability and radiographs were performed for each implant. The mechanical strength of the implant-bone interface was quantified on 40 implants using a pushout test. 36 samples were investigated histologically and by scanning electron microscopy (SEM). Computer-assisted histomorphometry was applied to quantify the amount of osteointegration. Statistical analysis was performed with ANOVA.RESULTS. Blinded histological and SEM analysis revealed the ALFREDS treatment to be fully biocompatible. All surfaces exhibited early bone repair, without differences of the implant-bone interface or inflammatory reaction at any time point (28/56 days). Radiographs and histology showed signs of osteolysis in 2 conventional Al2O3-blasted implants. In histomorphometry, the Al2O3-free implants exhibited a significantly higher percentage of osteointegration (p<0.015), irrespective of implant material. Contrastingly, push-out testing revealed consistently higher shear stresses and mechanical interlocking of the conventional, grit-blasted implants at both time points (p=0.06). No statistical significant differences were found between the two raw materials, but Ti6Al7Nb-implants archieved better osteointegration (p=0.21) and higher shear stresses (p=0.19). CONCLUSIONS. The ALFREDS-surface treatment effectively removes particulate Al2O3 from implants. This leads to reduced mechanical interlocking, but significantly higher osteointegration. The technology is biocompatible and could provide long-term clinical benefits, as particle shedding into the joint space is virtually eliminated. Clinical studies are required to determine long-term effects on implant survival.

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