Keramik in der

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Keramik in der

Hüftendoprothetik:

Erfahrungen und Optionen

In der Hüftendoprothetik werden bei jüngeren Patienten zuneh- mend Hart-Hart-Gleitpaarungen wie Keramik-Keramik eingesetzt.

Im Hinblick auf die intraoperative Handhabung ergeben sich für keramische Komponenten spezifische Risiken, ζ. B. Randabsplitte- rungen am Keramik-Insert beim Einsetzen. Zudem kann ein zu ge- ringer Bewegungsumfang im künstlichen Hüftgelenk Impinge- ment, Luxation und mechanisches Versagen keramischer Kompo- nenten verursachen. In dieser Arbeit werden die Parameter Im- plantat-Design und Position, welche maßgeblich den Bewegungs-

umfang bestimmen, evaluiert.

Hinsichtlich des Implantat-Designs sollten modulare Pfannen mit randbündigem Keramik-Insert bevorzugt werden. Auf Systeme mit erhöhtem Insert-Rand sowie auf keramische Halskugeln sollte auf- grund eingeschränkter Beweglichkeit und erhöhten Bruchrisikos verzichtet werden. Größere Prothesenkopf-Durchmesser zeigen eine größere Range of Motion sowie eine höhere Stabilität der En- doprothese gegenüber Luxation. Um eine ausreichende Beweglich- keit im künstlichen Hüftgelenk zu erzielen, sind eine sorgfältige präoperative Planung und eine entsprechende, exakte intraopera- tive Positionierung der einzelnen Komponenten erforderlich. Falls diese Aspekte, insbesondere auch bei Revisionsoperationen, beach- tet werden, können mit Keramik-Keramik-Gleitpaarungen verlän- gerte Laufzeiten von künstlichen Hüftgelenken realisiert werden.

Die neu entwickelten keramischen Biokomposite (ZTA und AMC) sollten zukünftig aufgrund verbesserter mechanischer Werkstoffei- genschaften erweiterte Einsatzmöglichkeiten keramischer Hüftim- plantate ermöglichen.

Rainer Bader1, Erwin Steinhauser1, Reiner Gradinger1, Gerd Willmann2, W o l f r a m Mittelmeier1

Schlagworte:

H ü f t e n d o p r o t h e s e - Biokeramik - I m p i n - g e m e n t - I m p l a n t a t - v e r s a g e n - Revision

Einleitung

Die Indikation zur Hüftendoprothetik h a t sich auf ein j ü n g e - res, aktiveres Patientenklientel erweitert. Dadurch werden verlängerte Standzeiten bei gleichzeitig ansteigender Bean- s p r u c h u n g der Endoprothese gefordert. Da die durch Abrieb- partikel induzierte aseptische Prothesenlockerung die H a u p t - ursache f ü r einen Wechseleingriff darstellt, ist es v o r r a n g i g e s Ziel in der Hüftendoprothetik, die E n t s t e h u n g v o n Abriebpar- tikeln zu minimieren u n d eine daraus resultierende Beein- t r ä c h t i g u n g des Biosystems zu vermindern. Nach künstli- chem Hüftgelenkersatz werden Abriebpartikel vorwiegend an der Artikulationsfläche P r o t h e s e n k o p f - P f a n n e produziert. Da deren biologische W i r k u n g (Osteolyse) vom Werkstoff und besonders v o m Abriebvolumen a b h ä n g t [6], werden anstatt Gleitpaarungen mit Polyethylen (PE-UHMW) z u n e h m e n d ab-

1) Klinik f ü r O r t h o p ä d i e u n d S p o r t u r l h o p ä d i e , T e c h n i s c h e U n i v e r s i t ä t M ü n c h e n 2) C e r a m T e c AG, P l o c h i n g e n

riebarme H a r t - H a r t - P a a r u n g e n (Metall-Metall bzw. Keramik- Keramik) klinisch eingesetzt. Bei K e r a m i k - E i g e n p a a r u n g e n wird in vivo eine äußert geringe lineare Abriebrate v o n u n t e r 0,005 m m / J a h r b e o b a c h t e t [6], im Vergleich zur P a a r u n g Metallkopf mit Polyethylen (PE-UHMW) P f a n n e mit linearem Abrieb v o n 0,2 m m / J a h r [6, 20],

Die in der Hüftendoprothetik als Gleitpartner eingesetzten einphasigen Keramik-Werkstoffe besitzen eine große Härte und sehr h o h e Verschleißbeständigkeit. Als W e r k s t o f f e w e r - den am häufigsten bioinerte Oxidkeramiken wie A l u m i - niumoxid (A1203) u n d Y-TZP (tetragonales mit Yttrium stabilisiertes, polykristallines) Zirkonoxid (Zr02) eingesetzt. Jedoch besitzen diese Keramiken a u f g r u n d ihrer Sprödigkeit im Ge- gensatz zu PE-UHMW1 n a h e z u keine plastische V e r f o r m b a r - keit. Verbesserte mechanische Materialeigenschaften weisen die neuen Biokomposite wie ZTA (Zirconia Toughened A l u m i - na) u n d AMC (Alumina Matrix Composite) auf. In Tabelle 1 sind aktuelle u n d z u k ü n f t i g e Werkstoffkonzepte f ü r Keramik-

2 ] BlOmaterialien 3 (1), 2002

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ORIGINAL

ARBEITEN

Kopf Pfanne Bermerkungen

Α Ι Α Α Ι Α Häufigste eingesetzte Keramik-Eigenpaarung, 30 Jahre klinische Erfahrung, niedrige Abriebrate 0,005 mm/Jahr [6, 19]

Z r 03 Α Ι Α Kaum klinische Fälle, in Simulatorversuchen unterschiedliche Angaben zum Abriebverhalten [8, 161

Z r 02 Z r 02 Nur Simulator-Versuche, dabei kontroverse Abriebraten [5,8]

ZTA ZTA Nur Simulatorversuche, dabei keine wesentliche Unterschiede im Abriebverhalten vs. Al203, verbesserte mechanische Eigenschaften vs. Al A [1]

AMC AMC Nur Simulatorversuche, niedrigere Abriebrate und verbesserte mechanische Eigenschaften vs. Al203 [12]

Al203: Aluminiumoxid, einsetzbar für Gleitpaarung (Kopf-Pfanne) AI2O3-AI2O3 und Al203-PE AMC: Aluminia Matrix Composite (Komposite-Werkstoff: >70% Al203, Y-TZP, Zusätze von Cr203, SrO), einsetzbar für Gleitpaarung AMC-AMC bzw. AMC-Al203 und AMC-PE Z r 02: Zirkonoxid, meist Y-TZP (tetragonales mit Yttrium stabilisiertes polykristallines

Zirkonoxid), einsetzbar für Gleitpaarung Zr02-Al203 und Zr02-PE

ZTA: Zirconia Toughened Alumina (Mischkeramik aus Al203 und Zr02), einsetzbar für Gleitpaarung ZTA-ZTA und ZJA-PE

Tab. I: Aktuelle und künftige Werkstoffkombinationen für Keramik-Keramik-Gleitpaarungen in der Hüftendoprothetik

Eigenschaft AI2CV Z r 02 b ZTAC AMCD

genormt ISO 6474 ISO 13356 nein nein

ASTM F 603

Chem. Zusammensetzung Α Ι Α Z r 02 Α Ι Α + Α Ι Α Zusatz MgO1 Zusatz Y A2 Zr02 3 + Z r 02

Dichter lg/cm3] 3,98 6,04 5,02 4,37

Härte 2300 HV0,5 1250 HV0,5 15-20 HV20 1975 HVI

Ε-Modul [GPa] 380 210 259-285 350

Biegefestigkeit [MPa] 580 >1000 >900 1150

Bruchzähigkeit K,c [MPa*m'2] 4,3 10,5 5,5-6,9 8,5 Biokompatibilität bioniert bioniert bioniert bioniert Hydrothermale Stabilität ja nein'1 keine Berichte dazu ja

Farbe elfenbein altweiß weiß rosa

a) Ai203: Bioiox®forte, »>Zr02: (Y-TZP); c)ZTA: 60% bzw. 80% Z r 02 dAMC: ßiolox®delta

Zur Kornfeinung

2 Zur Stabilisierung der metastabilen, tetragonalen Hochtemperaturphase

ä Bisher hat man sich noch nicht auf den Zr02-Zusatz festgelegt. Es liegen noch keine klinischen Erfahrungen vor

4 Das Sterilisieren im Autoklaven ist verboten

Tab. 2: Materialeigenschaften verschiedener Biokeramik-Werkstoffe (typische Werte) [1,4, 12]

Eigenpaarungen dargestellt, in Tabelle 2 deren Materialeigen- schaften.

Rainer Bader: Keramik in der Hüftendoprothetik

nicht beschrieben. Jedoch können nach einer Revision bzw. Wechsel auf eine Gleitpaarung mit Metall und Polyethylen keramische Bruchfragmente einen deletären Drei-Kör- per-Verschleiß am metallischen oder Poly- ethylen-Gleitpartner hervorrufen [14].

Ziel dieser Arbeit ist es, Empfehlungen f ü r eine geeignete Designwahl und Implantat- Positionierung f ü r Hüftendoprothesen mit Keramik-Keramik-Gleitpaarungen mittels ei- gener Untersuchungen zum Einfluss von Design und Position auf die Range of Moti- on abzuleiten. Zudem werden Empfehlun- gen für die intraoperative H a n d h a b u n g keramischer Komponenten dargestellt.

Intraoperative Handhabung

Dem Handling ist bei keramischen Implan- t a t k o m p o n e n t e n besondere Bedeutung zu- zumessen. Dazu müssen v o m Operateur zur Vermeidung lokaler Überbeanspruchungen im Keramik-Werkstoff die H a n d h a b u n g s - Empfehlungen des Herstellers unbedingt be- achtet werden.

Um intraoperativ ein Verkippen des keramischen Pfanneneinsatzes beim Einsetzen in das P f a n n e n g e h ä u s e und somit mögliche Randabsplitterungen, von denen in 2 von

100 Fällen berichtet wird [3], zu umgehen, sollten spezielle Einsetzinstrumente (Abb. 2) verwendet werden.

Auf Beschädigungen des metallischen Pfan- nengehäuses an konischer Klemm- bzw. Kon- taktfläche des Pfanneneinsatzes muss eben- falls geachtet werden, auch darf intraoperativ der metallische Konus durch Instrumente nicht beschädigt werden. Ansonsten können beim Einsetzen eines Keramik-lnserts wiederum Randabplatzer resultieren [15], In zweifel- haften Situationen sollte auf einen keramischen Pfanneneinsatz verzichtet werden.

Hierbei kommt die Kombination eines Kera- mikkopfes mit einem Pfanneneinsatz aus Po- lyethylen in Frage. So können ζ. B. bei fragli- cher Instabilität auch asymmetrische PE- UHMW-Einsätze eingesetzt werden.

Für die ungestörte Langzeitfunktion j e d e r Keramik-Keramik- Gleitpaarung ist eine freie postoperative Beweglichkeit im künstlichen Hüftgelenk von entscheidender Bedeutung. Falls ein unzureichender B e w e g u n g s u m f a n g (Range of Motion) besteht, k a n n schon bei Alltagsbewegungen der Prothesen- hals im Sinne eines Impingements am P f a n n e n r a n d anschlagen (Abb. 1).

Folgende Faktoren können bei keramischen P f a n n e n zu Rissbildungen und Implantat-Versagen durch Randabplatzer bzw. Implantatbruch f ü h r e n :

• s o g e n a n n t e Randläufer bei steilgestellter P f a n n e - a u f - grund erhöhter kranio-lateraler Flächenpressung

• Sub- bzw. Luxation der Endoprothese einschließlich der nachfolgenden Reposition des Kopfes - mit lokaler Überbe- a n s p r u c h u n g im Werkstoff [9, 11].

Osteolytische Reaktionen auf keramische Bruchpartikel sind

Abb. I: Anschlagen des Prothesenhalses am keramischen Insertrand ( - Impingement) mit Risiko von Randabplatzern am Kontaktpunkt sowie an der Gegenseite (bedingt durch Heraushebeln des Kopfes)

Randabplatzer Acetabulum ^ 4

Impingement

Gegenseite Implantat-Design

2 2 B l O m a t e r i a l i e n 3 (1), 2002

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mischen Inserts k a n n der m a x i m a l mögliche B e w e g u n g s u m - f a n g verbessert werden. Im Vergleich zu einem h e m i s p h ä r i - schen, r a n d b ü n d i g e n P f a n n e n s y s t e m mit einem s c h a r f k a n t i - gen Rand des P f a n n e n e i n s a t z e s (Radius 0 mm) besitzt ein System mit a b g e r u n d e t e m I n n e n r a n d , ζ. B. mit R a n d r a d i u s 2,3 mm, einen um etwa 5° e r h ö h t e n B e w e g u n g s u m f a n g . Der a n g e g e b e n e B e w e g u n g s z u w a c h s bezieht sich j e w e i l s auf e i n - zelne Bewegungen, ζ. B. f ü r die I n n e n r o t a t i o n , u n d nicht auf die sog. technische Range of Motion2 einer Hüftendoprothese.

Die A u ß e n g e o m e t r i e des Inserts bzw. die K o n t a k t f l ä c h e zu dem metallischen P f a n n e n g e h ä u s e beeinflusst die Lösbarkeit der konischen V e r k l e m m u n g beim Revisionseingriff. Die seit Mitte der 90er J a h r e üblichen Keramik-Inserts mit einem Konuswinkel von 18,4°, das heißt einer Kegelsteigung v o n 1:3, erlauben ein e i n f a c h e r e s u n d s c h o n e n d e r e s Lösen m i t - tels H a m m e r s c h l a g e s auf das P f a n n e n g e h ä u s e , als solche mit e i n e m Konuswinkel v o n 5,7° u n d somit einer Kegelsteigung v o n 1:10 [17],

Abb. 2: Einsetzinstrument (aus Kunststoff) zum intraoperativen Inserieren von keramischen Pfanneneinsätzen. Ein Verkippen des keramischen Ins- erts beim Einbringen in das Pfannengehäuse soll damit vermieden werden

Implantatposition

An Hand einer d r e i d i m e n s i o n a l e n B e w e g u n g s s i m u l a t i o n an H ü f t e n d o p r o t h e s e n - M o d e l l e n w u r d e n unterschiedliche Desi- g n p a r a m e t e r ( P f a n n e n g e o m e t r i e , Kopf- u n d Halsdesign) u n - tersucht und die B e d e u t u n g der I m p l a n t a t - P o s i t i o n a n a l y - siert [2],

Es besteht eine e n g e Beziehung zwischen der Position der I m p l a n t a t - K o m p o n e n t e n und dem m a x i m a l e n B e w e g u n g s - u m f a n g , der sog. R a n g e of Motion, der H ü f t e n d o p r o t h e s e . Für die Range of Motion ist ein lateraler P f a n n e n n e i g u n g s - winkel (Inklination) v o n 45° sowie eine Anteversion (AV) der P f a n n e v o n 15° als g ü n s t i g a n z u s e h e n , die A n t e t o r s i o n des Stieles sollte zwischen 0° u n d 15° liegen.

Steilgestellte P f a n n e n (> 45°) weisen ein erhöhtes Risiko v o n Randabplatzern a m keramischen Einsatz infolge e r h ö h t e r Hertzscher F l ä c h e n p r e s s u n g am k r a n i o - l a t e r a l e n P f a n n e n - r a n d auf. Kritische W e r t e werden insbesondere bei einer Ad- duktionsstellung des Beines erreicht.

Die P f a n n e sollte e b e n s o wie der Stiel nicht in Retroversion implantiert w e r d e n , da der P r o t h e s e n h a l s bei F l e x i o n s b e w e - g u n g e n u n t e r 90° bereits am v e n t r a l e n P f a n n e n r a n d a n - schlägt. Jedoch b e d i n g t eine ü b e r m ä ß i g e Anteversion der P f a n n e (> 30°) in Kombination mit einer Stielantetorsion

> 15° ein e r h ö h t e s Risiko einer Luxation nach v o r n e infolge eines frühzeitigen posterioren I m p i n g e m e n t s , v o r z u g s w e i s e bei kombinierten E x t e n s i o n s - u n d A u ß e n r o t a t i o n s b e w e g u n - gen.

Implantat-Design

Keramischer Pfanneneinsatz

Moderne H ü f t e n d o p r o t h e s e n sollten m o d u l a r a u f g e b a u t sein, u m einen Teilwechsel v o n I m p l a n t a t - K o m p o n e n t e n zu er- möglichen. Der keramische P f a n n e n e i n s a t z (Insert) k a n n di- | rekt im metallischen P f a n n e n g e h ä u s e oder über ein Poly- e t h y l e n - S a n d w i c h fixiert sein, dabei sollte das Insert ein r a n d b ü n d i g e s Design (Abb. 3) a u f w e i s e n . P f a n n e n mit einem ü b e r s t e h e n d e n Keramik-Insert s c h r ä n k e n die Beweglichkeit im künstlichen H ü f t g e l e n k deutlich ein und sollten w e g e n des e r h ö h t e n Risikos v o n I m p i n g e m e n t u n d möglichen Randabplatzern nicht b e n u t z t werden.

Durch eine O p t i m i e r u n g der I n n e n r a n d - G e o m e t r i e des kera-

PE-Sandwich

Pfannengehäuse keramischer

Pfanneneinsatz

Abb. 3: Modulare Hüftpfänne (schematisch) mit keramischem Pfan- neneinsatz in Polyethylen-Sandwich-Bauweise

Kopf- bzw. Halsgeometrie

Kopfgröße u n d Halsgeometrie h a b e n e n t s c h e i d e n d e n Ein- fluss auf die Range of Motion der H ü f t e n d o p r o t h e s e . Bei den S t a n d a r d p a a r u n g e n M e t a l l - P o l y e t h y l e n und K e r a m i k - P o l y - ethylen sollte m a n Kugelköpfe mit kleinem D u r c h m e s s e r (üblich ist Durchmesser 28 mm) vorziehen, da die P o l y e t h y - l e n - A b r i e b r a t e mit z u n e h m e n d e m K o p f d u r c h m e s s e r bei die- sen P a a r u n g e n größer wird [20].

Bei der G l e i t p a a r u n g Keramik-Keramik ist die A b r i e b r a t e u n a b h ä n g i g vom K o p f d u r c h m e s s e r [13], Dies erlaubt es, P r o t h e s e n k ö p f e mit g r o ß e n Durchmessern (32 m m o d e r 36 mm) einzusetzen. Dadurch wird die R a n g e of Motion (ROM) der H ü f t e n d o p r o t h e s e e r h ö h t u n d das I m p i n g e m e n t sowie das (Sub-) Luxationsrisiko verringert. Beispielsweise besitzt ein Kugelkopf mit 32 m m b z w . 36 m m D u r c h m e s s e r g e - g e n ü b e r einem mit 28 m m einen um 6° bzw. 10° g r ö ß e r e n B e w e g u n g s s p i e l r a u m f ü r Flexion bei identischer K o n u s g e o - metrie. Die E r h ö h u n g der ROM gilt f ü r alle B e w e g u n g e n des künstlichen Hüftgelenkes, wobei der U m f a n g der j e w e i l i g e n B e w e g u n g v o n der Position der einzelnen I m p l a n t a t e (auch des Prothesenstiels) a b h ä n g i g ist.

W ä h l t m a n bei identischem Stiel kleinere Köpfe (ζ. B.

Durchmesser 22 m m oder 26 mm), so ist die ROM e i n g e - s c h r ä n k t . Dies ist b e g r ü n d e t in einem geringeren A b s t a n d des P r o t h e s e n h a l s e s zum Insert-Rand. Ebenso wird d u r c h einen dickeren Stiel-Konus (z.B. 14/16) diese Distanz u n d

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ORIGINAL

ARBEITEN

folglich die ROM reduziert. Beispielsweise erlaubt ein 22 mm Kopf mit Konus 12/14 einen bis zu 15° geringeren Bewe- g u n g s u m f a n g f ü r Flexion im Vergleich zu einem 28mm Kopf mit Konus 12/14. Zudem wird bei kleineren Köpfen eine erhöhte Luxationshäufigkeit beobachtet [10], was auf die bei kleinerem Durchmesser geringere Tiefe des Kopfes bzw. auf die kürzere Strecke, die der Kopf bis zur Dislokati- on zurücklegen muss (bei identischer Lage des Drehzen- trums), z u r ü c k z u f ü h r e n ist.

Zwischen Endoprothesen- Konzepten mit einem Durch- messer 22 mm Kopf bei einem Konus 9/11, einem Durchmesser 26 mm Kopf mit Konus 11/13 und einem Durchmesser 28 mm Kopf mit Konus 12/14 bestehen nahezu keine Unterschiede in den maximal möglichen Bewe- g u n g s a u s m a ß e n . Somit sollte bei Keramik-Keramik-Gleit- p a a r u n g e n das Verhältnis v o n Kopf- zu Halsdurchmesser stets größer gleich 2:1 betra- Abb. 4: Spezielles Prothesenhals-

Design mit Hinterschneidung (Pfeile) unterhalb der konischen Steckverbindung (Kopf-Stiel)

Abb. 5: Pilzförmige, keramische Halskugel (links), im Vergleich keramischer Standard-Kugelkopf (rechts)

gen. Entsprechende Kopf- u n d Stielgrößen müssen zum ope- rativen Eingriff in ausreichender Zahl vorliegen, im Einzel- fall frühzeitig bestellt werden.

Durch Design-Veränderungen am Prothesenhals wie Hinter- schneidungen (Abb. 4) k a n n das Kopf-Hals-Verhältnis er- höht werden. Eine Hinterschneidung an einem zylindrischen Prothesenhals, z.B. von 14 mm auf 12 mm, vergrößert den B e w e g u n g s u m f a n g für Flexion bei einer Prothese mit einem 28 mm Kopf die ROM um etwa 7°.

Abb. 6: In vivo gebrochene keramische Halskugel (modifizierte Abbildung nach Ch. Kunz et al.: Einschränkungen der Range of Motion als Risikofak- tor keramischer Gleitpaarungen in der Hüftendoprothetik. In: Α Toni, G.

Willmann (Hrsg.): Bioceramics in Joint Arthroplasty, Thieme-Verlag, Stutt- gart New York 2001,58-61)

Sog. keramische Halskugeln, d.h. ein pilzförmiges Kopfdesign mit einem Kragen (Abb. 5), welche v.a. in der Anfangszeit der Keramikanwendung mit dem Ziel einer Vermeidung von Kopfbrüchen benutzt wurden, bewirken eine deutliche Ab- nahme der ROM. Ein derartiger Kopf, z.B. mit 28 mm Durch- messer, mindert im Vergleich zu einem 28 mm Kugelkopf die ROM für Flexion um etwa 20°. Basierend auf Evaluierungen des Versagens- bzw. Bruchrisikos (Abb. 6) ist von der Im- plantation derartiger Köpfe nach heutigem technischem Wis- sensstand abzuraten, besonders von deren A n w e n d u n g in Kombination mit keramischen Pfanneneinsätzen.

Pfannengehäuse

Neben randbündigen, hemisphärischen Pfannensystemen wurden Konzepte entwickelt, die auf einen Schutz des Kera- mik-Inserts vor einem Impingement mittels eines zusätzli- chen PE-Ringes abzielen. Infolge der deutlichen Bewegungs- einschränkung [2] und des Risikos einer A b s p r e n g u n g des PE-Ringes durch I m p i n g e m e n t - P h ä n o m e n e haben sich der- artige Systeme nicht durchgesetzt.

Durch einen Überstand der metallischen P f a n n e n k o m p o n e n - ten (Abb. 7) wird alternativ versucht, das Keramik-Insert vor den schädlichen Wirkungen eines Anschlages des Prothesen- halses zu schützen. Durch Design-Optimierung kann der zwangsläufig resultierende Bewegungsverlust relativ gering gehalten werden [2]. Ob diese Systeme ein mechanisches Versagen der keramischen Pfanneneinsätze sicher verhindern können, werden erst die klinischen Verlaufsbeobachtungen zeigen. Insbesondere muss beobachtet werden, inwieweit eine bei (Sub-) Luxation durch Heraushebeln des Kopfes auftre- tende mechanische Beanspruchung des Keramik-Inserts an den Impingement gegenüberliegendem Randbereichen (Abb. 1) in der klinischen Praxis Probleme bereitet.

Bei großem Außendurchmesser des Pfannengehäuses, der von den knöchernen Verhältnissen am Acetabulum bestimmt wird, sollten keramische Inserts (direkt geklemmt oder in Sandwich-Bauweise) (Abb. 3) mit großem Innendurchmesser eingesetzt werden, d.h. Artikulation mit 32 m m - bzw. 36 mm Kopf. Dadurch steigt die Stabilität im künstlichen Hüfgelenk an (vgl. oben). In Tabelle 3 sind handelsübliche Kombinati- onsmöglichkeiten zwischen Pfannengehäuse und Pfannenein- satz bei modular aufgebauten Hüftendoprothesen mit A1203- Keramik-Eigenpaarung dargestellt.

In einer retrospektiven klinischen Studie wurde bei Endo- prothesen, mit identischer Kopfgröße (Durchmesser 28 mm) und Gleitpaarung Metall-Polyethylen, eine erhöhte Luxati- onsrate f ü r große P f a n n e n d u r c h m e s s e r (größer als 60 mm) beobachtet [10]. Der technisch mögliche Einsatz großer Köpfe, hinsichtlich Abrieb bei Keramik-Eigenpaarungen u n - bedenklich, kann unter Umständen dieses Problem lösen.

Die neu entwickelten keramischen Biokomposite besitzen f ü r den Einsatz in der Hüftendoprothetik folgende wichtige Ge- brauchseigenschaften :

• exzellente Verschleißeigenschaften

• geringes Bruchrisiko (Reliability), basierend auf hoher Bruchzähigkeit KIc, hoher Festigkeit und hohem Weibull Modul³

Dadurch bieten die Biokomposit-Keramiken die Möglichkeit, durch geringere Mindest-Wandstärken des Inserts große Kopf-Durchmesser auch bei kleinen P f a n n e n - A u ß e n d u r c h - messern zu realisieren. Für Patienten im asiatischen Raum und mit Dysplasie-Coxarthrose könnten damit die g e n a n n - ten Vorteile großer Prothesen-Köpfe genutzt werden.

Voraussetzung f ü r die Implantation eines j e d e n Keramik-lnserts ist auch das schonende Einsetzen des metallischen Pfannengehäuses. Keinesfalls dürfen hohe Flächenpressun-

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gen durch u n p a s s e n d e oder beschädigte E i n s c h l a g - I n s t r u - m e n t e an dem metallischen P f a n n e n g e h ä u s e a u f g e b r a c h t werden, um nicht bereits geringe, aber u n t e r U m s t ä n d e n schon e n t s c h e i d e n d e D e f o r m a t i o n e n an diesem Bauteil zu erzeugen [15]. Bei I n k o n g r u e n z der K l e m m f l ä c h e zwischen Insert und P f a n n e n g e h ä u s e k ö n n e n im Keramik-Insert durch die resultierenden h o h e n S p a n -

n u n g e n die bereits e r w ä h n t e n Beschädigungen erfolgen [15].

Revision keramischer Pfanneneinsätze

Der l e t z t g e n a n n t e Aspekt gilt a n a l o g f ü r alleinigen Insert- Wechsel, a u c h hierbei müssen - insbesondere bei der E n t f e r n u n g des alten Inserts - B e s c h ä d i g u n - gen am P f a n n e n g e h ä u s e v e r m i e - den werden. Bei in v i v o - V e r s a - gen v o n k e r a m i s c h e n P f a n - n e n e i n s ä t z e n - meist h a n d e l t es sich um R a n d a b p l a t z e r - k a n n bei u n b e s c h ä d i g t e m metallischem P f a n n e n g e h ä u s e o h n e Bedenken das Keramik-Insert gewechselt werden [18]; der Prothesenkopf sollte aber belassen werden, da nach Abziehen und Aufstecken

ten sowie eine nachfolgende, regelmäßige klinische und r ö n t - genologische Kontrolle erforderlich, um im Falle einer f r ü h - zeitigen Partikel-Erkrankung rechtzeitig reagieren zu k ö n n e n , bevor massive Osteolysen auftreten.

Deshalb müssen bei der Revisionsoperation p e r i a r t i k u l ä r g e - legene Keramik-Splitter bzw. A b r i e b p r o d u k t e sehr g r ü n d l i c h

Pfannengehause Metall Schale

Rand- erhöhung

Kontaktpunkt

Abb. 7: Beispiel für ein Pfannensystem mit randerhöhtem Pfanneneinsatz (hemisphärisches Keramik-Insert in überstehende Metallschale eingepasst). Keramik-Insert vor direktem Anschlagen des Prothesenhalses ge- schützt (modifizierte Darstellung aus Informationsschrift Trident™, Stryker Corporation, Newbury 2000) einer Keramikkugel auf

einen belassenen und v e r f o r m t e n Stielkonus die Bruchlast v o n Keramik-Köpfen v e r m i n d e r t sein k a n n . Ein u n s a c h - g e m ä ß e s Einsetzen direkt g e k l e m m t e r keramischer P f a n - n e n e i n s ä t z e k a n n wiederum die bereits beschriebenen Pro- bleme wie R a n d a b p l a t z e r am Insert oder g a r Brüche bewirken.

Auch beim Insert-Wechsel sollten nur v o m Hersteller er- laubte und zugelassene K o m b i n a t i o n e n bzw. Spezifikationen keramischer G l e i t k o m p o n e n t e n v e r w e n d e t werden („never mix and match") [19].

Bei Beschädigungen am P f a n n e n g e h ä u s e ist z u m A u s t a u s c h desselben zu raten oder allenfalls - bei sehr geringen S c h ä - den - ein P o l y e t h y l e n - I n s e r t einzusetzen.

Der Wechsel auf ein Polyethylen-Insert k a n n aber, i n s b e s o n - dere in Kombination mit einer Metallkugel, durch nicht e n t - fernte Keramik-Partikel über den M e c h a n i s m u s eines Drei- Körper-Verschleißes, zu einem verstärkten Abrieb an den A r t i k u l a t i o n s f l ä c h e n f ü h r e n [14]. Entsprechend ist f ü r diese Rückzugssituation eine hinreichende A u f k l ä r u n g des Patien-

a u f g e s u c h t und möglichst u m f a s s e n d e n t f e r n t w e r d e n . De- taillierte Informationen zum Vorgehen beim Bruch k e r a m i - scher I m p l a n t a t k o m p o n e n t e n sind in [18] dargelegt.

Diskussion und Ausblick

Die klinische E r f a h r u n g zeigt, dass mit der G l e i t p a a r u n g Ke- ramik-Keramik g e r i n g e Revisionsraten erzielt [7] u n d die Zahl der durch Abriebpartikel induzierten H ü f t e n d o p r o t h e - s e n l o c k e r u n g e n reduziert werden k ö n n e n . J e d o c h sollten K e r a m i k - E i g e n p a a r u n g e n n u r bei korrekter I m p l a n t a t p o s i t i - on (keine E x t r e m p o s i t i o n e n ) und s u f f i z i e n t e r R a n g e of Moti- on eingesetzt w e r d e n , um das I m p i n g e m e n t - u n d L u x a t i o n s - risiko zu m i n i m i e r e n . V o r a u s s e t z u n g ist eine präzise p r ä o p e - rative P l a n u n g u n d intraoperative Realisierung der a n g e - strebten Position v o n H ü f t p f a n n e und Prothesenstiel. Bei a d ä q u a t e r A n w e n d u n g u n d hoher P r o d u k t i o n s q u a l i t ä t der k e r a m i s c h e n K o m p o n e n t e n k a n n das Risiko eines Bruches minimiert w e r d e n .

Folgende G r u n d r e g e l n hinsichtlich H a n d h a b u n g , Positionie- r u n g und Design k e r a m i s c h e r H ü f t i m p l a n t a t e sollten v o m

Hersteller und Operateur berücksichtigt w e r d e n : Durchmesser

Prothesenkopf in mm

Außendurchmesser In mm metallisches Pfennengehäuse Durchmesser

Prothesenkopf in mm

44 48 52 56 60 64 68

0 28 • • ⁺ <8> ® ® ®

0 32

/ /

^• ^• ⁺ ^® ^®

0 36

/ / /

^• ^• ^• ^•

* Kopfdurchmesser entspricht jeweils dem Innendurchmesser des Keramik-Inserts

• - anzustreben; + - möglich; ® = vermeiden; / = technisch nicht realisierbar

Tab. 3: Einige typische Kombinationsmöglichkeiten bei modular aufgebauten Pfannen zwischen verschiedenen Pfannengrößen (Außendurchmesser des metallischen Pfan- nengehäuses) und Inserts bzw. Kugelköpfen aus Al203-Keramik

• Korrekte intraoperative H a n d h a b u n g des K e r a m i - keinsatzes ist u n a b l ä s s i g f ü r die V e r m e i d u n g lokaler Ü b e r b e a n s p r u c h u n g e n des Werkstoffes. Sog. Einsetz- hilfen k ö n n e n hierbei ein Verkippen des Einsatzes und n a c h f o l g e n d e R a n d a b p l a t z e r v e r m e i d e n .

• Am metallischen P f a n n e n g e h ä u s e darf die k o n i - sche Klemmfläche (zur direkten K l e m m u n g des Kera- mik-Inserts) keinesfalls beschädigt sein bzw. i n t r a o - perativ beschädigt w e r d e n .

• Bei kritischen intraoperativen Verhältnissen und u n k l a r e r Prothesenstabilität sollte auf einen k e r a m i - schen P f a n n e n e i n s a t z verzichtet w e r d e n .

• Nur v o m Hersteller g e p r ü f t e u n d z u g e l a s s e n e G l e i t p a a r u n g e n u n d K e r a m i k - K o m p o n e n t e n einsetzen („never m i x and match").

• Als günstige Position der P f a n n e ist eine Inklination v o n ca. 45° und eine Anteversion von ca. 15°, beim

2 BlOmaterialien 3 (1), 2002

(6)

ORIGINAL

"ARBEITEN

Dr. Rainer Bader

Korrespondenzanschrift:

Dr. Rainer Bader

Klinik für Orthopädie und Sportorthopädie

Abteilung Biomechanik Technische Universität Mün- chen

Connollystr. 32 D-80809 München Tel: (0 89) 28 92 44 92 Fax: (0 89) 28 92 44 94

E-Mail: rainer.bader@lrz.tum.de Akademischer Lebenslauf:

1998 Diplomarbeit am Fachbereich Feinwerk- und Medizintechnik, Fachhochschule Ulm, in Kooperation mit CeramTec AG, Plochin- gen: „Analyse, konstruktive Randbedin- gungen und Empfehlungen zur Vermeidung von Impingement und Luxation bei modu- lar aufgebauten Hüftendoprothesen"

2000 Medizinische Dissertation, Klinik für Or- thopädie und Sportorthopädie, Abteilung Biomechanik der Technischen Universität München: „Biomechanische Untersuchun- gen von Implantaten zur anterioren lumba- len interkorporellen Fusion"

seit 2000 wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Klinik für Orthopädie und Sportorthopädie, Abtei- lung Biomechanik der Technischen Univer- sität München (Direktor: Prof. Dr. med. R.

Gradinger)

Prothesenstiel eine Antetorsion von 0° bis 15° anzustreben.

Eine Steilstellung der Pfannen ist unbedingt zu vermeiden.

• P f a n n e n s y s t e m e mit erhöhter Randgeometrie k ö n n e n die ROM zum Teil sehr deutlich vermindern. Keramische P f a n - neneinsätze mit verrundetem Innenrand ermöglichen größe- re B e w e g u n g s u m f ä n g e .

• Das Verhältnis von Kopfdurchmesser zu dem des Prothe- senhalses sollte wenigstens 2:1 betragen, u m eine ausreichende ROM realisieren zu können. Durchmesser 32 m m - u n d 36 mm Köpfe bieten, ζ. B. eine um bis zu 10° erhöhte ROM (im Vergleich zum 28 mm Kopf).

• Große Kopfdurchmesser sind bei Keramik-Keramik-Paa- rungen möglich, da die Abriebmenge nicht wie bei Poly- e t h y l e n - P f a n n e n mit z u n e h m e n d e m Kopfdurchmesser a n - steigt. Für große Köpfe stehen entsprechend angepasste keramische P f a n n e n e i n s ä t z e zur Verfügung.

• Falls der Prothesenhals eine Hinterschneidung (Verjün- gung) aufweist, wird ein merklicher Zuwachs an Bewe- g u n g s u m f a n g erzielt.

• Bei Verwendung keramischer Halskugeln kann die ROM für Flexion a u f w e r t e unter 90° reduziert sein. Deshalb sollten keramische Pfannen nicht mit Halskugeln kombiniert werden.

Des Weiteren können bei keramischen Gleitflächen-Kompo- nenten durch werkstoffliche Innovationen (neue keramische

Biokomposite wie AMC und ZTA) die Biegefestigkeit, Bruch- zähigkeit und der Weibull Modul, welche entscheidende Pa- rameter f ü r das Bruchrisiko keramischer Bauteile darstellen, unter Beibehaltung der sehr guten tribologischen Eigen- schaften optimiert werden. Im klinischen Einsatz sollten d a n n Randabplatzer an Keramik-Inserts oder gar komplette Implantatbrüche (Kopf bzw. Insert) seltener vorkommen.

Aufgrund der geringen Elastizität und Plastizität keramischer Werkstoffe, dies gilt auch f ü r die neuen Biokomposite, sollten die oben g e n a n n t e n Grundregeln jedoch stets beach- tet werden. Sofern intraoperativ eine biomechanisch günsti- ge Position der I m p l a n t a t k o m p o n e n t e n mit freier Beweglich- keit im künstlichen Hüftgelenk realisiert werden kann, ist eine ungestörte Langzeitfunktion der Keramik-Keramik-Paa- rung möglich. Das Problem der Abriebpartikel-induzierten aseptischen Hüftendoprothesenlockerung kann damit ent- scheidend entschärft werden.

Abstract

In total hip arthroplasty h a r d - h a r d wear couples like ceramic-on-ceramic are increasingly used for y o u n g patients.

Specific risks for ceramic c o m p o n e n t s arise from the intraoperative handling, e.g. rim flaking at the ceramic insert du- ring insertion. Additionally, a limited range of motion may cause impingement, dislocation and mechanical failure of ceramic components. The parameters implant design and orientation, which mainly determine the hip mobility, are evaluated in this study.

With regard to implant design, modular acetabular cups with slightly-recessed ceramic inserts should be preferred.

Systems with an elevated-rim of the ceramic insert or m u s h - room-shaped ceramic femoral head should be avoided due to restricted range of motion and increased risk of brittle fracture. Larger femoral heads may increase not only range of motion, but also prosthesis stability against dislocation.

Providing sufficient range of motion, careful pre-operative p l a n n i n g as well as an appropriate and precise intra-operative positioning of the implants are required.

If certain aspects will be noted, in particular for revision surgery, an improved longevity of total hip prostheses using ceramic-on-ceramic wear couples can be obtained.

In the future the newly developed ceramic biocomposite (ZTA and AMC) should offer advanced applications of ceramic hip implants due to improved mechanical material pro- perties.

Literatur

[1] Affatato S„ Goldoni M„ Testoni M., Toni Α.: Mixed oxi- des prosthetic ceramic ball heads. Part 3: Effect of the Zr02 fraction on the wear of ceramic on ceramic hip j o i n t prostheses. A long-term in vitro wear study. Biomaterials 22: 717-723, 2001

[2] Bader R.J., Steinhauser E„ Willmann G., Gradinger R.:

The effects of implant position, design and wear on the range of motion after total hip arthroplasty. Hip Internatio- nal 11: 80-90, 2001

1 PE-UHMW: U l t r a - H i g h - M o l e c u l a r - W e i g h t P o l y e t h y l e n

2 Bader R. et al.: R a n g e o f M o t i o n v o n H ü f t e n d o p r o t h e s e n - P r o b l e m a t i k der B e g r i f f s b e s t i m m u n g . Ostcologie Suppl. 2 2 0 0 1 ; 10: 180.

3 Bei s p r ö d e n W e r k s t o f f e n wird der Weibull Modul als M a ß fiir die S t r e u u n g der Festigkeitswerte v e r w e n d e t ; d.h. h o h e r Weibull M o d u l b e d e u t e t eine g e r i n g e S t a n d a r d a b w e i c h u n g .

2 i B I O m a t e r i a l i e n 3 ( 1 ) , 2 0 0 2

(7)

[3] Bergman Ν.Α., Y o u n g D.A.: The rationale, s h o r t - t e r m o u t c o m e and early c o m p l i c a t i o n s of a ceramic couple in total hip arthroplasty. In: Sedel L., W i l l m a n n G. (Hrsg.): Re- liability and Long-Term Results of Ceramics in Orthopaedics.

Thieme-Verlag, Stuttgart New York 1999, 5 2 - 5 6

[4] Burger W., Richter H.G.: High s t r e n g t h and t o u g h n e s s a l u m i n a matrix composites by t r a n s f o r m a t i o n t o u g h e n i n g and in situ platelet r e i n f o r c e m e n t (ZTPA) - The new g e n e r a - tion of bioceramics. Key E n g i n e e r i n g Materials Vols. 192-

195: 545-548, 2000

[5] Clarke I.A., Oonishi H., Good V., Williams P.: Evaluation of ceramic and CoCr hips: u p to 20 million cycles in s i m u l a - tor studies. In Murakami T. (Hrsg.): Biotribology and related topics. Proc. Biotribology Satellite Forum of ITC, Nagasaki 2000, 9 - 1 2

[6] Elke R.: Partikelkrankheit. Ist die Tribologie ein T h e m a in der Revisionschirurgie? O r t h o p ä d e 30: 2 5 8 - 2 6 5 , 2001 [7] Fenollosa J., S e m i n a r i o P., M o n t i j a n o C.: Ceramic hip prostheses in y o u n g patients. A retrospective study of 74 patients. Clin Orthop 379: 55-67, 2 0 0 0

[8] Früh H.J., W i l l m a n n G., P f a f f H.G.: Wear characteristics of c e r a m i c - o n - c e r a m i c for hip endoprostheses. Biomaterials 18: 8 7 3 - 8 7 6 , 1997

[9] Gekeler J.: Sphärische P r e s s - F i t - P f a n n e n und erste klinische E r f a h r u n g e n mit der K e r a m i k - G l e i t p a a r u n g (PLASMA- CUP SC). In: Puhl W. (Hrsg.): Bioceramics in Orthopaedics - New Applications. Enke-Verlag, Stuttgart 1998, 3 2 - 3 8 [10] Kelley S.S., Lachiewicz P.F., H i c k m a n J.N., P a t e r n o S.M.: Relationship of f e m o r a l head a n d a c e t a b u l a r size to t h e prevalence of dislocation. Clin Orthop 335: 163-70,

1998

[11] M e n g e Μ., Hesse J.: Mittelfristige Ergebnisse mit dem

S I - S c h r a u b r i n g mit Keramik-inserts. In: Puhl W. (Hrsg.):

P e r f o r m a n c e of t h e Wear Couple Biolox forte in Hip A r t h r o - plasty. Enke-Verlag, Stuttgart 1997, 8 1 - 8 4

[12] Rack R., P f a f f H.G.: A new material c o n c e p t for b i o - ceramics in orthopedics. In: W i l l m a n n G., Z w e y m ü l l e r Κ.

(Hrsg.): Bioceramics in Hip J o i n t Replacement. T h i e m e - V e r - lag, Stuttgart New York 2000, 1 4 1 - 1 4 5

[13] Saikko V., P f a f f H.G.: Low w e a r and friction in a l u m i - n a / a l u m i n a total hip j o i n t s . Acta Orthop Scand 69: 4 4 3 - 4 4 8 , 1998

[14] Sedel L.: Revision strategy for ceramic implant failures.

In: Sedel L., W i l l m a n n G.: (Hrsg.): Reliability and Long-Term Results of Ceramics in Orthopaedics. Thieme-Verlag, S t u t t - gart New York 1999, 7 5 - 7 7

[15] S t e i n h a u s e r Ε., Bader R„ G r a d i n g e r R.: Spezifische Risi- ken keramischer P f a n n e n e i n s ä t z e . Biomaterialien 2 (2/3), 2001

[16] Villermaux F.: Z i r c o n i a - a l u m i n a b e a r i n g : larger design choice and higher reliability. 5th Congress of t h e E u r o p e a n Federation of National Associations of Orthopaedics a n d T r a u m a t o l o g y , Rhodos 2001

[17] W i l l m a n n G., Kramer U.: Keramische P f a n n e n f ü r H ü f t - e n d o p r o t h e s e n Teil 5: Konzeptionelle Ü b e r l e g u n g e n . Biomed Technik 4 4 : 3 7 0 - 3 7 6 , 1998

[18] W i l l m a n n G.: Keramische P f a n n e n f ü r H ü f t e n d o p r o t h e - sen Teil 8: Revisionen. Biomed Technik 44: 3 7 0 - 3 7 6 , 2 0 0 0 [19] Willmann G.: Biokeramik in der Orthopädie - Was h a b e n wir aus 25 Jahren gelernt? Med Orth Tech 120: 10-16, 2000 [20] Zichner L., Lindenfeld T.: In-vivo-Verschleiß der Gleit- p a a r u n g e n K e r a m i k - P o l y e t h y l e n gegen M e t a l l - P o l y e t h y l e n . Orthopäde 26: 129-34, 1997

2 ~J BlOmatenalien 3 (l), 2002