UHMWPE: Ultrahochmolekulares Polyethylen
XLPE: Vernetztes Polyethylen
Beide Materialien finden breite Anwendung in Gelenkersatz Implantate als Reibungsflächen. Heute gehe ich näher auf ihre Materialeigenschaften, Vorteile und Nachteile ein. Finden wir heraus, ob Sie die richtige Wahl für den klinischen Einsatz getroffen haben.
- Was ist UHMWPE und XLPE?
Traditionelles ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMWPE) wird durch Polymerisation von Ethylen zu feinem Pulver und anschließende Verarbeitung mittels Verfahren wie Formpressen oder Extrusion unter hohem Druck und hohen Schmelztemperaturen hergestellt. UHMWPE, das in Gelenkimplantaten verwendet wird, wird häufig zur Sterilisation einer Niedrigdosisbestrahlung unterzogen.
Vernetztes Polyethylen (XLPE) ist eine modifizierte Form von UHMWPE. Die Strahlendosis für hochvernetzte Polyethylen-Auskleidungsmaterialien liegt üblicherweise zwischen 50 und 100 kGy. Nach der Bestrahlung wird das Material entweder über seinen Schmelzpunkt (135 °C) erhitzt oder unterhalb seines Schmelzpunkts getempert. In diesem Artikel bezeichnet der Begriff „hochvernetztes Polyethylen“ XLPE, das unter diesen spezifischen Verarbeitungsbedingungen hergestellt wird.
- Mechanische Eigenschaften: UHMWPE vs. XLPE
Die Vernetzung erhöht die Dichte von Polyethylen und verbessert dadurch dessen Verschleißfestigkeit. Allerdings können die mechanischen Eigenschaften von hochvernetztem Polyethylen aufgrund der erhöhten Vernetzungsdichte beeinträchtigt werden, und die Nachbearbeitung kann die mechanischen Eigenschaften bzw. die Oxidationsbeständigkeit weiter beeinflussen.
Quasistatisches Zugverhalten
Die Forschung von Gomoll et al. ergab, dass bei einem gegebenen Kristallinitätsgrad eine hohe Vernetzung in Polyethylen zu einer Verringerung des Moduls, der Bruchfestigkeit und der Duktilität führt (die Duktilität hängt mit der Bruchdehnung zusammen) (Tabelle 1, blaue Hervorhebungen).
Tabelle 1: Physikalische Eigenschaften von ultrahochmolekularem Polyethylen bei unterschiedlichen Strahlendosen
Die mechanischen Eigenschaften werden aus realen Spannungs-Dehnungs-Kurven abgeleitet, während die Bruchzähigkeit mit Hilfe der Rice- und Sorenson-J-Integral-Methode bestimmt wird.
Bruchzähigkeit
Untersuchungen von Gencur et al. [3] zeigen einen linearen Zusammenhang zwischen der Strahlendosis und der Bruchzähigkeit (Abbildung 2), wobei hohe Dosen von Gammastrahlung die Bruchzähigkeit von hochvernetztem Polyethylen deutlich verringern.
Gomoll und Kollegen[2] stellten fest, dass bei niedrigen Dosen (≤50 kGy) die Vernetzung die Bruchzähigkeit erhöht, während hochvernetztes Polyethylen nach Erreichen der JIC einen spontanen, instabilen Bruch aufweist (Tabelle 1, rot hervorgehoben).
Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungsrisswachstum
Baker et al. [4,5] stellten fest, dass der Wert für die anfängliche Rissausbreitung, ΔKincep, mit zunehmender Vernetzungsdosis abnimmt. Bei XLPE mit einer Dosis von 200 kGy sinkt ΔKincep im Vergleich zu UHMWPE um 61 %, was darauf hindeutet, dass eine hohe Vernetzung die Beständigkeit gegen Ermüdungsrisswachstum negativ beeinflusst (Tabelle 2, blau hervorgehoben).
Tabelle 2: Daten zum Ermüdungsrisswachstum für hochmolekulares Polyethylen und vernetztes Polyethylen
- Wie wählt man zwischen UHMWPE und XLPE?
Vernetztes Polyethylen (XLPE) hat sich dank seiner außergewöhnlichen Beständigkeit gegen abrasiven und adhäsiven Verschleiß als hervorragende Verschleißfestigkeit bei Hüfttotalendoprothesen (HTEP) erwiesen. Dies hat in jüngster Zeit zur Verwendung von hochvernetztem Polyethylen (XLPE) in der gesamten Hüfttotalendoprothetik geführt. Knieprothese (TKR)-Operation.
Aber lässt sich die Wirksamkeit der Vernetzung auch auf die Kniegelenksersatzoperation übertragen? Untersuchungen [6] deuten darauf hin, dass dies weitgehend von den Bewegungsarten und Belastungen abhängt, denen das Polyethylen-Gleitlager ausgesetzt ist.
Im Gegensatz zum Kugelgelenk mit hoher Übereinstimmung bei der Hüfttotalendoprothese (mit seinem einzigartigen abrasiven und adhäsiven Verschleiß) ist die Kongruenz der femoro-tibialen Gelenkflächen bei der Knietotalendoprothese relativ geringer, was zu mehr Gleit- und Rollbewegungen führt, wie in Abbildung 3 dargestellt.
A) Die Kontaktfläche innerhalb des Gelenks erzeugt eine Druckspannung entlang der Oberfläche des Einsatzes, die senkrecht zur Oberfläche des Femurkondylus-Implantats verläuft.
B) Mit der Bewegung des Kontaktpunkts bildet sich eine neue Kontaktfläche, wodurch eine entsprechende Druckspannungszone entsteht.
C) Durch die abwechselnde Bewegung der Kontaktpunkte entsteht eine zyklische Zugspannung unterhalb der Einsatzgelenkfläche.
Ausgehend von den oben genannten biomechanischen Prinzipien und unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften lässt sich feststellen, dass bei der Verwendung von hochvernetztem Polyethylen (XLPE) als Einsatzmaterial bei der Kniegelenksersatzoperation (TKA) potenzielle Probleme wie Lochfraß, Delamination und Spannungskonzentrationen, die zu Brüchen des Einsatzes führen können, auftreten können.
Szenario 1:
Die Zugspannung am Rand des Polyethylen-Einsatzes und die Scherspannung an der Oberfläche im Kontaktbereich der Verbindung können zu Lochfraß und Delamination des Einsatzes führen. Die Vernetzung kann jedoch die Rissausbreitungsbeständigkeit verringern und dadurch das Risiko von Ermüdungsverschleiß im Einsatz erhöhen. Dieser Sachverhalt ist in Abbildung 4 dargestellt.
Der linke Pfeil zeigt Risse und beginnende Delaminationen unterhalb der Oberfläche des Einsatzes an. Der rechte Pfeil zeigt eine Delaminationsstelle in der Mitte des Einsatzes.
Szenario 2:
Mit zunehmender Belastung des Tibiapfostens und des Randes des Inlays tritt in diesem Bereich Verschleiß auf. Die reduzierte Dauerfestigkeit und Duktilität von XLPE erhöhen dessen Anfälligkeit für diese Art von Schädigung im Inlay. In Extremfällen kann dies schwerwiegende Folgen wie einen Bruch des Tibiapfostens und des Inlayrandes nach sich ziehen, wie in Abbildung 5 dargestellt.
Die Vernetzung reduziert abrasiven und adhäsiven Verschleiß in hochvernetztem Polyethylen (XLPE). Allerdings scheint sie die Risiken von Rissausbreitung, Verformung, Lochfraß und Delamination, die häufig bei Kniegelenksersatz auftreten, nicht zu verringern. Die reduzierte Zähigkeit, Duktilität und Dauerfestigkeit von hochvernetztem Polyethylen (XLPE) kann letztendlich zum Versagen von fixierten Kniegelenksimplantaten führen. Daher bleibt der Einsatz von hochvernetztem Polyethylen in der Kniegelenksendoprothetik fraglich.
Wie soll man sich also zwischen diesen beiden Materialien entscheiden? Einzelheiten finden Sie in der folgenden Tabelle.
Tabelle 3: Empfohlene optimale Auswahl des Einsatzmaterials für verschiedene Szenarien
Das Gass-Kniegelenksystem bietet eine Vielzahl von Polyethylen-Einsätzen, die aus importiertem UHMWPE-Material aus Deutschland formgepresst werden. Dies gewährleistet eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Abrieb- und Adhäsionsverschleiß sowie eine überlegene Dauerverschleißfestigkeit.
Referenzen
