Polyethylen als Implantatwerkstoff

Zusammenfassung

UHMW-Polyethylen ist seit Anfang der 60er Jahre eines der meistverwendeten Materialien in der Gelenkersatzchirurgie, das mit großem Erfolg eingesetzt wird. Im Laufe des klinischen Einsatzes traten jedoch auch Schwachstellen dieses Werkstoffs zutage, so etwa der relativ hohe Verschleiß und die Alterung. Als Folge umfangreicher Forschungsarbeiten an diesem Polymer wurden zahlreiche Verbesserungen in der Qualität des Ausgangsmaterials, der Verarbeitung und der Sterilisation eingeführt. Diese Verbesserungen, gepaart mit Erkenntnissen über das viskoelastische Verhalten von ultrahochmolekularem Polyethylen (UHMWPE), haben zu verbesserten werkstoffgerechten Designs von Implantatkomponenten geführt,welche sich in der klinischen Praxis bewährt haben.

In den 90er Jahren wurde die gezielte Beeinflussung der molekularen Struktur durch Bestrahlung zur Verbesserung der Eigenschaften von UHMWPE eingehender untersucht. Während die Strahlensterilisation in Luft zur Reduktion des für das tribologische Verhalten wichtigen Molekulargewichts durch Oxidation und einer beschleunigten und verstärkten Alterung dieses Werkstoffs führt, können durch die Anwendung einer Stickstoffatmosphäre während der Bestrahlung und der Lagerung die positiven Effekte der Strahlensterilisation vorteilhaft zur Vernetzung von Polyethylen verwendet werden. Dieser Effekt kann durch erhöhte Bestrahlungsdosis deutlich erhöht werden. Derart hochvernetzte (highly cross linked) Polyethylene zeigen im Labor eine extreme Reduktion der Abriebwerte. Gleichzeitig werden aber die mechanischen Eigenschaften modifiziert.

Erste Beobachtungen über Rissbildungen (Werkstoffermüdung) einer speziellen hochvernetzten Version solcher XLPE-Explantate zeigen einmal mehr, dass nur klinische Langzeituntersuchungen eine abschließende Beurteilung dieser Polyethylene ermöglichen.

Abstract

Since the early 1960s, ultrahigh-molecularweight polyethylene (UHMWPE) has been one of the most frequently and successfully used materials in total joint replacement. However, in the course of clinical usage, various weaknesses of the material became apparent including wear and aging properties. As a result of research on this polymer, several improvements in the quality of the raw material, the processing, and the sterilization have been introduced.These changes paired with an improved knowledge of the viscoelastic behavior of UHMWPE have led to an improved design of the components to meet the requirements of the given material characteristics and in turn to better clinical results.

In the 1990s, investigations focused on the influence of radiation on the molecular structures of polyethylene.Gamma radiation treatment in air leads to an important decrease in the molecular weight with reduced tribological behavior and accelerated aging. In contrast, a nitrogen atmosphere during irradiation and storage can improve the linkage of the polyethylene and promote the positive effects of radiation treatment.This effect can be further intensified by increased radiation levels.Such highly cross-linked polyethylenes demonstrate extremely low wear rates in vitro;however, other material properties are also changed.First reports on fissures in highly cross-linked polyethylene explants demonstrate that only long-term clinical trials can allow a final verdict on the clinical potential of highly cross-linked polyethylenes.