Die Anforderungen an die Eigenschaften und an die Haltbarkeit von Implantatwerkstoffen haben in den vergangenen Jahren deutlich zugenommen. Dies begründet sich durch ein vermehrt jüngeres, aktiveres und anspruchsvolleres Patientenklientel, durch welches höhere Erwartungen an die Implantate zum Ersatz des Hüft-, Knie oder Schultergelenkes gestellt werden. Zudem hat sich ein verstärktes Bewusstsein gegenüber einzelnen Werkstoffbestandteilen wie zum Beispiel Chrom oder Kobalt und möglichen negativen Auswirkungen dieser Bestandteile entwickelt, was die Suche nach alternativen Materialkonzepten verstärkt hat. Als neues Material hat sich die Weiterentwicklung des Polyethylens bis hin zu seiner antioxidativen Stabilisierung etabliert. Auch keramische Werkstoffe und Beschichtungen haben in den vergangenen Jahren relevante Fortschritte gemacht. Ein in der Endoprothetik recht neues Material ist Polyetheretherketon (PEEK), welches insbesondere im Bereich der Knieendoprothetik attraktiv werden könnte. Im Folgenden werden wesentliche Entwicklungen hinsichtlich dieser neuen Materialien, aber auch in Bezug auf moderne Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel dem 3-D Druck erläutert.
QUERVERNETZTES UND ANTIOXIDATIV STABILISIERTES POLYETHYLEN
Obwohl der Ersatz des Hüft- und Kniegelenkes ein gängiges und sehr erfolgreiches operatives Verfahren ist, so wurde die langfristige Haltbarkeit der Implantate durch zelluläre Reaktionen auf Polyethylenabrieb und die daraus resultierenden Auswirkungen auf den periprothetischen Knochen (wie z. B. durch die Bildung partikelinduzierter Osteolysen) ungünstig beeinträchtigt, was in der Vergangenheit häufig zu einem vorzeitigen Versagen des Gelenkersatzes geführt hat.
Somit stand bei der Weiterentwicklung von konventionellem, ultrahochmolekularem Polyethylen (PE) vornehmlich die Reduktion des Materialverschleißes im Vordergrund.
Bedingt durch Forschungsarbeiten, die die Auswirkungen der Sterilisation auf den PE-Verschleiß untersuchten, wurde zunächst festgestellt, dass eine zunehmende Bestrahlungsdosis zu einer Verschleißreduktion führen kann. Die Veränderung der Materialeigenschaft erwies sich als eine unmittelbare Folge auf die strahlungsbedingte Quervernetzung des PEs. Bei der Quervernetzung werden durch einen Energieeintrag mittels Gamma- oder Elektronenstrahl Atomen oder Seitengruppen aus benachbarten Ketten entfernt, wodurch kovalente Bindungen entstehen und Ketten miteinander verbunden werden können. Neben einer Verbesserung der Verschleißeigenschaften zeigte sich allerdings auch eine Reduktion der Festigkeitseigenschaften des quervernetzten Polyethylens (XPE) einschließlich einer geringeren Beständigkeit gegen Ermüdungsrisse. Zudem bilden sich durch die Vernetzung, neben den Querverbindungen, auch freie Radikale im XPE, die eine Oxidation und somit Versprödung des Materials begünstigen (Abb. 1). Um diesen Aspekten entgegenzuwirken, wurden zunächst thermische Nachbehandlungen entwickelt, bei denen das Material nach der Quervernetzung erwärmt („annealed“) oder aufgeschmolzen („remelted“) wurde. Das Erwärmen hatte den Vorteil, dass kristalline Strukturen im Material weitestgehend erhalten blieben, aber nicht alle freien Radikale eliminiert werden konnten, wodurch sich eine Nachoxidation des Materials nicht ausschließen ließ. Beim Aufschmelzen wird zwar ein Großteil der freien Radikale entfernt, allerdings werden auch die kristallinen Strukturen aufgelöst, was sich nachteilig auf die mechanische Festigkeit auswirkt.
Für die primäre Hüftendoprothetik existiert eine große Anzahl von Studien und Registerdaten, die belegen, dass XPE nicht nur einen deutlich geringeren Verschleiß als PE aufweist, sondern auch, dass sich durch die Verwendung von XPE die Häufigkeit periprothetischer Osteolysen und die Revisionswahrscheinlichkeit deutlich reduzieren lassen (Abb. 2). Allerdings zeigte sich auch, dass sich die durch die Quervernetzung veränderten Materialeigenschaften (wie z. B. eine reduzierte mechanische Festigkeit bzw. die Gefahr der Nachoxidation des Materials) ungünstig auswirken können, insbesondere dann, wenn diese bei dünnwandigen Komponenten zum Einsatz kommen. So kam es beim Einsatz von XPE zu einzelnen Fehlschlägen in der Schulterendoprothetik oder Randabplatzern bei dünnwandigen Hüftpfannenkomponenten. In der Knieendoprothtik hat sich daher auch ein eher moderat quervernetztes PE etabliert, da das Ausmaß der Materialveränderung (sowohl positiv im Sinne einer Verschleißreduktion als auch negativ im Sinne einer reduzierten Festigkeit oder Oxidationsanfälligkeit) vom Grad der Quervernetzung bzw. dem Grad der Bestrahlungsdosis abhängt.
Endoprothesen-Registers 2021. Abbildung urheberrechtlich geschützt.
In Bezug auf die Knieendoprothetik ist der Vorteil in der Verwendung von XPE hinsichtlich einer Reduktion der Revisionsrate nicht so deutlich ausgeprägt wie in der Hüftendoprothetik. Hier scheint das jeweilige Implantatdesign eine zusätzliche Rolle zu spielen, dennoch profitieren hier insbesondere jüngere Patienten von der Nutzung von XPE.
Um den Herausforderungen der Quervernetzung (Oxidation, Wärmebehandlung, reduzierte Festigkeit etc.) zu begegnen, wurde das Material in den vergangenen Jahren weiterentwickelt hin zu seiner modernsten Form, dem antioxidativ stabilisierten quervernetzten Polyethylen (AOXPE).
Anstatt die freien Radikale thermisch zu eliminieren, wird das Material chemisch stabilisiert. Dies erfolgt durch die Zugabe eines Antioxidationsmittels wie Alpha-Tocopherol (Vitamin E) oder auch durch Pentaerythritol Tetrakis. Das Material wird quervernetzt, aber nicht mehr wärmebehandelt, wodurch die ursprüngliche Struktur des Polymers weitgehend erhalten bleibt (Abb. 3).
In-vitro-Studien haben gezeigt, dass AOXPE auch unter exzessiver künstlicher Alterung stabil bleibt und sich hierbei auch im Verschleiß vorteilhaft gegenüber XPE verhält. Klinisch und anhand von Registerdaten lässt sich bisher allerdings noch kein relevanter Vorteil von AOXPE im Vergleich zu XPE belegen. Dies könnte aber auch daran liegen, dass AOXPE erst seit wenigen Jahren klinisch eingesetzt wird und dass sich materialbedingte Unterschiede häufig erst nach einer längeren Dauer klinisch herauskristallisieren.
WEITERENTWICKLUNG KERAMISCHER WERKSTOFFE
Keramische Materialien sind aufgrund ihrer Härte und hervorragenden Biokompatibilität sehr gut geeignete Materialien für artikulierende Implantatkomponenten und konnten sich in der Hüftendoprothetik etablieren. Sie werden dort mit Polyethylen (in den verschiedenen Varianten) kombiniert (Hart-Weich-Paarung) oder als Keramik-Keramik-Gleitpaarung (Hart-Hart-Paarung) eingesetzt. Zunächst kam als Werkstoff Aluminiumoxid, später auch Zirkoniumdioxid zum Einsatz. Beide Keramiken weisen allerdings spezifische Vor- und Nachteile auf.
So weist die Aluminiumoxidkeramik eine enorme Härte auf, was vorteilhaft für das Verschleißverhalten ist, die Aluminiumoxidkeramik reagiert jedoch empfindlich auf Zugspannungen, was sich auf das Bruchrisiko der Keramik auswirkt. Aufgrund der höheren Zähigkeit weist die Zirkoniumdioxidkeramik diesbezüglich bessere mechanische Eigenschaften und eine sehr hohe Rissbeständigkeit auf. Dies erklärt sich anhand der Phasenumwandlungszähigkeit: Die spannungsinduzierte Phasenumwandlung beinhaltet die Umwandlung metastabiler tetragonaler Körner in die monokline Phase an der Rissspitze. Sie geht mit einer Volumenausdehnung einher und induziert Druckspannungen, die die Rissausbreitung behindern. Andererseits unterliegt dieses Material aufgrund der fortschreitenden Kristallumwandlung mit der Zeit einer langsamen hydrothermalen Zersetzung.
Um die positiven Eigenschaften beider Keramiken zu kombinieren (die vorteilhafte Festigkeit und Zähigkeit von Zirkoniumdioxid und die höheren Verschleißbeständigkeit und hydrothermale Stabilität von Aluminiumoxid) wurden Mischoxidkeramiken entwickelt.
Die im Bereich der Endoprothetik derzeit am verbreitetste Mischoxidkeramik ist die Biolox® delta-Keramik (Hersteller Ceramtec), bei der das Aluminiumoxid durch die Zugabe vonYttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid verstärkt wird (Zirconia Toughened Alumina (ZTA)). Diese Keramik besteht aus etwa 75 % Aluminiumoxid, 25 % Zirkoniumoxid und zudem geringen Konzentrationen weiterer Oxide. Seitens des Herstellers Mathys existieren zwei Mischoxidkeramiken. Zum einen eine ATZ-Keramik (Alumina Toughened Zirconia), die zu 20 % aus Aluminiumoxid und 80 % Zirkoniumoxid besteht (Handelsname: Ceramys) und eine ZTA-Keramik, die zu 75 % aus Aluminiumoxid und 25 % Zirkoniumoxid besteht (Handelsname: Symarec). Die Ceramys-ATZ Keramik weist dabei etwas höhere Festigkeits- und Bruchzähigkeitskennwerte als die Symarec- ZTA-Keramik auf, wodurch erstere insbesondere für Keramik- Keramik-Gleitpaarungen geeignet ist.
Insgesamt weisen die neueren Mischoxidkeramiken vorteilhaftere mechanische Eigenschaften als die älteren Aluminiumoxidkeramiken auf, wodurch sie mehr und mehr auch für dünnwandige Implantatkomponenten z. B. im Bereich der Knie- aber auch Schulterendoprothetik in Betracht kommen (Abb. 4).
BESCHICHTUNGEN
Insbesondere in der Knieendoprothetik, aber auch in der Schulterendoprothetik werden vermehrt Beschichtungen eingesetzt, um einen Ionenaustritt von Chrom und Kobalt aus dem Grundmaterial zu verhindern bzw. zu reduzieren. Oft werden diese Systeme als hypoallergene Implantate angeboten. Die Versorgungshäufigkeit mit hypoallergenen Implantaten hat in den vergangenen Jahren deutlich zugenommen und liegt in Deutschland bei derzeit ca. 8 % in der primären Knieendoprothetik (gemäß des Deutschen Endoprothesenregisters, EPRD). Aktuell sind mehrere Beschichtungsvarianten in der klinischen Anwendung: Titan-Nitrid (TiN), Titan-Niob-Nitrid (TiNbN) und Zirkonium-Nitrid (ZrN).
Technisch zu berücksichtigen ist, dass die aufgetragene Schicht deutlich härter ist als das darunter liegende Grundmaterial. In den anfänglichen Entwicklungen haben die unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften gelegentlich dazu geführt, dass es zur Delamination („Abplatzen“) der Schicht gekommen ist und Beschichtungen teilweise auch durchgerieben wurden. Die meisten Hersteller verwenden TiN- oder TiNbN-Beschichtungen, die in einer Schicht (Monolayer) auf das Grundmaterial aufgetragen werden. Um den Übergang zwischen der äußeren Schicht und dem Grundmaterial mechanisch abzustufen, wurde eine mehrstufige Beschichtung (Multilayer-Beschichtung) entwickelt (Hersteller Aesculap, Handelsname: Advanced Surface – AS). Hierbei besteht die äußerste Schicht aus ZrN während die darunter liegenden Schichten andere chemische Bestandteile aufweisen. Die Schichten sind so aufgebaut, dass der Härtegrad der Schichten von außen nach innen abnimmt, um so eine besser Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem Grundmaterial zu erreichen.
Zu Beschichtungen von Knieendoprothesen existieren einige in-vitro-Studien, aber insgesamt nur wenige klinische Studien. So können Implantate mit Beschichtung der Femurkomponente einen geringeren Polyethylenverschleiß aufweisen. Dies wurde für die ZrN-Oberfläche gezeigt, während Ergebnisse von Verschleißtests von TiN-beschichteten Oberflächen im Vergleich zu unbeschichteten Oberflächen sowohl zu niedrigerem als auch zu höherem Polyethylen-Abrieb führten. Für TiNbN-Beschichtungen liegen nur wenige In-vitro-Studien vor, wobei diese tendenziell vergleichbare Polyethylene-Abriebraten wie unbeschichtete Komponenten zeigen.
Klinisch ist das funktionelle Ergebnis von TiN-beschichteten und unbeschichteten Femurkomponenten prinzipiell vergleichbar.
In Bezug auf die Revisionswahrscheinlichkeit ist die Datenlage kontrovers. Aus verschiedenen nationalen Registern lassen sich für beschichtete Implantate höhere Revisionsraten ableiten als für unbeschichtete Implantate. Dies scheint allerdings nicht für ZrN-Beschichtungen zu gelten. Hier zeigen sich z. B. im australischen Register geringere Revisionsraten als bei TiN-beschichteten und auch geringere Revisionsraten im Vergleich zu konventionellen Femurkomponenten. Offen bleibt, inwieweit sich die Ergebnisse zu beschichteten und unbeschichteten Implantaten grundsätzlich vergleichen lassen, da neben den unterschiedlichen Schichtvarianten auch verschiedene Herstellungstechnologien zum Einsatz kommen und zudem eine gewisse Verzerrung („selection bias“) in Bezug auf die Patienten relevant sein könnte. Daher wird weiterer Bedarf nach Studien mit hohem Evidenzgrad gesehen, um den Nutzen von Beschichtungen umfassend bewerten zu können.
geschützt.
PEEK
Polyetheretherketon (PEEK) ist ein thermoplastisches Polymer, das aufgrund seiner günstigen mechanischen Eigenschaften und seiner recht guten Bio-Verträglichkeit klinisch an der Wirbelsäule eingesetzt wird und auch als Biomaterial für den Gelenkersatz vermehrt in Betracht kommt (Abb. 5).
Im Vergleich zu metallischen oder keramischen Werkstoffen weist PEEK eine deutlich höhere Elastizität auf und basierend auf Computersimulationen konnte für Femurkomponenten gezeigt werden, dass PEEK zu einer besseren Knochenstimulation und weniger Stress-Shielding führen kann als eine vergleichbare metallische Implantatkomponente. Offenbar kann das nachgiebigere Material die Kräfte physiologischer verteilen als ein steiferes Implantat aus Metall.
Das Interesse an der Verwendung von PEEK als Gleitlagerwerkstoff für die Endoprothetik, entweder in seiner natürlichen, unverstärkten Form oder verstärkt mit Kohlenstofffasern (CFRPEEK), hat zugenommen und erste experimentelle Studien wurden hierzu vorgestellt. So zeigten sich vergleichbare oder auch vorteilhafte Verschleißeigenschaften, wenn nicht-faserverstärktes PEEK mit Polyethylen artikuliert. Zu CFR-PEEK liegen allerdings unterschiedliche Daten vor. So wird CFR-PEEK einerseits erfolgreich in stabilisierenden Komponenten von Revisions-Knieendoprothesen (z. B. in Buchsen, Flanschen, etc.) eingesetzt, während andere Studien einen erhöhten Verschleiß berichten, insbesondere dann, wenn hohe Flächenpressungen wirken und die Artikulation direkt mit unbeschichteten Metallen stattfindet. Dies zeigt, dass das Implantatdesign die Beanspruchungsgrenzen der CFR-PEEK Komponenten berücksichtigen muss. Zudem spielen die Herstellungsverfahren, wie z. B. die Maßhaltigkeit der Teile eine wichtige Rolle.
Somit scheint PEEK durchaus Potenzial als neuer und alternativer Werkstoff in der Endoprothetik zu haben. Nutzen und Risiken sollten daher weiter untersucht und auch durch klinische Studien belegt werden.
3D-DRUCK
Der Einsatz des 3D-Drucks hat sich in den letzten zehn Jahren in der Medizin immer mehr durchgesetzt, da Operateure und Wissenschaftler zunehmend die Flexibilität dieser Technologie nutzen. Der 3D-Druck ist ein Herstellungsverfahren, bei dem Materialien wie Kunststoff oder Metall schichtweise aufgetragen werden, um aus einem digitalen Modell ein detailgetreues 3D-Objekt herzustellen. Diese additive Fertigungsmethode hat den Vorteil, dass Objekte mit komplexer Freiformgeometrie produziert werden können, was mit herkömmlichen Fertigungsmethoden häufig kaum machbar ist. Speziell bei chirurgischen Anwendungen können die 3D-Drucktechniken nicht nur Modelle erzeugen, die ein besseres Verständnis der komplexen Anatomie und Pathologie der Patienten ermöglichen und die Ausbildung und das chirurgische Training unterstützen, sondern auch patientenspezifische Schablonen oder sogar maßgeschneiderte Implantate herstellen, die auf die chirurgischen Anforderungen zugeschnitten sind.
Patientenspezifische Schablonen (bzw. patientenspezifische Instrumente-PSI) werden auf der Grundlage eines 3DOberflächenmodells der individuellen knöchernen Anatomie des Patienten erstellt, um dann als Führungsschablone während des operativen Eingriffs verwendet werden zu können. Unter Nutzung dieser Führungsschablone wird somit z. B. die Richtung einer Säge vorgegeben. Anhand der präzisen Sägeschnitte kann dann die Implantatkomponente (z. B. die Femurkondyle eines Kniegelenkersatzes) orientiert und implantiert werden. Der Einsatz konventioneller Instrumente zur Ausrichtung der Implantatkomponenten reduziert sich dementsprechend, allerdings kann die Orientierung bzw. Ausrichtung der durch eine Führungsschablone vorgegeben Sägeschnitte nur sehr eingeschränkt, im Nachhinein manuell korrigiert werden.
Auch das direkte 3D-Drucken von metallischen Implantaten hat sich rapide weiterentwickelt. Relativ häufig werden bereits Wirbelsäulen-Cages und auch erste Tibia-Plateaus und Hüftgelenkpfannen serienmäßig aus Titan gedruckt. Besonders für die Herstellung patientenspezifischer Implantate eignet sich der 3D-Druck. Dies ist einerseits für individuelle Defektversorgungen (z. B. bei Beckenteilersatz-Implantaten) oder bei stark abweichender Anatomie (bei der eine Versorgung mit Standard-Implantaten schwierig ist) von Interesse. Neben der anatomischen Anpassung an die chirurgischen Anforderungen des Patienten können 3D-gedruckte Implantate mit Gerüstgittern hergestellt werden, die die Osteointegration erleichtern und die Steifigkeit des Implantats verringern sollen. Dies ist besonders für die Herstellung von Augmenten oder Strukturen zur Defektüberbrückung interessant (Abb. 6). Zudem könnten zelluläre Strukturen pharmakologisch genutzt werden, um z. B. eine gezielte (lokale) Wirkstofffreisetzung zu begünstigen.
Beim 3D-Drucken von metallischen Implantaten aus Titan sind allerdings noch einige Herausforderungen zu meistern. Da die Herstellung aus einem Titan-Pulver-Bett heraus erfolgt, muss sichergestellt werden, dass keine relevanten Pulver-Rückstände an den Implantaten verbleiben. Eine große Herausforderung stellt auch die Dauerfestigkeit für lasttragende Komponenten (wie z. B. Hüftschäfte) dar, da die mechanischen Eigenschaften (insbesondere die Festigkeitskennwerte) der gedruckten Bauteile nicht ohne Weiteres mit denen konventionell gefertigter Bauteile vergleichbar sind. Hier sind aufwendige Nachbehandlungsverfahren notwendig.
Auch die noch relativ hohen Kosten der Implantate, die Vorlaufzeit bei der Herstellung und die mangelnde intraoperative Flexibilität sind Aspekte, die es noch zu überwinden gilt.
FAZIT
In den vergangenen Jahren wurden neue Hightech Implantatwerkstoffe eingeführt bzw. technologisch weiterentwickelt. Bei einigen dieser Entwicklungen ist der Nutzen für den Patienten bereits evident, während dieser Nachweis bei einigen Materialvarianten noch aussteht. Grundsätzlich sollten neue Entwicklungen in diesem Bereich zunächst intensiv präklinisch evaluiert werden. Nach klinischer Einführung entsprechender neuer Technologien sollten diese sorgfältig klinisch beobachtet werden, mit dem Ziel, eine maximale Sicherheit bei größtmöglichem Nutzen für den Patienten zu erreichen.
Literatur auf Anfrage beim Autor.