Chirurgia Narządów Ruchu i Ortopedia Polska, 68 (3), 169-172, 2003
Uszkodzenia endoprotezy stawu biodrowego
jako przyczyna niepowodzeń alloplastyki
Marzena Podrez-Radziszewska1, Krystyna Haimann1,
Włodzimierz Dudziński1, Włodzimierz Ozonek2
1
Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej, Politechnika Wrocławska 2
Szpital Ortopedyczny im. A. Grucy w Otwocku
Streszczenie
W pracy analizowano wpływ produktów zu\
ycia implantów na przebudowę struktur kostnych. Przedstawiono przykład zu\
ycia endoprotezy
stawu biodrowego. Przeprowadzono obserwacje mikroskopowe i pomiary chropowatości powierzchni dla oceny stopnia zu\
ycia powierzchni
główki endoprotezy. Do jakościowej analizy produktów zu\
ycia wykorzystano mikroanalizator rentgenowski. Zu\
yciu ściernemu i
odkształceniu polietylenowej panewki w badanej endoprotezie towarzyszyło rozrzedzenie struktury kostnej, które nastąpiło w rejonie
panewki. Pojawiające się w wyniku tarcia produktu zu\
ycia polietylenu i metali doprowadziły do obronnej reakcji organizmu, w wyniku
której doszło do osteolizy tkanki kostnej wokół implantu. Słowa kluczowe: staw biodrowy, endoprotezoplastyka, przebudowa struktur
kostnych
Damage of hip prosthesis causing failure in arthroplasty
Summary
Analysis of retrieved hip joint was presented. Bone remodeling considering the distribution of friction products was discussed. Scanning
electron microscopy methods were used to perform on structural analysis. We expressed a surface changing prosthetic head as Ra (roughness
average). X-Ray Microanalysis was applied to study products of degradation. Key words: hip joint, endoprosthesis, bone remodeling
Wstęp
cytozy. Wokół produktów zu\
ycia pojawiają się makrofagi i
Zmiany zwyrodnieniowe stawu biodrowego są główną fibroblasty i dochodzi do uaktywnienia osteoklastów, odpo-
przyczyną konieczności zastosowania alloplastyki. Stwarza to wiedzialnych za osteolizę tkanki kostnej. W efekcie prowadzi to do
mo\
liwość zastąpienia uszkodzonych struktur anatomicznych i resorpcji kości w otoczeniu endoprotezy i jej obluzowania [1-3]. W
przywrócenia ich utraconych czynności. Nawet najlepiej rejonie panewki proces ten rozpoczyna się od jej krawędzi bocznej
skonstruowany sztuczny staw biodrowy ulega jednak zu\
yciu. i postępuje wzdłu\
sklepienia. Mechaniczna stabilność implantu
Mimo licznych badań w wielu ośrodkach naukowych nad coraz to określona jest przez stopień zaawansowania resorpcji i tworzenia
nowocześniejszymi rozwiązaniami endoprotez stawu biodrowego, pomiędzy cementem i tkanką kostną odczynowej błony
problemy związane ze zu\
yciem endoprotezy, resorpcją tkanki łącznotkankowej, która z czasem mo\
e stanowić warstwę
kostnej wokół protezy i utratą stabilności pozostają wcią\
aktualne. przejściową [4].
Jako jedną z przyczyn niepowodzeń alloplastyki stawu Część produktów zu\
ycia mo\
e wędrować z płynem tkan-
biodrowego wymienia się zu\
ycie ścierne elementów endoprotez, kowym, wywoływać resorpcję kości i doprowadzić do oblu-
w wyniku którego do organizmu człowieka dostają się drobiny zowania endoprotezy daleko poza miejscem jej uszkodzenia.
polietylenu i metali. Produkty tarcia znajdujące się w strefie Pozostała część mo\
e zostać przetransportowana poprzez naczynia
kontaktu metalu z polietylenem mogą wywoływać zwiększone limfatyczne do organizmu człowieka [1,5].
zu\
ycie ślizgowych elementów endoprotezy i powodować wzrost Zanik tkanki kostnej wokół trzpieni endoprotezy jest związany
ilości produktów ścierania. Proces zu\
ycia endoprotezy przebiega równie\
ze sztywnością materiałów metalicznych stosowanych na
tym intensywniej, im większe jest obcią\
enie, działające na implanty, która zawsze jest większa od sztywności tkanki kostnej.
sztuczny staw biodrowy (cię\
ar i aktywność ruchowa pacjenta). Przenoszenie większej części obcią\
eń następuje wówczas przez
Z czasem, w skrajnych przypadkach, nadmierne zu\
ycie mo\
e endoprotezę, co pozbawia tkankę kostną jej mechanicznej
doprowadzić do ponownej dysfunkcji i konieczności stymulacji, prowadząc do jej zaniku.
reimplantacji. Mechaniczne zu\
ycie polietylenowej wkładki lub panewki,
oprócz pojawiania się produktów zu\
ycia, objawia się m.in.
Drobiny polietylenu i metali uwalniające się w wyniku
zmianą struktury powierzchni polietylenu, ubytkiem masy oraz
ścierania przedostają się z płynem tkankowym do przestrzeni
zmianą średnicy i grubości panewki. Zmiana struktury
okołostawowej, zaburzając zachodzące tam procesy biologiczne.
powierzchni polega m. in. na wzroście chropowatości powierzchni
Ciągłe dra\
nienie okolicznych tkanek przez produkty zu\
ycia
wewnętrznej. Zmianie średnicy panewki towarzyszy zwiększenie
wywołuje reakcję obronną ze strony organizmu, który stara się
się luzu pomiędzy głową a panewką i stworzenie niekorzystnych
pozbyć obcego dla niego ciała na drodze fago-
warunków biomechanicznych
170 M. Podrez-Radziszewska i wsp.
Trzpień i panewka endoprotezy wykonany jest ze stopu
dla pracy sztucznego stawu. W konsekwencji mo\
e to
równie\
doprowadzić do utraty stabilności zamocowania Ti6A14V, a główka z CoCrMo. Część zewnętrzna panewki
endoprotezy wskutek nieprawidłowego rozkładu naprę\
eń a i przynasadowa trzpienia jest pokryta hydroksyapatytem. Po-
punktowe przecią\
enia w miejscu osadzenia protezy mogą między główką endoprotezy a panewką znajduje się panewka
prowadzić do rozerwania połączeń na granicy proteza-kość z polietylenu UHMWPE.
lub kość-cement [2, 5]. Przeprowadzono badania mikroskopowe powierzchni
Prowadzone w wielu ośrodkach badania wskazują, \
e główki endoprotezy z wykorzystaniem elektronowego mi-
mechaniczne zu\
ycie polietylenowych panewek mo\
e być kroskopu skaningowego (firmy JEOL JSM 5800 LV) oraz
związane ze zmianą ich własności fizykochemicznych, wyni- dokonano analizy chropowatości jej powierzchni z wyzna-
kającą z ich długotrwałej eksploatacji w organizmie człowieka czeniem współczynnika Ra. Wykorzystano do tego celu
i oddziaływania płynów ustrojowych. Zmiany te mogą pro-filografometr FORM TALYSURF 120L firmy RANK
przebiegać z ró\
ną intensywnością, zale\
ną prawdopodobnie TAYLOR HOBSON. Do spektralnej analizy produktów
od agresywności płynów fizjologicznych i aktywności pac- zu\
ycia, występujących w rejonie implantu, wykorzystano
jenta. Makroskopowo objawia się to często zmianą zabar- mikro-analizator rentgenowski firmy Oxford Link ISIS 300,
wienia polietylenu, natomiast badania własności fizykoche- sprzę\
ony z mikroskopem skaningowym JEOL JSM 5800
micznych wykazują zmianę stopnia krystaliczności tworzywa
LV. Wyniki badań przedstawiono w postaci energetycznych
i utworzenie wiązań karbonylowych. Powoduje to znaczne
widm charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego
obni\
enie mechanicznych własności panewki, co przyczynia
badanego materiału.
się do jej przedwczesnego zu\
ycia [2, 6].
Dominującą rolę w obluzowaniu trzpieni endoprotez od-
Wyniki badań
grywają czynniki biomechaniczne. Struktura tkanki kostnej
Proces zu\
ycia endoprotezy zapoczątkowało uszkodzenie
dostosowuje się do istniejącego stanu naprę\
eń. W fizjo-
polietylenowej panewki, wywołane zu\
yciem ściernym i od-
logicznym stawie biodrowym obcią\
enia są przenoszone
kształceniem plastycznym.
przez miednicę na kość udową. Implantacja endoprotezy
W konsekwencji doprowadziło to do zmiany kształtu pa-
zmienia istniejący stan naprę\
eń, dochodzi do odcią\
enia
newki a\
do jej całkowitego przetarcia w miejscu działania
okolicy krętarza i przenoszenia obcią\
eń przez tkankę kostną
największych obcią\
eń i dalszej destrukcji endoprotezy. Na
wokół dalszego odcinka trzpienia. W efekcie dochodzi do
rycinie 2 pokazaliśmy stopień zu\
ycia polietylenowej pa-
resorpcji tkanki kostnej w proksymalnej części trzpienia [4,
newki.
7].
Na powierzchni wewnętrznej badanej wkładki stwier-
dzono ślady płynięcia polietylenu.
Materiały i metodyka badań
Badaniu poddano endoprotezę typu ABG, usuniętą pod-
czas reimplantacji po czterech latach u\
ytkowania. Podczas
zabiegu w otoczeniu implantu stwierdzono du\
ą ilość pro-
duktów zu\
ycia endoprotezy i znaczne uszkodzenie kości.
Radiologicznie stwierdzono rozrzedzenie struktury kostnej
ponad panewką (ryc. 1).
Ryc. 2. Widok ogólny zu\
ytej panewki z UHMWPE usuniętej
podczas reimplantacji.
W efekcie przetarcia polietylenowej panewki powstała
trąca para, tj. główka endoprotezy-panewka. Na powierzchni
Ryc. 1. Zdjęcie rentgenowskie stawu biodrowego przed
główki stwierdzono ślady korozji ściernej, a wewnątrz pa-
reimplantacją.
newki powstał ubytek o powierzchni około 1,5 cm2.
Uszkodzenia endoprotezy stawu biodrowego 171
172 M. Podrez-Radziszewska i wsp.
Na rycine 3a i b przedstawiamy zmiany powierzchni struktury kości, które nastąpiło w rejonie panewki. Poja-
główki endoprotezy, świadczące o intensywnym zu\
yciu wiające się w wyniku tarcia produkty zu\
ycia polietylenu i
ściernym doprowadzającym do zmiany stanu powierzchni metali doprowadziły do obronnej reakcji organizmu, w wy-
elementów, współpracujących w sztucznym stawie biodro- niku której doszło do osteolizy tkanki kostnej wokół im-
wym. Chropowatość powierzchni Ra w nieuszkodzonym plantu. Potwierdza to znaczne zniszczenie tkanki kostnej,
miejscu główki endoprotezy wynosiła 0.0195 urn, natomiast stwierdzone podczas reoperacji. Obok powstania produktów
dla uszkodzonej zwiększyła się do 0.2056 urn. Zmiana
zu\
ycia, inkongruencja panewki i główki endoprotezy, będąca
mikrogeometrii powierzchni przyczyniła się do dalszego,
wynikiem odkształcenia polietylenowej wkładki, stworzyła
zwiększonego zu\
ycia elementów endoprotezy.
niekorzystne warunki biomechaniczne w sztucznym stawie,
Podczas reimplantacji w otoczeniu badanego implantu
potęgując proces dalszej destrukcji endoprotezy. Zmniej-
stwierdzono du\
ą ilość produktów zu\
ycia endoprotezy.
szenie integralności implantu z kością powstałe w wyniku
Przeprowadzono analizę składu chemicznego produktów
procesów biologicznych, doprowadziło do zaburzenia stanu
zu\
ycia z wykorzystaniem mikroanalizatora rentgenowskie-
naprę\
eń i wywołało dostosowanie struktur kostnych do aktu-
go. Przykładowe mikrofotografie produktów zu\
ycia, znale-
alnie występujących naprę\
eń, powodując osteolizę i roz-
zionych w otoczeniu implantów, wykonane z wykorzys-
rzedzenie tkanki kostnej nad panewką.
taniem mikroskopu skaningowego oraz otrzymane widma
charakterystyczne promieniowania rentgenowskiego przed-
stawiono na rycinie 4 a i b. Piśmiennictwo
Obecność produktów zu\
ycia na uszkodzonej powierz- [1] Burcan J., Cwanek J., Dąbrowski J. R., Korzyński M.: Sztuczny staw
biodrowy z punktu widzenia mechaniki. Mat. Konf.  Mechanika
chni główki endoprotezy (ryc. 5a) świadczy o tym, \
e mie-
w medycynie", Rzeszów 1996: 373-380.
szają się one z płynem tkankowym i przemieszczają w ob-
[2] Otfinowski J., Pawelec A.: Wady i zalety polietylenu jako elementu
rębie sztucznego stawu biodrowego.
endoprotezy stawu biodrowego. I Sympozjum In\
ynieria
Uzyskane widma energetyczne potwierdziły obecność w
Ortopedyczna i Protetyczna, Białystok 1997: 161-169.
[3] Trindade M. C. D., Lind M., Sun D., Schurman D. I, Goodman S. B.,
badanym materiale: węgla (polietylen), pierwiastków
Smith R. L.: In vivo reaction to Orthopaedics biomaterials by
wchodzących w skład stopu CoCrMo (główka endoprotezy),
macrophages and lymphocytes isolated from patients undergoing
Ti6A14V (panewka) i płynów ustrojowych (ryc. 5b).
revision surgery. Biomaterials, 2001; 22: 253-259.
[4] Kusz D.: Biomechaniczne aspekty endoprotezoplastyk stawu
Podsumowanie
biodrowego. In\
ynieria Materiałowa, 1997; 2: 39-44.
[5] Gierzyńska-Dolna M., Adamus J., Więckowski W.: Materiałowe i
Obluzowanie endoprotezy stanowi powa\
ne powikłanie
trybologiczne uwarunkowania rozwoju alloplastyki stawów. Acta
alloplastyki stawu biodrowego, gdy\
powoduje narastanie
of Bioengineering and Biomechanics, 2001; 3, (supl. 1): 83-88.
bólu i często wią\
e się z koniecznością wykonania reimplan-
[6] Costa L., Luda M. P, Trossarelli L., Brach del Prever E. M., Crova
tacji. M., Gallinaro P.: Oxidation in Orthopaedics UHMWPE sterilized
by gamma-radiation and ethylene oxide. Biomaterials, 1998; 19:
Analizując przebieg uszkodzenia badanej endoprotezy
659-668.
stwierdzono, \
e przyczyną uszkodzeń panewki były:
[7] Podrez-Radziszewska M., Haimann K., Dudziński W.: The effect of
- nieprawidłowe mechaniczne własności zastosowanej
wear of materials used in endoprostheses on the aseptic
panewki polietylenowej;
loosening. Acta of Bioengineering and Biomechanics, 2002, 4,
supl. 1: 699-700.
- ścierne i korozyjne zu\
ycie elementów endoprotezy;
- rozprowadzenie produktów tarcia na powierzchniach
ślizgowych elementów endoprotezy.
Zu\
yciu ściernemu i odkształceniu polietylenowej pa-
newki w badanej endoprotezie towarzyszyło rozrzedzenie