Knochen- und Gelenkendoprothesen Vorstellung der neuesten Entwicklung in der Kniegelenksendoprothetik

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1 Knochen- und Gelenkendoprothesen Vorstellung der neuesten Entwicklung in der Kniegelenksendoprothetik Belegarbeit im Fach Biomaterialien eingereicht von: Daniel Butze geboren am 21. September 1980 Wildau, den 13. Januar 2012

2 1 Knochen- und Gelenkendoprothesen 1 Knochen- und Gelenkendoprothesen 1.1 Einleitung Die Arthrose stellt beim Menschen die weltweit häufigste Erkrankung dar. Durch epidemiologische 1 Untersuchen auf radiologischer Basis konnte Anfang der 50er Jahre gezeigt werden, dass bei 90 % der über 65-jährigen wenigstens ein Gelenk an Arthrose erkrankt ist (Kellgren und Lawrence 1957 [1]). Derzeit leiden acht Millionen Deutsche an Arthrose, das sind 10 % der deutschen Bevölkerung. Die jährlichen Kosten, welche durch Arthrose verursacht werden, betragen ca. zehn Milliarden Euro pro Kalenderjahr, Tendenz steigend. Sie stellt die Indikation für eine der zehn häufigsten Operationen in Deutschland. [2] Kellgren und Lawrence wiesen weiterhin 1958 radiologisch bei 40,7 % der weiblichen und bei lediglich 29,8 % der männlichen Personen im Alter zwischen 55 und 64 Jahren Arthrosen der Kniegelenke nach. Laut Sun et al ist dieser offensichtlich geschlechtsspezifische Unterschied vermutlich auf eine Hormonveränderung bei Frauen nach der Menopause zurückzuführen. (Y. Sun et.al. 1997)[3] Die heutige Medizintechnik ist bestrebt immer länger haltbare Materialien zu entwickeln, die sich gut in den Körper einfügen und eine Biokompatibilität aufweisen. Ein entscheidendes Kriterium ist hierbei das Zusammenspiel der Komponenten, um möglichst lange Standzeiten zu erreichen. Dadurch ist es möglich Standzeiten der Prothesen von bis zu 20 Jahren zu erzielen, was den betroffenen Patienten in einigen Fällen den Austausch der Prothese erspart. Durch bessere Materialien und günstigere Formen sollen aber auch die Schmerzempfindungen der Patienten nach der Operation minimiert, sowie die Beweglichkeit des Gelenks wieder hergestellt werden, Dies sind die primären Ziele der Austauschoperationen sind. Durch sehr lange Standzeiten der Prothese und die Schmerzfreiheit von Patienten kann es ermöglicht werden die Kosten langfristig zu senken. 1 von griech. epi auf, über, demos Volk, logos Lehre, ursprünglich: Seuchenkunde 1

3 1.2 Kniegelenksendoprothesen 1.2 Kniegelenksendoprothesen Anforderungen an die Endoprothesen Prothesen müssen im Körper sehr hohen Belastungen standhalten. Schon beim einfachen Laufen wirken auf das gesunde Kniegelenk Kräfte, die dem zwei- bis dreifachen des eigenem Körpergewichts entsprechen. Beim Steigen von Treppen treten sogar die 3,5-fachen Kräfte auf (Heinemann et. al [4]). Die Prothese darf unter diesen Belastungen weder zerstört noch übermäßig verformt oder abgenutzt werden. Um den Belastungen standzuhalten, ist die Auswahl und das Testen des Materials von essentieller Bedeutung. An die Werkstoffe werden aber noch weitere Anforderungen gestellt. So ist bei älteren Prothesen oft eine aseptische Prothesenlockerung mit anschließendem Prothesenwechsel aufgetreten. Diese entstand auf Grund von Abriebpartikeln aus der Metalllegierung oder durch den Verschleiß des Polyethylens der Pfanne bzw. des Inlays. Diese aseptische Lockerung ist meist mit einem Knochenabbau im Implantatbett verbunden. An diesen Stellen lässt sich oft granulomatöses Gewebe mit den gespeicherten Abriebpartiken finden (M. Otto et. al 2006 [5]). Am häufigsten werden Metalllegierungen auf Eisen-, Kobalt- und Titanbasis verwendet. Weiterhin kommen Materialien wie Polyethylen, Keramiken und Knochenzement zum Einsatz. Generell unterliegen alle Werkstoffe einem ständigen Prozess des Verschleißes (M. Otto et. al [5]) Knietotalendoprothesensysteme Das NexGen LPS Gender Solutions High Flex der Firma Zimmer Die neueste Entwicklung von Zimmer (dem Marktführer bei Knietotalendoprothesen) im Bereich Knietotalendoprothesen stellt das Produkt NextGen LPS Gender Solution High Flex dar. Sie ist eine teilgekoppelte, bikondyläre, posterior stabilisierende Knietotalendoprothese. Die femorale (Oberschenkelknochen) Komponente besitzt eine Aussparung im intrakondylären Bereich. Dieser dient der Aufnahme des tibialen Zapfens. Durch einen Steg im hinteren Bereich wird die posteriore Subluxation verhindert. Dieses Prothesenmodell wurde speziell für Patienten entwickelt, die kulturell bedingt (beten auf den Knien) oder durch ihre Lebensgewohnheiten (bspw. das Essen auf den Knien) sowie sportlichen Aktivitäten auf eine große Flexion angewiesen sind. Dies wird durch eine dickere Ausführung der posterioren Kondylen erreicht. Dadurch wird ein kleiner Radius und somit eine größere Kontaktfläche in der tieferen Beugung gewährleistet. Durch die vergrößerte Aussparung im anterioren Bereich der tibialen Gelenkfläche werden die bei der Beugung auftretenden Kräfte reduziert, indem der Streckapparat in der tieferen Flexion mehr Platz bekommt. Weiterhin wurde der Zapfen derart designt, dass auch im Flexionsbereich von eine sichere Funktion des Kopplungsmechanismus gewährleistet ist. Durch diese 2

4 1.2.2 Knietotalendoprothesensysteme Konstruktion wird die Luxationsgefahr bei einer tiefen Beugung minimiert.( [6]) Weiterhin wurde diese Knietotalendoprothese in zwei Ausführungen entwickelt. Durch die Erkennung der anatomischen Unterschiede des Kniegelenks zwischen Mann und Frau, wurde hier jeweils die Femurkomponente auf das entsprechende Geschlecht abgestimmt. In dieser geschlechterspezifischen Abstimmung liegt einer der primären Neuerungen und Verbesserungen begründet. (K. Hitt et. al. 2003, K. Chin et. al [7, 8]) Die Femurkomponente besteht aus einer Chrom-Kobalt-Molybdän-Legierung (Zimaloy) mit PM- MA - (Polymethylmetacrylate) Beschichtung an der dem Inlay und der Patella zugewandten Seite. Die PMMA-Beschichtung verbessert deutlich die Gleiteigenschaften dieser Komponente. Zum einen kann die teilersetzte Patella besser gleiten, zum anderen gleiten die Kondylen besser über das Polyethylen. Hierdurch wird der Abrieb sowohl der Patellakomponente, des Femurschildes als auch des Polyethylens verringert. Des Weiteren wurde auf der dem Knochen zugewandten Seite ein Titanschaum aufgebracht, der das Einwachsen in den Knochen fördern soll. Diese neuentwickelte Femurkomponente wurde in drei wesentlichen Punkten gegenüber den Unisexvarianten modifiziert. Zum einen wurde, um das System geschlechterspezifisch zu gestallten, eine schmalere Passform im ventralen Bereich, sowie ein größerer Führungswinkel der patrellaren Gleitrinne desingt. Zum anderen wurde ein dünneres anteriores Femurschild desingt. Als letztes wurde eine engere Passform an den Femur im Design umgesetzt. (T. Klein 2011 [9]) In der Dissertation von Dr. med. Thomas Klein wurde nachgewiesen, dass diese Veränderungen gegenüber der Unisexvariante bessere frühfunktionelle Ergebnisse beim Knee Society Score 2 aufweist. (T. Klein 2011 [9]) Auf der Innenseite, welche im Femur verankert wird, ist eine poröse Struktur erkennbar, welche aus einem Titanschaum besteht und das Einwachsen von Knochen fördert, um eine höhere Stabilität der Prothese im Femur zu gewährleisten. Die Komponente der Tibia besteht aus Titan-Aluminium-Vanadium mit einer Beschichtung aus Plexiglas (PMMA-Polymethylmethacrylat). Diese PMMA- Beschichtung bietet den Vorteil, dass beim Einzementieren weniger Luft und damit weniger Vakuumbläschen zwischen dem Zement und der Prothesenoberfläche eingeschossen werden. Dies sichert einen festen Sitz der Komponenten. Für das System wurde das Inlay aus Polyethylen ebenfalls weiter entwickelt. Das entwickelte Durasul besteht aus ultra hoch molekulargewichtigem Polyethylen, welches direkt den Problemen der Abnutzung und Delamination, welche zum Versagen des Implantates führen würden, entgegenwirkt. Durch das Durasul wird die Lebensdauer des Implantats signifikant erhöht. Es bietet somit eine langfristige Lösung für den Gelenkersatz. [6, 10, 11, 12] Das Durasul erfüllt drei wichtige Kriterien: 2 Verfahren zur Beurteilung der Kniefunktion 3

5 1.2.2 Knietotalendoprothesensysteme Widerstand durch starke Vernetzungen Alterungsbeständigkeit durch die Beseitigung der restlichen freien Radikale erreicht mechanische Eigenschaften für das Knie durch rigorose device-spezifische Tests Wie bereits erwähnt kommt eine Titanlegierung von Zimmer zum Einsatz. Diese wird als Trabecular Metal Technology bezeichnet. Bei dieser Legierung wurde die poröse Struktur des trabekulären Knochens nachempfunden. Die einzigartige Struktur gewährleistet eine hervorragende Balance zwischen Porösität und Stärke und weist dabei fast 80 % Porösität auf. Dies ist derzeit die höchste Porösität eines Materials auf dem Markt (JD. Bobyn 1999 [13]). Die Struktur und die Funktion ähneln der Physiologie des spongiosalen Knochens sehr stark (V. Karageorgiou 2005 [14]). Diese poröse Struktur kann zum einen bei der Nachempfindung des Tibialplateaus verwendet werden, zum anderen kann die Innenseite des Femurschildes damit beschichtet werden, um ein optimales Einwachsen der Komponente in den Knochen zu gewährleisten (V. Karageorgiou 2005 [14]). Bei dem genannten System kommt weiterhin die Zimmer - CSTI - poröse - Beschichtung zum Einsatz, durch welche die Beschichtung der Femur- bzw. der Tibiakomponente erfolgt. Durch die Mikrostruktur in Kombination mit der bioaktiven Titanligierung kommt es zur Förderung des Einwachsens des Knochens in die Poren des Metalls. Die Beschichtung kombiniert die hervorragenden Biokompatibilitätseigenschaften von Titan mit einer optimalen Struktur. Bei diesem patentierten Herstellungsverfahren wird eine Sintapaste auf eine Titan - oder CoCr - Legierung aufgetragen. Während dieses Auftragungsprozesses werden die Poren gebildet ( [6]). Ein weiterer Fortschritt wurde durch die von Zimmer zum Patent angemeldete Methode zur Vorgabe der Konturen eines resezierten Knochens gegeben. Bei traditionellen Implantaten haben diese einen Überhang. Durch die verbesserte Methode gelingt es das Implantat mit wenig bzw. keinem Überhang zu implantieren. Durch die Vorgabe der Konturen kann das Femurschild dichter an dem Knochen befestigt werden, was eine mögliche Luxation erschwert. Dadurch wird die Gefahr einer Lockerung der Komponente zusätzlich zum Zementieren weiter verringert. Weiterhin wurde zu den Verbesserungen am verwendeten Material und an dem Design Neuerungen an den Werkzeugen des Operateurs vorgenommen, um eine Implantation zu erleichtern und die richtige Ausrichtung des Implantats sicherzustellen. Zimmer entwickelte eine minimalinvasive Technik zur Implantation weiter. Die MIS medial parapatellare Arthrotomie ist eine Modifikation des traditionellen Ansatzes und bietet eine hervorragende Belichtung aller drei Kniefächer. Die Arthrotomie erstreckt sich in etwa 2 cm der Quadrizepssehne und kann leicht erweitert werden, wenn der Schnitt nicht ausreicht, um das Gelenk visuell zu erfassen. Der MIS Quad-Sparing Ansatz für das Kniegelenk ist ein anderer innovativer Ansatz. Die Pionierarbeit hierzu wurde von Dr. Thomas M. Coon, Dr. E. Marlowe Goble und Dr. Alfred J. Tria, Jr. geleistet. Bei dieser Methode gibt es keinen Einschnitt in Muskeln oder Sehnen. Der Muskel wird nicht verschoben oder zertrennt. 4

6 1.3 Zusammenfassung und Ausblick Der recessus suprapatellaris ist geschützt. Durch diese Verbesserung des minimalinvasiven Eingriffes kann die Mobilität des Patienten noch schneller wieder hergestellt werden und es treten weniger Schmerzen als Folge der Operation auf. Dies ist eine signifikante Verbesserung für die Lebensqualität des Patienten. ( [6]) 1.3 Zusammenfassung und Ausblick Seit der Deutsche T. Cluck 1890 die erste Kniegelenkendoprothese aus Elfenbein implantierte, ist viel Zeit vergangen. Die Implantation einer Knieendoprothese wurde seit diesem Zeitpunkt kontinuierlich weiterentwickelt und ist bis heute ein bewährtes Verfahren in der Behandlung der schweren Gonarthrose. Neue Materialien wie das Zimmer R Trabecular Metal besitzten eine hervorragende Biokompatibilität und sind strukturiert wie die körpereigene Spongiosa. Dadurch wird ein Einwachsen des Knochens in das Metall gefördert und ein fester Sitz des Implantates gewährleistet. Weiterhin bietet dieses poröse Material hervorragende Kraftverteilungseigenschaften und Stabilität. Da das Material allein jedoch nicht stabil genug ist, werden die hervorragenden biokompatiblen Eigenschaften genutzt, aber mit Chrom - Molybdän Stahl kombiniert, da dieser eine hohe Steifigkeit und Abriebfestigkeit innehat. In Kombination mit dem ultra hochvernetzten ultra hoch molekulargewichtigen Polyethylen, welches hervorragende Gleiteigenschaften, Festigkeit und Abriebfestigkeit besitzt, werden die Abriebpartikel minimiert. Damit wird die aseptische Lockerung verzögert und Standzeiten, auch bei enorm hohen Belastungen, von bis zu 20 Jahren erreicht. Die hervoragende Porösität des trabecular Metalls könnte zukünftig eine Funktionalisierung der Strukturen mit Enzymen, die den inflamatorischen Prozessen entgegenwirken, ermöglichen. Hierdurch könnte bei Teilgelenkersatz eine Verzögerung des Abbaus der noch intakten Knochenmatrix erreicht werden, was wiederum den Austausch des Materials verzögert. Eine der wichtigsten Erkenntnisse ist die Feststellung, dass geschlechterspezifische Unterschiede in den Gelenken ausschlaggebend für die Minimierung der Schmerzen und die Standzeit der Prothesen sind. Auf diese Gendersolutions sollte mehr Augenmerk gerichtet werden, da hier noch einiges an Potential inne wohnt. Neues Operationsbesteck und neue Operationswerkzeuge ermöglichen Operateuren eine immer bessere Anpassung der Prothesen an die Individualität des Patienten. In Kombination mit den minimalinvasiven Eingriffen, welche heute möglich sind, können Patienten schnell mobilisiert werden. Dadurch werden sehr hohe Standzeiten von Prothesen erreicht. Zusammenfassend ist zu sagen, dass es viele wichtige Neuerungen in den letzten 10 Jahren gab. Es wurde nun endlich erkannt, dass es nicht nur individuelle Unterschiede zwischen den Menschen gibt, sondern, dass es bereits geschlechtsspezifische Unterschiede gibt, welche in dem Design von Knieendoprothesen Anwendung finden müssen. Es ist wichtig, dass auch die Operationswerkzeuge permanent weiterentwickelt werden, damit der Erfolg des Implantates weniger vom Können des Operateurs abhängig ist. Die eingesetzten 5

7 LITERATURVERZEICHNIS Literaturverzeichnis [1] L. J. Kellgren JH, Radiological assessment of osteo-athrosis, AnnRheum Dis, pp , [2] K. Ruffieux and E. Wintermantel, Degradable implantate: Entwicklungsbeispiele, in Medizintechnik (E. Wintermantel and S.-W. Ha, eds.), pp , Springer Berlin Heidelberg, / _70. [3] G. K. B. H. Sun Y, Stürmer T, Inzidenz der cox-und gonarthrose in der allgemeinbevölkerung, Z Orthop, pp , [4] S. Heinemann, M. Gelinsky, H. Worch, and T. Hanke, Resorbierbare knochenersatzmaterialien, Der Orthopäde, vol. 40, pp , /s z. [5] M. Otto, J. Kriegsmann, T. Gehrke, and S. Bertz, Abriebpartikel, Der Pathologe, vol. 27, pp , /s [6] Nextgen rhk. Dezember [7] G. K. e. a. Hitt K, Shurman Jr II, Anthropometric measurements of the human knee: correlation to the sizing of current knee arthroplasty systems, J Bone Joint Surg Am, vol. 85, pp , [8] Z. D. S. R. Chin KR, Dalury DF, Intraoperative measurements of male and female distal femurs during primary total knee arthroplasty., J Knee Surg., vol. 15, pp , [9] T. Klein, Geschlechtsspezifische einflussfaktoren in der kniegelenkendoprothetik: Frühfunktioneller vergleich zweier knietotalendoprothesen, Master s thesis, Charité Universitätsmedizin Berlin, [10] H. C. Engh GA, Dwyer KA, Polyethylene wear of metal-backed tibial components in total and unicompartmental knee prostheses., J Bone Joint Surg Br., vol. 74(1), pp. 9 17, [11] L. M. G. L. S. D. B. C. C. R. Yao JQ, Gsell R, Improved delamination resistance of meltannealed electron-beam irradiated highly crosslinked uhmwpe knee inserts., in Society for Biomaterials 28th Annual Meeting Transactions,,

8 LITERATURVERZEICHNIS [12] L. M. C. R. Gsell R, Yao JQ, Improved oxidation resistance of highly crosslinked uhmwpe for total knee arthroplasty., in Society for Biomaterials 27th Annual Meeting Transactions,, [13] C. S. e. a. Bobyn JD, Hacking SA, Characterization of new porous tantalum biomaterial for reconstructive orthopaedics., in Scientific Exhibition: 66th Annual Meeting of the American Academy of Orthopaedic Surgeons;, [14] K. D. Karageorgiou V, Porosity of biomaterial scaffolds and osteogenesis., Biomaterials., vol. 26, pp ,