Das bionische Hüftendoprothesensystem J. Scholz, W. Thomas

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1 177 Das bionische Hüftendoprothesensystem J. Scholz, W. Thomas Bionische Systeme versuchen, Beobachtungen aus der Natur in technische Lösungen umzusetzen. Dieser Grundgedanke war auch bei der Konzeption des bionischen Hüftendoprothesensystems maßgebend. Unter einer bionischen Denkweise sind die Anatomie und biomechanische sowie technische Anforderungen in Einklang zu bringen. Die Analyse der pathologischen Anatomie eines geschädigten Hüftgelenkes zeigt, dass in Abhängigkeit des Schweregrades des Schadens entweder nur die Gelenkfläche oder nur der epiphysäre Anteil des proximalen Femurs geschädigt sind und somit entweder der gesamte Kopf oder die Metaphyse erhalten bleiben kann. Dies ermöglicht entweder die Implantation einer Femurkappenendoprothese oder eines metaphysär verankerbaren Kurzstiels. Mit der ESKA- Femurkappenprothese und der CUT-Prothese stehen beide Implantationsformen zur Verfügung. Diese Betrachtensweise gewinnt zunehmend Bedeutung, da immer mehr Patienten im jüngeren Lebensalter mit hohen Ansprüchen an das mögliche Aktivitätsniveau nach Hüftgelenkersatz zum operativen Eingriff kommen. Ein hoher Prozentsatz an Revisionsoperationen ist für diese Patienten zu erwarten, sodass der Erhalt des proximalen Femurs zur späteren problemlosen Verankerung eines Prothesenstiels anzustreben ist. Die Kapuziner-Pfanne Auch auf der acetabulären Seite ist jedes knochensubstanzerhaltende Vorgehen für mögliche spätere Revisionseingriffe von Vorteil. Femurkappenendoprothesen und Großkopf-Endoprothesen erfordern einen größeren Pfannendurchmesser. Knochenschonung ist in der Tiefe des Acetabulums möglich. Die genaue Betrachtung des Acetabulums zeigt, dass die natürliche Kontaktfläche zwischen Femurkopf und Acetabulum auf der acetabulären Seite im Bereich der Facies lunata besteht. Der Pfannengrund selbst ist nicht Kontaktzone (Abb. 1). Biomechanische Finite-Elemente-Studien haben gezeigt, dass die Lasteinleitung ins Acetabulum lediglich im Bereich der Fascies lunata erfolgt (v. Eisenhart-Rothe 1999). Insofern lag es nahe, unter bionischer Denkweise auch die Verankerung einer Kunstpfanne alleine in diesem knöchernen Anteil anzustreben. Die ESKA-Kapuzinerpfanne weist eine Formgebung auf, die in der Kontaktzone mit der Fascies lunata Abb. 1 Anatomie des Acetabulums Kapuziner-Pfanne. sphärisch gestaltet ist, der Pfannengrund ist jedoch deutlich abgeflacht, sodass der Knochen des Pfannenbodens nicht bearbeitet werden muss und somit geschont werden kann (Abb. 2). Das Pfannensystem wird ausschließlich zementfrei eingebracht. Die Oberflächenstruktur der Metallspongiosa II hat einen geometrischen Aufbau, bestehend aus einer Tripoden-Struktur mit einem Porendurchmesser von 0,5-2 mm und einem Porenvolumen von 60 %. Die Bauhöhe kann zwischen 0,8 mm und 3 mm variiert werden. Pfannenkörper und Oberfläche sind aus einem Stück gegossen, was dem System eine hervorragende mechanische Stabilität verleiht. Zur Förderung des Knocheneinwachsverhaltens ist die

2 178 J. Scholz, W. Thomas Abb. 3 Wechselbares Silver-Inlay für die Kapuziner-Pfanne Makroskopische Schnitte und histologische sowie elektronenmikroskopische Aufarbeitungen zeigen, dass Spongiosa-Bällchen durch das offenporige System hindurchwachsen, begleitet von ernährenden Gefäßen (Dufek 1993). Dieser intensive knöcherne Verbund gewährleistet die hohe Standfestigkeit des Systems. Abb. 2 Bionisches Kappenendoprothesensystem und knöchernes Einwachsverhalten. Chrom-Cobalt-Basislegierung an der Oberfläche titanisiert. Klinische Langzeitergebnisse für diese Oberflächenstruktur liegen vor (Scholz 1996) und belegen eine Überlebensrate nach 13 Jahren von 90 %. Wissend um die langfristige knöcherne Stabilität der acetabulären Komponenten der Metallspongiosa-II- Systeme, stellte sich die Frage, ob bei einer möglichen Wechseloperation einer Femurkappenendoprothese oder einer CUT-Endoprothese die Gleitfläche in der Pfannenkomponente erhalten bleiben kann. Da bei beiden Systeme eine Versorgung mit metallischen Femurgroßköpfen in der Metall-Metall-Gleitpaarung gewählt wurde, musste die Frage erörtert werden, inwieweit ein Abrieb bei der Revision unter Verwendung eines neuen metallischen Großkopfes eine negative Rolle spielt. Die Metall-Metall-Gleitpaarung hat einen langfristig geringen Abrieb (Willert 2005). Trotzdem ist der Verschleiß beider Gleitpartner

3 Das bionische Hüftendoprothesensystem 179 Simulatorversuch gezeigt, dass im Vergleich zur nichtstrukturierten Komponente der Abrieb halbiert werden konnte. Ein permanenter Flüssigkeitsfilm zwischen Kopf- und Pfannenkomponente ist auch insbesondere geeignet, in der kritischen Anlaufphase bereits einen abriebmindernden Gleitfilm zur Verfügung zu stellen (Abb. 5, Abb. 6). Abb. 4 Napfartige Vertiefungen in der Oberfläche der bionischen Femurkappenprothese. von der Toleranz Kugelkopf: Pfannengleitfläche abhängig. Bei zu geringer oder zu großer Toleranz steigt die Abriebrate (Riecker 2005). Aus dieser Sicht erscheint es sinnvoll, die Gleitfläche im Bereich der acetabulären Komponente auswechselbar zu gestalten. Dies ist im bionischen System realisiert. Sowohl die metallischen Einlagen als auch bei Wechseloperationen mögliche Polyethylen-Einlagen verklemmen sich im Sockel fest (Abb. 4). Abb. 5 Ergebnis der Simulatorversuche: Unstrukturierte Oberfläche versus strukturierte Oberfläche. Die Femurkappe Bei der Konzeption der Femurkappe wurden zwei Ziele verfolgt. Zunächst sollte das Implantat zementfrei verankerbar sein. Aufgrund der bereits geschilderten langjährigen, guten Erfahrungen mit der Metall-Spongiosa-II-Oberfläche wurde die Innenseite der Kappe entsprechend strukturiert. Ein kleiner, 3 mm starker Pin dient beim Einsetzen der Kappe lediglich als Führungsstift. Trotz der bereits erwähnten geringen Abriebmengen einer Metall-Metall- Gleitpaarung ist jede Reduktion dieses Abriebes von Vorteil. Die im Blut und Urin gemessenen erheblichen Konzentrationserhöhungen an Metallionen sind in ihrer möglichen negativen Auswirkung auf die Organsysteme bisher nicht geklärt. Eine Abriebverringerung ist prinzipiell entweder durch eine Veränderung der Materialzusammensetzung der Metallkomponenten oder durch eine Strukturierung der Oberfläche möglich. Aus Beobachtungen der Natur, der Strukturierung der Cornea des Auges entstand die Idee, durch napfartige Vertiefungen an der Oberfläche der Femurkomponente Flüssigkeitsspeicher zu schaffen, die Flüssigkeit sammeln und somit zu einer Verbesserung der Schmierung der Gleitpartner führen. Eine Strukturierung, vergleichbar der eines Golfballes, in der Hauptbelastungszone der Femurkappe hat im Abb. 6 Postoperatives Röntgenbild der bionischen Femurkappenprothese. Das bionische Hüftendoprothesensystem, bestehend aus der Femurkappe und der Kapuzinerpfanne wird seit Februar 2003 implantiert. Eigene Erfahrungen an 126 operierten Patienten zeigen den publizierten Ergebnissen der anderen Kappensysteme gegenüber keine Differenzen. Der angestrebte Vorteil der Reduktion des metallischen Abriebes kann aufgrund der Kürze der Nachbeobachtungszeit nicht objektiviert werden. Die zementfrei verankerten Kappen haben bisher zu keiner Lockerung geführt. Hierbei ist jedoch die Entscheidung, ob dieser Teil der Endoprothese zementfrei oder zementiert verankert werden soll, vom Lebensalter des Patienten und der Qualität der Knochenstruktur abhängig zu machen.

4 180 J. Scholz, W. Thomas Hierfür gibt es keine sicheren objektivierbaren Kriterien. Wir selbst haben denjenigen Patienten als geeignet angesehen, dessen Femurkopf keine cystischen oder nekrotischen Veränderungen aufwies und bei der Präparation eine ausreichende Blutung in der Spongiosa zeigte. Als Komplikationen sind bisher 3 Schenkelhalsfrakturen aufgetreten. Die CUT-Prothese Abb. 7 Die metaphysär verankerbare CUT-Prothese. Die metaphysäre Verankerung eines Prothesenstieles stellt den nächsten Schritt nach der reinen Kappenprothese dar. Bei unzureichender Knochenqualität des Femurkopfes kann eine derartige Verankerung ebenfalls als knochenerhaltende Variante der Totalendoprothese gesehen werden. Bei der CUT-Prothese wird die proximal möglichste Verankerung angestrebt, sodass die Resektionslinie direkt unter der Kopf-/Halsgrenze liegt. Die Formgebung des Implantates zielt auf die laterale Abstützung, etwa 1cm distal des Trochanter minor. Das Implantat weist einen quer-ovalen Durchmesser auf und ist mit der beschriebenen Struktur der Metall-Spongiosa-II versehen. Die Verbindung zum Kopfteil der Endoprothese erfolgt mittels Koni, die in gerader, 10 -Winkelstellung, 20 -Winkelstellung und Offsets zur Verfügung stehen. Bei der Wahl der Kopfkomponente kann konservativ verfahren werden und ein 32mm-Keramikkopf zur Anwendung kommen, empfohlen wird jedoch, um ein Impingement zu vermeiden, die Großkopf-Variante in der Metall-Metall-Gleitpaarung zu wählen (Abb. 7, Abb. 8). Osteodensitometrische Messungen zeigen, dass die Krafteinleitung in den proximalen Femur durch die CUT-Prothese physiologisch erfolgt und eine Knochendichtezunahme, etwa im Verlauf der trabekulären Struktur, eintritt (Abb. 9). Die CUT-Prothese Abb. 8 Postoperatives Röntgenbild der CUT-Prothese. Abb. 9 Osteodensitometrie der CUT-Prothese im Verlauf.

5 Das bionische Hüftendoprothesensystem 181 wird klinisch seit 1998 angewandt. Seit 2003 stehen die Varianten mit der Metall-Metall-Gleitpaarung in Kombination mit Großkopf einschließlich des Biosurf-Systems zur Verfügung. Die von W. Thomas durchgeführten Nachuntersuchungen werden in der Folge tabellarisch wiedergegeben (Tab. 1 bis 5). Tab. 3 Tab. 1 Tab. 4 Tab. 2 Tab. 5

6 182 J. Scholz, W. Thomas Zusammenfassung Mit dem bionischen Hüftendoprothesensystem steht eine Vielfalt an Behandlungsmöglichkeiten für die Versorgung geschädigter Hüftgelenke bei jüngeren Patienten zur Verfügung. Der Grundgedanke der Bionik, d. h. Maximalerhalt der Knochenstruktur und verbesserte tribologische Eigenschaften, wurden sowohl bei der Konzeption der Femurkappen-Prothese als auch der CUT-Endoprothese berücksichtigt. Die Austauschbarkeit der Systeme untereinander erhöht die intraoperativen Optionen zur optimalen Versorgung (Abb. 10). Literatur Dufek P. Knocheneinwuchs in Metallimplantate mit spongiöser Struktur und Oberfläche. Jahrbuch der Orthopädie 1993 Zülpich: Biermann Ingham E. The osteolytic potential of metal wear particles. Osteology 14, Supplement; 2005: Riecker C.-B. et al. Is bigger better for tribology? In vitro tribology of large metal-on-metal implants. Influence of clearance. Osteology 15, Supplement 2; 2005: Scholz J. Langzeitergebnisse nach zementfreien Hüftendoprothesen mit metallspongiöser Struktur. Vortrag Biomechanik-Tagung Juli 1996 München. von Eisenhart-Rothe R. Quantitative determination of pressure distribution in the hip joint during the gait cycle. Unfallchirurg 1999; 102: Willert H.-G. Pros and Cos. Of MOM Articulations. Osteology 14, Supplement 2; 2005: Abb. 10 Das bionische Hüftgelenkendoprothesensystem