Zusammenfassung
Die aseptische Lockerung von Tibiakomponenten infolge Degradation der Grenzfläche zwischen Knochenzement und metallischer Tibiaoberfläche ist besonders bei nur oberflächenzementierten Tibiakomponenten nach wie vor ein klinisch bedeutsames Problem. Der zementierte Stem, der kleinere Raten der aseptischen Lockerung ermöglicht, bedeutet im Falle der Revision erhöhten metaphysären Knochenverlust. Außerdem bewirkt der zementierte Stem “stress shielding”. In dieser Studie wird diskutiert, wie für nur oberflächenzementierte Prothesen ähnliche Lockerungsraten wie für vollständig zementierte Tibiakomponenten erzielbar sein sollten. Es wird gezeigt, dass nach zyklischer Belastung ausgehend von der Oberfläche der Tibiakomponente exzessiv Risse und Spalten in den Knochenzement ausstrahlen, wenn die Oberfläche wie üblich nur rau ist. Zur Vermeidung dieser Risse und Spalten schlagen wir einen PVD-Prozess vor, in dem die metallische Oberfläche mit SiOx beschichtet wird. Ein biomechanisches Modell für einen zyklischen Ermüdungstest soll beweisen, dass Risse und Spalten signifikant reduziert werden, wenn die Oberfläche beschichtet ist. Die Rissanalyse zeigt, dass beschichtete Tibiakomponenten in der Grenzfläche Metall/Knochenzement eine hochsignifikant (p<0,01) verringerte Rissbildung aufweisen. Die Spaltbildung ist signifikant (p<0,05) verringert. Die Beschichtung reduziert in der Grenzfläche Metall/Knochenzement signifikant die durch hydrolytische Einwirkung der Körperflüssigkeit und zyklisch sich wiederholende Belastung bedingte Riss- und Spaltenbildung. Die Spannungsverteilung in der Grenzfläche wird homogener. Dadurch sollten sich bei nur oberflächenzementierten Tibiakomponenten die Lockerungsraten reduzieren lassen, so dass sie sich den Raten wie bei Komponenten annähern, bei denen nicht nur die Oberfläche, sondern auch der Stem zementiert ist.
Abstract
Aseptic loosening of tibial components due to degradation of the interface between bone cement and metallic tibial shaft component is still a persistent problem, particularly for surface-cemented tibial components. The surface cementation technique has important clinical meaning in case of revision and for avoidance of stress shielding. This study was done to prove crack formation in the bone cement near the metallic surface when this is not coated. We propose a newly developed coating process by SiOx-PVD layering to avoid crack formation. A biomechanical model for a vibration fatigue test was done to prove that crack formation can be significantly reduced in the case of coated surfaces. It was found that coated tibial components showed a highly significant reduction of cement cracking near the metal/bone cement interface (p<0.01) and a significant reduction of gap formation in the metal-to-bone cement interface (p<0.05). Coating dramatically reduces hydrolytic- and stress-related crack formation at the prosthesis metal/bone cement interface. This leads to a more homogenous load transfer into the cement mantle which should reduce the frequency of loosening in the metal/bone cement/bone interfaces. With surface coating of the tibial component it should become possible that surface-cemented TKAs reveal similar loosening rates as TKAs both surface- and stem-cemented. This would be an important clinical advantage since it is believed that surface cementing reduces metaphyseal bone loss in the case of revision and stress shielding for a better bone health.
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