Opotřebení a drsnost artikulačního povrchu u extrahovaných polyetylénů jamky Bicon-Plus

Wear and Roughness of Bearing Surface in Retrieved Polyethylene Bicon-Plus Cups

journal article in Web of Science

Czech

K 7. prosinci 2016 bylo v České republice implantováno celkem 4 755 jamek Bicon-Plus. Některé z nich byly reoperovány, přičemž nejčastějším důvodem selhání bylo opotřebení polyetylénu a aseptické uvolnění. Předkládaná studie je zaměřena na analýzu povrchů vyjmutých polyetylenových jamek Bicon-Plus a na hodnocení drsnosti jejich třecích povrchů. Pro účely této studie jsme měli k dispozici 13 jamek z polyetylénu s vysokou molekulární hmotností s průměrnou dobou in situ 8,11 let (3,6 – 13,7, sm. odch. 3,2) před vyjmutím. Studie zahrnovala skupinu skládající se z 3 mužů a 10 žen o průměrném věku 53,31 let. Optická skenovací metoda založená na principu aktivní triangulace byla využita pro stanovení míry opotřebení. Tato míra byla vyhodnocena na základě získaného skenu zpracovaného s využitím software GOM Inspect. Drsnost povrchů byla analyzována pomocí optického profilometru Contour GT-X8, který pracuje na principu interferometrie s řízenou změnou fáze. Měření topografie povrchu vyjmutých jamek byla realizována na celé artikulační ploše. Pro jednotlivé změny povrchů byl stanoven typický rozsah drsností povrchu určující konkrétní charakter opotřebení. S využitím morfologické analýzy testovaných implantátů byly identifikovány tři oblasti: neopotřebená oblast, oblast reprezentující opotřebenou část jamky a oblast zdrsněná paralelním rýhováním. Celková drsnost povrchu byla vyhodnocena jako aritmetická hodnota naměřených dat. Následně byly hodnoty roztřízeny na základě frekvence jejich výskytu a byly klasifikovány do kategorií definujících jednotlivé mechanismy opotřebení. Míra opotřebení vyjmutých acetabulárních jamek byla vyhodnocena na základě směrového vektoru opotřebení a velikosti lineárního opotřebení. Průměrné lineární opotřebení bylo 0,13 mm/rok a průměrná hodnota celkového objemového opotřebení byla 44,37 mm3/rok. S využitím optického profilometru byla získána mapa a rozdělení drsností jednotlivých jamek. Pro každý implantát bylo stanoveno 76 hodnot drsností. S ohledem na průměrnou drsnost byly vzorky roztřízeny do kategorií popisujících: vyhlazení povrchu, abrazivně-adhezní opotřebení, plochy se zachovaným rýhováním, významná plastická deformace. Výsledky jasně ukázaly nárůst opotřebení v závislosti na době přežití implantátu, nicméně tato tendence není lineární. Tato skutečnost může být připsána většímu množství abrazivních částic, které způsobují opotřebení ve formě mikro trhlin a oxidační degradace polyetylénu. Tato studie naznačuje, že geometrie, uložení a polohování jamky v průběhu implantace mají fundamentální dopad na životnost jamky. Další korelace, která byla pozorována v případě jamky s převažující drsností v rozsahu od 0,1 do 0,3 μm, je relativně velký úhel vektoru opotřebení stanovený s využitím optické metody. V případě implantátů s nejvyšší dobou přežití bez známek uvolnění jamky, byla průměrná hodnota směrového vektoru 56,8° (sm. odch. 2,1°). Předkládaná studie přináší výsledky morfologické analýzy vyjmutých jamek Bicon-Plus. Obecně bylo identifkováno poměrně výrazné objemové opotřebení, které bylo převážně abrazivně-adhezního charakteru. Závislost mezi opotřebením a životností implantátu in situ nebyla lineární, což poukazuje na ovlivnění míry opotřebení polyetylénu dalšími parametry. Rovněž byl prokázán důležitý vliv polohování implantátu na dobu jeho přežití. Navíc se zdá, že tento ukazatel může být důležitější než samotné charakteristické parametry pacienta.

By 7th December 2016, 4,755 Bicon-Plus cups in total were implanted in the Czech Republic. Some of them have been continuously re-operated, while the most frequent reason of failure is polyethylene wear and aseptic loosening. The present study is focused on surface analysis of retrieved polyethylene Bicon-Plus cups and the determination of the roughness of their bearing surfaces. In this study, we had 13 high molecular weight polyethylene cups with the average time in situ oi 8.11 years (3.6-13.7, SD 3.2) before the retrieval. The study population was composed of 3 men, 10 women, with the mean age of 53.31 years. An optical scanning method, based on the principle of active triangulation, was used to determine wear rate. The rate of wear was identified by means of an obtained scan subsequently processed with the use of the GOM Inspect software. The roughness of surfaces was analysed with the application of Contour GT-X8 profiler using the principle of phase shifting interferometry. Measurements of surface topography of the retrieved cups were performed on the entire bearing surfaces. For the individual surface changes, a typical range of surface roughness, describing the particular wear character, was determined. By means of morphology analysis of the tested implants, three areas were identified: unworn area; area representing the worn part of the cup; and the area roughened by parallel grooving. The total surface roughness was evaluated as an arithmetic mean of the measured values. Subsequently, the values were sorted based on frequency and were classified into categories defining the particular wear mechanisms. Wear rate of the retrieved acetabular cups was evaluated based on the wear direction vector and the size of linear wear. The average linear wear was equal to 0.13 mm/year (ranging from 0.26 to 2.29 mm/year), and the mean value of total volumetric material loss was 44.37 mm3/year (the range being from 51.80 to 1,119.7 mm3/year). Using the optical profilometer, a map of roughness distribution of the individual cups was obtained. For each implant, 76 values of roughness were evaluated. With the respect to average roughness, the samples were sorted to various categories describing: surface polishing; abrasive-adhesive wear; surfaces with preserved grooving; substantial plastic deformation. The results clearly showed an increase of wear depending on implant survival; however, the tendency is not linear. This fact can be attributed to a larger amount of abrasive particles, causing an increase of wear or occurrence of surface wear in terms of micro cracks and oxidation degradation of polyethylene. This study indicates that geometry, positioning, and cup alignment during the implantation have a fundamental impact on the cup durability. Further correlation, which was observed in the case of the cup with prevailing roughness in the range from 0.1 to 0.3 ?m, is a relatively wide wear vector angle determined with the use of the optical method. Considering the implants with the longest survival time with no loosening of the acetabular cup, the mean angle of direction vector was 56.8° (SD 2.1°). The present study provides the results of morphology analysis of the retrieved Bicon-Plus cups. In general, relatively high wear rate, mainly of abrasive-adhesive character was identified. The dependence between wear and implant in situ longevity was not clearly linear, which suggests the influence of other parameters on the polyethylene wear rate. An important role of implant positioning on survival was also revealed. Moreover, it seems that it can be a more important parameter than the characteristics of the patient.

totální náhrada kyčelního kloubu, jamka Bicon-Plus, analýza vyjmutých jamek, analýza povrchu, měření opotřebení, drsnost, deformace, přežití

total hip arthroplasty, Bicon-Plus cup, retrieval analysis, surface analysis, wear measurement, roughness, deformation, survivorship

RANUŠA, M.; GALLO, J.; HOBZA, M.; VRBKA, M.; NEČAS, D.; HARTL, M.

30. 6. 2017

Galén, spol. s r.o. Praha 5 IČO: 49356399

Česká Republika

0001-5415

Acta Chirurgie Orthopaedicae et Traumatologie Čechoslovaca

84

3

Czech Republic

159

167

8

http://www.achot.cz/cislo.php?cis=75