Verschleiß und Materialeigenschaften von OXINIUM- einem neuen Werkstoff in der Knieendoprothetik

Abstract

Mit der steigenden Lebenserwartung in den Industrieländern nimmt die Zahl der in Deutschland eingesetzten Knieendoprothesen jährlich zu. Ständig wird daher nach besseren Materialen geforscht. Erfolgversprechend klang hierbei das in der Arbeit im Vergleich zum herkömmlich verwendeten Kobalt Chrom untersuchte Oxinium. Oxinium ist eine metallische Legierung aus Zirkonium und Niob mit einer dünnen rein keramischen Oberfläche. Oxinium wurden- verglichen mit Kobalt Chrom- folgende Eigenschaften zugeschrieben: • Oxinium besitzt eine bessere Benetzbarkeit • Oxinium zeigt mehr als 4.900- mal weniger volumetrischen Abrieb • Abriebsspuren auf den Oxinium- Proben sind 640- mal flacher • Die Oberfläche von Oxinium ist nach Verschleißtestung mehr als 160-mal glatter. Diese Behauptungen wurden im Rahmen der Arbeit durch Benetzbarkeits-, Verschleiß- und Korrosionsmessungen hinterfragt. Bessere Benetzbarkeit, bzw. Hydrophilie, bedeutet in der Folge verbesserte Oberflächenschmierung und ist somit eine entscheidende Größe im Rahmen der Endoprothetik. Die Benetzbarkeit wurde an Oxinuim- und Kobalt Chrom- Plättchen mithilfe der Sessile Drop- Methode am statischen Tropfen und mit der Wilhelmy- Methode, der Methode des dynamischen Kontaktwinkels, gemessen. Beide Materialien erwiesen sich als hydrophil. Trotzdem zeigten die Ergebnisse sowohl bei der statischen Kontaktwinkelmessung, als auch bei der dynamischen Messung einen kleineren Benetzungswinkel auf den unbehandelten Kobalt Chrom- Plättchen (56°) als auf Plättchen aus Oxinium (66°). Somit erwiesen sich die untersuchten Kobalt Chrom-Plättchen hydrophiler als die Oxinium- Plättchen. Die Verschleißmessungen wurden an einer Materialprüfmaschine durchgeführt. Hierbei wurde ein Stempel aus Kobalt Chrom, Oxinium, bzw. Polyethylen in jeweils eine der acht Kammern eingesetzt, mit 24.5 N belastet und horizontal auf einem der im Rahmen der Knieendopothetik verwendeten Paarungen entsprechenden Plättchen aus Kobalt Chrom, Oxinium, bzw. Polyethylen drei Millionen Zyklen lang mit einer Geschwindigkeit von 70mm/ sec um eine Strecke von 6 mm horizontal bewegt. Es wurden zwei Versuchsdurchläufe mit einer Laufzeit von jeweils 15 Tagen vollzogen. Versuchsreihe 1 wurde in menschlicher Synovialflüssigkeit gemessen, bei Versuchsreihe 2 wurden die Kammern mit isotoner Kochsalzlösung gefüllt. Anschließend wurden die Proben makroskopisch, mikroskopisch, topographisch und rasterelektronenmikroskopisch untersucht. Bezüglich des Parameters Verschleiß konnte jedoch im Rahmen der vorliegenden Arbeit kein entscheidender Vorteil für den wesentlich teureren Werkstoff Oxinium gegenüber dem herkömmlichen Kobalt Chrom nachgewiesen werden. Die Korrosionsmessungen dienten unter anderem dem Nachweis von durch die Verschleißtestung in Lösung gegangenen Nickel- Partikeln, die möglicherweise bei Allergikern eine Reaktion hervorrufen könnten. Es konnten sowohl bei den Kobalt Chrom- als auch bei den Oxinium- Implantaten nur Spuren von Nickel nachgewiesen werden. Es erscheint nun zumindest im untersuchten Zeitraum als fraglich, ob diese geringen Unterschiede bezüglich der Menge an Nickelfreisetzung der beiden Materialen, überhaupt zu unterschiedlich ausgeprägten Reaktionen bei Nickelallergie- Patienten führen könnten. Anhand von Benetzbarkeits-, Verschleiß- und Korrosionsmessungen war es so möglich, den neuen und erfolgversprechenden Werkstoff Oxinium unter Berücksichtigung von verschiedenen Gesichtspunkten zu untersuchen und seinen Standpunkt im Rahmen der Endoprothetik zu verdeutlichen. Die Arbeit jedoch lieferte durch ihre In- Vitro- Untersuchungen viel Anregung zur Diskussion und weitere Studien werden folgen, um das Material und den Werkstoff Oxinium weiter und detaillierter charakterisieren zu können.

With the increased expectation of life in industrial countries the number of implanted knee prostheses in Germany is growing every year. Medical scientists keep on researching for better materials. Lately OXINIUM, a promising new material, was introduced to the market of endoprostheses. Oxidized zirconium is a metallic alloy with a ceramic surface developed for use in knee protheses.

The material Oxinium is considered the following characteristics compared to the conventionally used cobalt chrome: - OXINIUM offers a much better wettability - OXINIUM shows more than 4.900 times less volumetric abrasive wear - OXINIUM material is 4900 times more resistant to abrasion than Cobalt Chrome - OXINIUM material is more than 160 times smoother than cobalt chrome All these facts were questioned and analysed in this study by using different abrasion, wettability and corrosion tests:

A better wettability causes a better surface lubrication and is so considered as the determining parameter in the context of knee endoprotheses. In the study the wettability of the materials Oxinium and Cobalt Chrome was measured on small discs of each material by using the so called static Sessile drop and the dynamic Wilhelmy Method. The result was that both materials proved to be hydrophilic. Nevertheless the results with the static as well as with the dynamic method showed a smaller contact angle on the untreated discs of Cobalt Chrome (56°) than on the discs of Oxinium (66°). So the discs of Cobalt Chrome used in this study have proofed to be more hydrophilic than the Oxinium discs.

For running the abrasion tests a testing machine consisting of eight diffenent chambers was used in this study. Into each of these eight chambers was entered a small pen of the different materials Cobalt Chrome, Oxinium and Polyethylen from the top. Each pen was loaded with a weight of 24,5 N and the pen was then driven in a horizontal direction on a disc of either cobalt chrome, Oxinium or Polyethlyen, which was attached to the bottom of each chamber. The combinations of the pen and discs were chosen just like they are used in real knee prostheses. This movement was operated for the time of three million cycles with a speed of 70mm/sec on a distance of 6mm on the disc. In the first out of two cycles the eight chambers were filled with human synovial fluid, in the second cycle they were filled with a solution of isotonic sodium chloride 0,9%. After two cycles with a duration of 15 days each cycle the pens and discs were examinated macroscopic, microscopic, topographic and with the help of a scanning electron microscope Concerning the parameter abrasion there was no decisive evidence found in this study, for any advance of the much more expensive material of Oxinium compared to the conveniently used Cobalt Chrome. The corrosion measurements in this study tried to find particles of nickel in the human synovial fluid and the solution of isotonic sodium chloride 0,9% used in the abrasion tests. . Particles like that might cause allergic reactions on patients with hypersensitivity to nickel. But with the Oxinium as well as the Cobalt Chrome implants only slight traces of nickel have been found in the solutions. It is considered arguable, if these slight differences concerning the amount of nickel release from the materials can lead to different reactions on patients with allergies to nickel at all.

With the tests on wettability, abrasion and corrosion in this study, it was possible to characterise the new and promising material Oxinium and clarify its position in the field of knee endoprostheses. The in- vitro- studies of this work provide high challenges and suggestions for discussion. But many more studies have to follow to characterize and describe the material Oxinium in a maybe even more detailed and precise way.