UDK 678.742:615.477.2 Strokovni članek
ISSN 1580-2949 MATER. TEHNOL. 35(1-2)83(2001)
A. MINOVIČ, I. MILOŠEV: PRIMERJAVA OBRABNIH DELCEV POLIETILENA IN POLIACETALA
PRIMERJAVA OBRABNIH DELCEV POLIETILENA IN
POLIACETALA, IZOLIRANIH IZ TKIVA OB
IZOELASTIČNIH KOLČNIH PROTEZAH
COMPARISON OF POLYACETAL AND POLYETHYLENE WEAR
PARTICLES ISOLATED FROM PERIPROSTHETIC TISSUES OF
ISOELASTIC PROSTHESES
Aleksandra Minovič, Ingrid Milošev
Institut "J. Stefan", Jamova 39, 1000 Ljubljana, Slovenija aleksandra.minovicŽijs.si
Prejem rokopisa - received: 2000-10-05; sprejem za objavo - accepted for publication: 2000-11-08
Izoelastične kolčne proteze so posebna vrsta protez, ki so sestavljene iz dveh polimernih materialov: poliacetalnega debla in polietilenske čašice. Zaradi relativno slabih kliničnih rezultatov se v zadnjem desetletju tovrstne proteze ne uporabljajo več. Da bi ugotovili razlog za njihovo neuspešnost, smo preiskovali odstranjene komponente protez ter tkivo okrog le-teh. Za izolacijo delcev smo uporabili metodo bazičnega razkroja tkiva in s centrifugiranjem ločili polietilenske in poliacetalne delce. S spektroskopijo energijske porazdelitve rentgenskih žarkov (EDS) smo identificirali delce poliacetala in z infrardečo spektroskopijo s Fourierjevo transformacijo (FTIR) delce polietilena. Morfologijo delcev smo določili z vrstično elektronsko spektroskopijo (SEM).
Ključne besede: polietilen, poliacetal, obrabni delci, ortopedske proteze
Isoelastic prostheses are a special type of total hip replacement consisting of two polymer materials: polyacetal stam and polyethylene acetabulum cup. Due to relatively poor clinical results their implantation has been restricted during the last decade. In order to reveal the reasons for their unsuccessful clinical performance, we examined the prosthetic components and periprosthetic tissue of failed prostheses. A method of tissue digestion using sodium hydroxide followed by centrifugation of the digested tissues was used to separate polyacetal and polyethylene particles. Polyacetal particles were verified by energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and polyethylene particles were identified by fourier-transform IR (FTIR) spectroscopy. Scanning electron microscopy (SEM) confirmed that the majority of particles were micrometer in size and their morphology was fibril-like or shred-like.
Key words: polyethylene, polyacetal, wear particles, orthopaedic implants
1 UVOD
V začetkusedemdesetih let je Robert Mathys uvedel nov tip brezcementnih kolčnih protez, ki so bile sestavljene iz poliacetalnega (polioksimetilen, POMC) debla s kovinskim jedrom in čašice iz visokomoleku-larnega polietilena (UHMWPE). Pri klasičnih protezah, ki imajo kovinsko deblo, prihaja zaradi zelo različnih elastičnih modulov kovine in kosti do efekta zaščite pred obremenitvijo ("stress shielding"). Le-ta slabi strukturo kosti ob implantuin negativno vpliva na stabilnost proteze. Polimer poliacetal pa ima elastični modul zelo podoben elastičnemumodulukosti. Tovrstne proteze so zato imenovali izoelastične in so jih konstruirali z namenom, da bi se izognili problemuzaščite pred obremenitvijo.1 Začetni klinični rezultati so bili zelo spodbudni2, vendar se je po nekajletnih izkušnjah pokazalo, da je incidenca omajanja oz. potreba za zamenjavo proteze zaradi nestabilnosti in bolečin visoka.3 Zaradi teh razlogov tovrstne proteze v večini ortopedskih ustanov ne uporabljajo več.
Vzroki za neuspešnost izoelastičnih protez niso povsem jasni. Domnevno je omajanje povezano z biomehanskimi faktorji, kot sta nezadostna obremenitev
proksimalnega dela femurja ter veliki stresi na meji proteza/kost4, in biološkimi faktorji, ki so povezani s tvorbo obrabnih delcev. Znano je, da se pri delovanju klasičnih protez (kovinsko deblo/polietilenska čašica) sproščajo v tkivo ob protezi obrabni kovinski oz. polietilenski delci.5 Le-ti so potem vključeni v različne biološke procese, ki v končni stopnji privedejo do omajanja proteze. Možnost tvorbe in sproščanja poliacetalnih obrabnih delcev pri izoelastičnih protezah doslej ni bila raziskana. V tem delusmo se posvetili zahtevnemu problemu, ki vključuje izolacijo, ločevanje in identifikacijo dveh vrst obrabnih polimernih delcev (poliacetalnih in polietilenskih) iz tkiva ob protezah.
2 EKSPERIMENTALNI DEL
Tkiva, odstranjena ob zamenjavi izoelastičnih kolčnih protez, smo zmleli in čez noč pustili v raztopini kloroforma in metanola v razmerju2:1, s tem smo preprečili kontaminacijo vzorcev z lipidi. Nato smo vzorce sprali z destilirano vodo, dodali 12 ml 5 M NaOH in postavili v vodno kopel s temperaturo 65 °C za eno uro. Razkrojeno tkivo smo ohladili na sobno temperaturo in 10 minut pustili v ultrazvočni kopeli. Vsak vzorec
MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 1-2
83
A. MINOVIČ, I. MILOŠEV: PRIMERJAVA OBRABNIH DELCEV POLIETILENA IN POLIACETALA
Slika 1: SEM-posnetek delcev: (a) izoliranih iz tkiva ob izoelastični protezi s polietilensko čašico, (b) izoliranih iz tkiva ob kovinski protezi s polietilensko čašico
Figure 1: SEM micrograph of particles: (a) isolated from tissues around isoelastic prosthesis with polyethylene cup, (b) isolated from tissues around metal prosthesis polyethylene cup
Slika 2: FTIR-spekter: (a) referenčnega vzorca polietilena, (b) polietilenskih delcev, izoliranih iz tkiva ob kolčni protezi Figure 2: FTIR spectrum of: (a) reference polyethylene, (b) polyethylene particles isolated from periprosthetic tissues
smo razdelili v dve čisti epruveti in dodali 5 ml 50 % sukroze. Raztopine smo centrifugirali 1 uro pri 6000 vrtljajih na minuto. Tvorili sta se dve plasti, in sicer na vrhuin na dnuepruvete. Ti dve plasti smo previdno odpipetirali v čiste epruvete, sprali z destilirano vodo in 5 minut pustili v ultrazvočni kopeli, nato pa segrevali 1 uro pri 80 °C. Raztopine smo prekrili s 3 ml izopro-panola in centrifugirali 1 uro pri 6000 vrtljajih na minuto. Polietilenski in poliacetalni delci so tvorili plast, ki smo jo zbrali v čisto epruveto. Nato smo raztopine filtrirali skozi polikarbonatni filter papir, posušili, prekrili z grafitom in pregledali z vrstično elektronsko spektroskopijo-SEM (JEOL JSM 5800). Sestavo polietilena smo določili z infrardečo spektroskopijo s Fourierjevo transformacijo-FTIR (Perkin Elmer 1725X), poliacetala pa s spektroskopijo energijske porazdelitve rentgenskih žarkov-EDS (LINK ISIS).
3 REZULTATI IN DISKUSIJA
Obrabni delci, ki se pri delovanjukolčne proteze sproščajo v tkivo so izredno majhni, reda velikosti mikrometra. Izolacija takih delcev iz tkiva obsega vrsto kompleksnih korakov. Iz tkiva jih moramo izolirati tako, da pri tem ne spremenimo njihove sestave ali morfologije. Ker so to mikrometrski delci, s prostim očesom ne moremo oceniti, ali je bila izolacija uspešna ali ne. O tem se lahko prepričamo šele po pregledus SEM. Problem postane še zahtevnejši, kadar imamo dve vrsti polimernih delcev, ki jih moramo med seboj ločiti in identificirati. Njihovo morfologijo lahko opazujemo s SEM, istočasna EDS-analiza pa v primerupolimerov ni smiselna, saj imamo opravka z materiali, ki vsebujejo H, C in O. Torej moramo za kemijsko analizo uporabiti FTIR, ki je sicer primerna tehnika za tovrstne materiale
Slika 3: FTIR-spekter: (a) referenčnega vzorca poliacetala, (b) delcev, izoliranih iz tkiva ob kolčni protezi
Figure 3: FTIR spectrum of: (a) reference polyacetal, (b) particles isolated from periprosthetic tissues
84
MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 1-2
A. MINOVIČ, I. MILOŠEV: PRIMERJAVA OBRABNIH DELCEV POLIETILENA IN POLIACETALA
in jo že rutinsko uporabljamo za identifikacijo polietilenskih delcev.6 To tehniko lahko uporabljamo tudi za identifikacijo poliacetalnih delcev, vendar se je v naših primerih izkazala kot neprimerna, saj iz primerjave FTIR-spektrov referenčnega prahupoliacetala in realnih izoliranih delcev ni bilo mogoče potrditi prisotnosti le-teh v vzorcu.
SEM-posnetka na sliki 1 prikazujeta morfologijo delcev, izoliranih iz tkiva ob izoelastični protezi s polietilensko čašico (slika 1a) in klasični kovinski protezi s polietilensko čašico (slika 1b). Morfologija obeh vrst delcev je podobna, v obeh primerih se pojavljajo podolgovati delci, pri polietilenupa tudi okrogli. Razlika je le v velikosti delcev, ki so v primeruklasične kombinacije večinoma veliki od 0,5 do 5 µm, le redko se pojavljajo delci, večji od 5 mm. Pri izoelastičnih protezah so delci večinoma večji in merijo od 5 do 150 µm, teh delcev je tudi precej manj kot polietilenskih, kar je razvidno tudi na sliki 1.
FTIR-spektri so primerni za identifikacijo izoliranih polietilenskih delcev. Delce smo kvalitativno analizirali
s primerjavo FTIR-spektrov za referenčni vzorec polietilenskega prahuin za izolirane delce (slika 2). Značilni vrhovi se pojavljajo pri 2917, 2850, 1470 in 721 cm-1 in ustrezajo polietilenu.
S FTIR-analizo smo analizirali tudi poliacetalni prah in dobili značilne vrhove pri 2930, 2860, 1490, 1450, 1390, 1250, 1100, 902, 630 in 450 cm-1 (slika 3). Refe-renčni poliacetalni prah smo nato dodali piščančjemu mesu, razkrojili in ponovno izolirali poliacetalne delce. FTIR-spekter je potrdil prisotnost poliacetala. S tem smo dokazali, da pri postopkuizolacije dejansko izoliramo poliacetalne delce. Analiza realnih delcev, izoliranih iz tkiva ob izoelastični protezi, pa prisotnosti teh delcev ni nedvoumno dokazala. Sklepali smo, da je množina poliacetalnih delcev premajhna, možne pa so tudi kemijske interference.
Ker nobena od uporabljenih tehnik ni omogočila ločevanja med posameznimi delci, smo se ponovno posvetili iskanjumožnih rešitev. V objavljeni literaturi ni bilo podobnih raziskav, našli pa smo podatek, da proizvajalci izoelastičnih protez poliacetaludodajajo barijev sulfat.7 Le-ta ima vlogo kontrastnega aditiva, ki na rentgenskih posnetkih poveča kontrast med kostjo in protezo. Ta podatek nam je pomagal pri reševanju problema ločevanja poliacetalnih in polietilenskih delcev, saj BaSO4 lahko identificiramo z EDS-analizo in, kot se je izkazalo, tudi s SEM z uporabo povratno sipanih elektronov iz primarnega curka (fazni kontrast). SEM-posnetek z uporabo sekundarnih elektronov je prikazan na sliki 4a. Vidimo nekaj večjih delcev v obliki krp, dolžine nekaj deset µm. Z uporabo povratno sipanih elektronov iz primarnega curka pa so vidne drobne svetleče pike (slika 4b). Njihovo sestavo smo potrdili z EDS-analizo in je ustrezala BaSO4 (slika 5). Velikost dodanih delcev BaSO4 je okrog 1 µm.
Na SEM-posnetkih polietilenskih delcev, z uporabo povratno  sipanih  elektronov  iz  primarnega  curka,
Slika 4: SEM-posnetek poliacetalnih delcev: (a) posneto s sekundarnimi elektroni, (b) posneto s povratno sipanimi elektroni iz primarnega curka
Figure 4: SEM micrograph of polyacetal particles: (a) recorded using secondary electrons, (b) recorded using back-scattered electrons
Slika 5: EDS spekter BaSO4 Figure 5: EDS spectrum of BaSO4
MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 1-2
85
A. MINOVIČ, I. MILOŠEV: PRIMERJAVA OBRABNIH DELCEV POLIETILENA IN POLIACETALA
Slika 6: SEM-posnetek polietilenskih delcev: (a) posneto s sekundarnimi elektroni, (b) posneto s povratno sipanimi elektroni iz primarnega curka
Figure 6: SEM micrograph of polyethylene particles: (a) recorded using secondary electrons, (b) recorded using back-scattered electrons
svetlečih pik, ki bi označevale prisotnost BaSO4, nismo opazili (slika 6).
Splošno znano je, da se BaSO4 in ZrO2 dodajata kot kontrastna aditiva v kostni cement (polimetilmetakrilat), ki pri cementnih protezah fiksira protezo v kost. Dodatek teh aditivov v brezcementne izoelastične proteze pa ni
splošno znan in ima lahko pomembno vlogo pri razlagi omajanja teh protez. Ti aditivi so namreč trdi in pri obrabi proteze lahko delujejo kot abrazivni delci pri troplastni abraziji. Očitno proizvajalci polietilenune dodajajo kontrastnih reagentov in sicer zato, ker sta BaSO4 in ZrO2 zelo trda materiala in bi pri premikanju glave proteze ob polietilensko čašico prihajalo do večjih poškodb na površini čašice in s tem tudi do obrabe.
4 SKLEP
Z bazičnim razkrojem tkiva, odstranjenega ob izoelastičnih kolčnih protezah, smo uspešno izolirali polietilenske in poliacetalne delce. Ločevanje in identifikacija obeh vrst delcev sta se pokazala kot bolj zahtevna problema, kot pa smo na začetkupričakovali. FTIR-spektroskopija je sicer primerna tehnika za analizo polimernih materialov, vendar v primerupoliacetalnih delcev ni dala zadovoljivih rezultatov. V tem delu smo pokazali, kako podrobno zbiranje podatkov o preiskovanem materialulahko pripomore k lažji identifikaciji snovi. Le na osnovi FTIR-spektrov bi lahko sklepali, da poliacetalni delci v tkivuob izoelastični protezi sploh niso prisotni, kar se je pri nadaljnjih raziskavah pokazalo kot neresnično. Med polietilenskimi in poliacetalnimi delci smo ločili na podlagi SEM z uporabo povratno sipanih elektronov iz primarnega curka, kjer smo opazili prisotnost BaSO4 v poliacetalnih delcih in ga identificirali z EDS.
5 LITERATURA
1 E. Morscher, R. Mathys, Acta Orthop. Belg., 40 (1974) 639-647
2 T. A. Andrew, J. P. Flanagan, R. Bombeli, Clin. Orthop., 206 (1986) 127-138
3 R. J. Izquierdo, M. D. Northmore-Ball, J. Bone Joint Surg., 76B (1994) 34-39
4 T. Niinimäki, J. Puramen, P. Jalovaara, J. Bone Joint Surg., 76B (1994) 413-418
5 P. Cambell, P. Doorn, F. Dorey, H. Amstutz, Proc. Instn. Mech. Engrs., 210 (1996) 167-174
6 A. Minovič, I. Milošev, V. Antolič, S. Herman, Kovine zlitine tehnologije, 32 (1998) 67-68
7 I. Milošev, V. Pišot, private corespondence
86
MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 1-2