IZVIRNI ČLANEK/ORIGINAL ARTICLE
Analiza tkiva okrog omajanih umetnih kolčnih debel iz poliacetala z uporabo nuklearnih metod
Analysis of the tissue around artificial polyacetal hip stems using nuclear methods
Klemen Stražar,1 Matjaž Kavčič,2 Žiga Šmit,2 Jure Simčič,2 Radojko Jacimovic, Andrej Cör,3 Primož Pelicon,2 Vane Antolič1
1	Ortopedska klinika, Univerzitetni klinični center Ljubljana, Zaloška 9,1525 Ljubljana, Slovenija
2	Inštitut Jožef Stefan, Jamova 39,1000 Ljubljana, Slovenija
3	Fakulteta za vede o zdravju, Univerza na Primorskem, Polje 42, 6310 Izola, Slovenija
Korespondenca/ Correspondence:
Klemen Stražar m: klemenstrazar@ yahoo.com
Ključne besede:
izoelastična kolčna proteza; poliacetal; omajanje; metoda vzbujanja rentgenskih žarkov pri obsevanju s protoni (PIXE); analiza z nevtronsko aktivacijo
Key words:
isoelastic hip prosthesis; polyacetal; loosening; proton induced x-ray emission analytical method (PIXE); neutron activation analysis
Izvleček
Izhodišča: Pomen obrabnih delcev poliacetala za nastanek aseptičnega omajanja izoelastičnih femoralnih debel iz poliacetala še ni povsem jasen. Namen naše raziskave je bil s kvantitativnimi nuklearnimi metodami dokazati obstoj obrabnih delcev poliacetala, določiti njihovo morfologijo in preveriti, kakšna je njihova porazdelitev v tkivih okrog omajane kolčne proteze.
Metode: Analizirali smo vzorce tkiva, ki smo jih odvzeli med menjavami 4 omajanih kolčnih protez z izoelastičnimi debli iz poliacetala. Obstoj obrabnih delcev poliacetala smo preverili in določili njihovo morfologijo z metodo mikro-PIXE z dokazom barija, ki je v obliki BaSO4 vključkov prisoten v poliacetalnem plašču debla. Porazdelitev obrabnih delcev poliacetala v tkivih okrog omajanih komponent proteze smo preverili z metodo termične nevtronske aktivacije.
Rezultati: Ugotovili smo, da so obrabni delci poliacetala v tkivu okrog omajanih komponent kolčne proteze z deblom iz poliacetala redki in večji od 100 ^m. Nahajajo so v psevdomembrani okrog omajanega debla, v tkivih, oddaljenih od mesta njihovega nastanka pa so lahko prisotni le v sledeh. Izmerjena koncentracija BaSO4 v obrabnih delcih poliacetala (konc. Ba = 14217 ^g/g) je bila podobna koncentraciji te spojine v vzorcu plašča izoelastičnega debla iz poliacetala (konc. Ba = 14800 ^g/g).
Zaključki: Na podlagi rezultatov naše analize lahko sklepamo, da je zelo verjetno primarni
vzrok za hitro omajanje brezcementnih izoe-lastičnih debel iz poliacetala mehanski nemir debla v ležišču, zaradi katerega nastanejo veliki obrabni delci poliacetala, ki skupaj z ostalimi ob-rabnimi delci proteze pospešijo proces omajanja. Metoda PIXE in termalna nevtronska aktiva ci-ja sta občutljivi kvantitativni nuklearni metodi, primerni za neposredni ali posredni dokaz posameznih obrabnih delcev ter za določitev njihove morfologije in porazdelitve v tkivih.
Abstract:
Introduction: The influence of polyacetal wear particles on aseptic loosening of non-cemented isoelastic femoral stems with polyacetal coating remains unclear. The aim of our study was to use nuclear methods to prove the presence of polyac-etal wear particles, to determine their morphology and to check their distribution in the tissues around loosened hip prosthetic components.
Methods: Tissue samples obtained during retrieval of 4 aseptic loosened primary hip pros-theses with isoelastic stems made of polyacetal were subjected to nuclear analyses. Proton mi-crobrobe method (mikro-PIXE) was used to prove the presence of polyacetal wear particles and to check for their morphology by detection of barium, which is molecularly in BaSO4 embedded in polyacetal. Thermal neutron activation was used to determine distribution pattern of polyacetal wear in the peri-prosthetic tissues.
Results: Against expectations, polyacetal wear particles found were rather rare, larger than
2
Citirajte kot/Cite as:
Zdrav Vestn 2015; 84: 182-90
Prispelo: 18. apr. 2014, Sprejeto: 9. jul. 2014
100 i^m and present in pseudo-membrane samples around the loosened stem, but virtually absent in tissues distant from their origin. The concentration of BaSO4 in polyacetal wear particles in pseudo-membrane samples was similar to the one in polyacetal coating (conc. Ba = 14217 |g/g and 14800 |g/g, respectively).
Conclusion: According to the results, the primary cause of the loosening of isoelastic stems with
polyacetal coating is most probably mechanical restlessness, which is responsible for local formation of the large polyacetal wear particles that accelerate the process of loosening. PIXE method and thermal neutron activation are sensitive quantitative nuclear methods suitable for direct or indirect detection of wear particles in the tissue around loosened prostheses and to determine the morphology of wear particles and their distribution in the tissues.
Uvod
V 60. letih prejšnjega stoletja so v Bettla-chu v Švici po ideji Roberta Mathysa razvili brezcementno deblo kolčne proteze, prevlečeno s plaščem iz poliacetala.^ Material je imel podoben elastični modul kot kost (E = 5-13 Gpa).2 Med cikličnimi aksialnimi obremenitvami naj bi elastična deformacija okolne kosti sledila deformaciji izoela-stičnega debla, kot so ga zaradi mehanskih lastnosti poimenovali. 1 Pod takimi pogoji naj bi mehanični dražljaji spodbudili enakomerno tvorbo kosti okrog umetnega debla tako, da bi se le-to dobro integriralo v kostno ležišče v stegnenici. Pričakovali so, da bo zato življenjska doba izoelastičnih debel daljša od življenjske dobe dotlej znanih trših kovinskih kolčnih debel. Kljub prvim spodbudnim kratkoročnim kliničnim rezultatom pa je kasneje večina avtorjev poročala o slabih dolgoročnih rezultatih.^-i^
Vzroki za aseptično omajanje izoelastič-nih debel s prevleko iz poliacetala so lahko mehanski in biološki, vendar ni povsem znano, kateri od vzrokov ima pomembnejši vpliv.11'13-19
Študije so pokazale, da se zaradi upogib-nega momenta izoelastično deblo z nižjim elastičnim modulom v svojem ležišču v stegnenici bolj premika kot trša kovinska de-bla.13-16 Premiki povzročajo mikropoškodbe ležišča, zato med površino proteze in kostjo nastane tanka psevdomembrana, ki dodatno prepreči želeno integracijo vstavljenega debla v kostnem ležišču stegnenice.
Vzrok za hitro aseptično omajanje izo-elastičnih debel s poliacetalnim plaščem bi lahko bila tudi prisotnost biološko aktivnih obrabnih delcev poliacetala.H'i^-i® Kemične analize so posredno z dokazom BaSO4 potr-
dile prisotnost delcev poliacetala v psevdo-membrani okrog omajanih izoelastičnih de-bel.i8 BaSO4 dodajajo poliacetalu v procesu polimerizacije z namenom, da se plašč debla po vstavitvi vidi na kontrolnih rentgenskih slikah.i Obsežna nekroza, ki se opaža v psev-domembrani okrog omajanih izoelastičnih protez, naj bi bila posledica pomembne biološke aktivnosti obrabnih delcev proteze, predvsem delcev poliacetala.i®
Avtorji prispevka smo uporabili metode vzbujanja rentgenskih žarkov pri obsevanju bioloških vzorcev s protoni (metoda PIXE in mikro-PIXE), s katerimi smo želeli identificirati obrabne delce poliacetala in določiti njihovo morfologijo v tkivu okrog omajanih protez. Termalna nevtronska akti-vacija omogoča določanje povprečnih koncentracij posameznih elementov v večjem biološkem vzorcu, obsevanem z nevtroni. S to metodo smo preverili enakomernost porazdelitve obrabnih delcev poliacetala v različnih tkivih okrog omajanih protez z iz-oelastičnimi debli iz poliacetala.
Metode
1. Bolniki in vzorci tkiva
V analizo smo vključili 4 primere asep-tično omajanih primarnih brezcementnih kolčnih protez z izoelastičnim deblom iz poliacetala in z brezcementnim acetabulom iz polietilena. Osnovni pogoj za vključitev v analizo je bil, da sta bili obe komponenti (acetabularna in femoralna) omajani.
Povprečna doba od vstavitve do menjave protez je bila 9,3 let (najmanj 8,1 - največ 10,1 let).
Med menjavami protez smo odvzeli vzorce tkiva ob protezi s petih standardnih mest: psevdomembrana iz proksimalnega dela, sredine in distalnega dela femoralnega kanala, psevdokapsula ter psevdomembrana z dna acetabula. Pri jemanju vzorcev smo zajeli celotno debelino psevdomembrane ali psevdokapsule. Velikost odvzetih vzorcev je bila vsaj 1 cm.^ Vzorce smo fiksirali v 10-od-stotnem formalinu in jih vklopili v parafin.
Prvo 5 ^m debelo rezino parafinskega bloka smo obarvali s hematoksilinom in eozi-nom (HE) za mikroskopsko analizo, s katero smo identificirali obrabne delce polimerov.
Sosednjo 10-20 ^m debelo rezino smo uporabili za analizo z metodo vzbujanja rentgenskih žarkov pri obsevanju tkiva s fokusiranim žarkom protonov (metoda mi-kro-PIXE) za identifikacijo obrabnih delcev poliacetala posredno z dokazom barija (Ba). Rezino smo pritrdili na nosilec tako, da smo jo nanesli na tanko, manj kot 1 ^m debelo folijo iz formvarja.
Ostanek v parafin vklopljenega vzorca tkiva smo uporabili za analizo elementne sestave vzorcev tkiva z metodo termične nev-tronske aktivacije. S postopkom odklaplanja smo iz vzorca najprej odstranili parafin. Stehtali smo 0,16 g dobljenega vzorca v čisti polietilenski ampuli ter ga uporabili za analizo.
Vzorec sredine poliacetalnega plašča enega izmed odstranjenih omajanih izoela-stičnih debel velikosti 1 cm^ smo uporabili za analizo z metodo vzbujanja rentgenskih žarkov pri obsevanju z nefokusiranim snopom protonov (metoda PIXE) v zunanjem žarku za ugotavljanje koncentracije Ba v po-liacetalnem plašču.
Postopki odvzema, prenosa, priprave vzorcev in skladiščenje so potekali v čistem okolju, da bi preprečili kontaminacijo z nečistočami.
2. Nuklearne metode
DoLočanje koncentracije Ba v poLlacetaLnem pLašču IzoeLastičnega debLa z metodo vzbujanja rentgenskih žarkov pri obsevanju s protoni (metoda PIXE)
Analitska metoda vzbujanja značilnih rentgenskih žarkov pri obsevanju tarče s protoni (angl. Proton Induced X-ray Emis-
sion - PIXE) temelji na odkrivanju značilnih rentgenskih spektralnih črt, ki jih izseva vzorec, ko ga obsevamo s protoni z energijo v področju MeV.20'21 Proton z energijo MeV pri svojem ustavljanju v snovi vzbuja in ionizira atome snovi. Ob razpadu vzbujenih stanj z vrzelmi v atomskih lupinah se izsevajo značilni fotoni, ki pri prehodih med notranjimi lupinami atoma ležijo v rentgenskem spektralnem področju. Energija izsevanih rentgenskih žarkov karakterizira atome elementa v snovi in tako omogoča natančno določitev elementne sestave merjenega vzorca.
Meritve z metodo PIXE smo opravili z uporabo elektrostatičnega tandemskega ionskega pospeševalnika. Uporabili smo pospešene protone z energijo 2 MeV. V ta namen smo opravili meritve z zunanjim protonskim žarkom, ki omogoča meritve vzorca v zraku. Dimenzija protonskega žarka na vzorcu je bila 1 mm^, protoni z energijo 2 MeV pa so prodrli približno 100 |im globoko v vzorec. Pri meritvi smo tako analizirali približno 0,1 mm^ vzorca. Izsevane spektre smo detektirali s polprevodniškim Si(Li) detektorjem rentgenskih žarkov, ki je bil postavljen pod kotom 45° glede na smer vpadnega protonskega curka. V spektru, v katerem lahko jasno razločimo spektralne črte posameznih elementov v vzorcu, omogočajo izmerjene intenzitete posameznih prispevkov izračun koncentracije elementa v vzorcu. Pri izračunu koncentracije posameznega elementa v vzorcu smo upoštevali, da protoni na svoji poti do vzorca preletijo 8 |m debelo aluminijasto okno, ki ločuje vakuumski sistem v žarkovni cevi od zunanje atmosfere, ter zračno režo debeline 1 cm, kar zmanjša energijo protonov na tarčnem vzorcu na vrednost 1,7 MeV. Širino zračne reže smo opredelili z jeklenimi distančniki in umerili z meritvami tarčnih vzorcev z znano sestavo. Pri izračunu koncentracij v vzorcih smo upoštevali ustavljanje protonov v tarčnem vzorcu in absorpcijo rentgenskih žarkov v tarčnem vzorcu in zraku.
Z metodo PIXE smo določili koncentracijo barija v vzorcu poliacetalnega plašča iz-oelastičnega debla kolčne proteze.
DoLočanje morfoLogije obrabnih deLcev poLlacetaLa v vzorcu tkiva z metodo vzbujanja rentgenskih žarkov s fokusiranim snopom protonov (mikro-PIXE)
Z metodo mikro-PIXE smo določili morfološke značilnosti obrabnih delcev polia-cetala v tkivu.^^'^^ S kvadrupolnim magnetnim lečjem smo protonski žarek sfokusirali na presek i ^m^. Žarek smo enakomerno premikali po površini vzorca in merili intenziteto značilnih rentgenskih spektralnih črt posameznega elementa v odvisnosti od pozicije žarka na vzorcu. V našem eksperimentu je energija protonov v mikrožarku znašala 2 MeV, tok protonov na tarči pa 40 pA. Velikost merjenega področja na površini vzorca, ki smo ga preiskali s protonskim mikrožarkom, je znašala 2,5 x 2.5 mm^. Izsevane rentgenske spektre smo odkrivali s polvodniškim detektorjem Ge. Doseg protonov z energijo 2 MeV v organskem tkivu je znašal približno 100 ^m, kar je pomenilo, da so protoni prodrli skozi tanko rezino merjenega vzorca. Energijo protonov po preletu skozi rezino vzorca smo izmerili z detektorjem nabitih delcev, ki smo ga postavili za vzorec. Na ta način smo določili, kako se gostota vzorca krajevno spreminja, saj je izguba energije delcev sorazmerna gostoti snovi, skozi katero letijo. Mesto domnevnega delca poliacetala smo najprej določili s pomočjo mikroskopa v preparatu HE na sosednji rezini od tarčnega vzorca, ki smo jo potem premerili z metodo mikro-PIXE.
Pri meritvi z mikro-PIXE prečešemo vzorec in s prostorsko ločljivostjo 1 [im^ izmerimo ploskovno porazdelitev koncentracij posameznih elementov v vzorcu. Če drži hipoteza, da Ba v tkivu izvira pretežno iz BaSO4, ki ga vsebujejo obrabni delci polia-cetala, lahko pri meritvi področja, ki vsebuje obrabni delec, v koncentracijskem zemljevidu Ba pričakujemo jasno sliko posameznega delca.
Meritev omogoča določitev koncentracije ne le Ba temveč tudi morebitnih drugih elementov v samem delcu in njegovi okolici. Za izračun koncentracij smo uporabili programsko orodje GUPIX in pri tem upoštevali povprečno debelino preiskovanega območja, ki smo jo prej določili z merjenjem energije protonov po preletu skozi vzorec.
UgotavLjanje vzorca porazdelitve obrabnih deLcev v tkivih okrog omajane proteze z metodo termične nevtronske aktivacije
Metoda termične nevtronske aktivacije omogoča merjenje povprečne koncentracije posameznih elementov v vzorcih tkiva večjega volumna.^^'^^ Vzorce smo obsevali približno 19 ur v vrtiljaku reaktorja TRIGA Mark II na Inštitutu Jožef Stefan pri termičnem fluksu nevtronov 1,1 x lo^^ n/cm^s v poziciji IC-40 in pri obratovalni moči reaktorja 250 kW. Po končanem obsevanju, ki mu je sledilo obdobje 3- do 8-dnevnega hlajenja smo izmerili inducirano sevanje vzorca z umerjenim polprevodniškim koaksalnim detektorjem Ge visoke čistoče (HPGe). Izmerjene spektre induciranega sevanja gama smo obdelali s programom HyperLab, koncentracije elementov in efektivne kote med vzorcem in detektorjem pa izračunali z računskim programom KAYZERO/SOLCOI® verzija 5a.
Rezultati
1.	Koncentracija Ba v vzorcu plašča izoelastičnega debla iz poliacetala
Z metodo vzbujanja rentgenskih žarkov pri obsevanju s protoni (PIXE) smo določili koncentracijo Ba v vzorcu poliacetalnega plašča izoelastičnega debla. Iz pridelka sunkov izsevanih rentgenskih žarkov značilne energije smo izračunali, da je koncentracija Ba v vzorcu plašča izoelastičnega debla iz poliacetala 14.800 ^g/g.
2.	Morfologija delcev poliacetala v psevdomembrani okrog omajanih izoelastičnih debel iz poliacetala
Z metodo vzbujanja rentgenskih žarkov pri obsevanju tkiva s sfokusiranim mi-krožarkom protonov (mikro PIXE) smo v tkivu okrog omajanih izoelastičnih protez prepoznali obrabne delce poliacetala in jih na podlagi prisotnosti Ba uspeli ločiti od obrabnih delcev polietilena (Slika 1 in Slika 2).
Slika i: Obrabni deLec poLiacetaLa v tkivu okrog omajane koLčne proteze.
a.	Polimerni obrabni delec v koncentracijskem zemljevidu barija (Ba), pridobljenem z metodo mikro-PIXE. Koncentracija Ba v delcu je 14.217 jjg/g (delec poliacetala). Koncentracija Ba v zajeti okolici vzorca v tkivu je 91 jjg/g, kar predstavlja 0,6-odstotne vrednosti koncentracije Ba v delcu poliacetala.
b.	Isti delec v preparatu HE (priležna rezina); zrničasta struktura predstavlja prisotnost vključkov BaSO4.
3. Elementna analiza vzorcev tkiva okrog omajanega izoelastičnega debla iz poliacetala z metodo vzbujanja rentgenskih žarkov pri obsevanju tkiva s sfokusiranim mikrožarkom protonov (mikro PIXE)
V delcu poliacetala ocenjene velikosti 250 (im je koncentracija Ba 14382 ^g/g (Slika 3). Mape drugih elementov ne razkrijejo prisotnosti delca poliacetala, ker jih delec poliacetala ne vsebuje ali pa so prisotni tako v obrabnem delcu kot tudi v tkivu okrog njega v podobnih koncentracijah (mapa S - žveplo).
4. Porazdelitev posameznih elementov obrabnih delcev v psevdomembrani z različnih mest okrog omajane izoelastične proteze
Analiza vzorcev tkiva okrog omajanih izoelastičnih debel z metodo termične nev-tronske aktivacije je pokazala, da je Ba prisoten v tkivu okrog omajanega poliacetalnega debla, v psevdomembrani pod acetabulom in v psevdokapsuli pa ga zasledimo le v enem primeru v sledeh (Slika 4). Ostale elemente (Co, Cr, Zn) najdemo v koncentracijah primerljivega velikostnega razreda v vseh tkivih okrog omajane proteze brez značilnega vzorca kopičenja (Slika 4b - d). Porazdelitev koncentracij teh elementov v tkivih okrog omajane proteze je neenakomerna.
Razpravljanje
Dosedanje raziskave niso razjasnile, ali so primarni vzrok za hitro aseptično oma-janje brezcementnih izoelastičnih debel iz poliacetala preveliki premiki komponente v ležišču zaradi prenizke trdote materiala in velikega upogibnega momenta med aksial-nimi obremenitvami, ali pa je za omajanje debel kriva napačna izbira kemične sestave materiala, katerega obrabni delci imajo lahko pomembno biološko aktivnost.
Biološko aktivnost obrabnih delcev lahko ocenjujemo s stopnjo celične reakcije na posamezni delec in nekroze v tkivu okrog omajane proteze.^^ Celična reakcija v tkivu je odvisna od koncentracije v njem prisotnih obrabnih delcev.^^'^^ Čim več je delcev, tem bolj intenzivna je vnetna reakcija tkiva. Fisher je s sodelavci dokazal, da so submi-kronski obrabni delci bolj biološko aktivni kot obrabni delci, veliki 10 mm in več.^^ Če zgornje trditve držijo za vse obrabne delce, potem bi lahko na podlagi vedenja o koncentraciji in velikosti obrabnih delcev poli-acetala v periprostetičnem tkivu lahko sklepali o njihovem vplivu na omajanje kolčnih protez z izoelastičnimi debli.
Metoda s termalno nevtronsko aktiva-cijo in metoda PIXE sta nuklearni metodi, primerni za kvantitativno analizo elemen-tne sestave bioloških vzorcev. Obe omogočata določanje koncentracije posameznega elementa v vzorcu, meritev s sfokusiranim
Slika 2: PoLimerni deLec v tkivu okrog omajane proteze, ki ni obrabni deLec poLiacetaLa.
a.	DeLec polimera v preparatu HE homogeno motnjavega izgleda, ki pod polarizirajočo svetlobo ne seva.
b.	Isti delec polimera v priležni rezini, prikazan v koncentracijskem zemljevidu barija (Ba), pridobljenem z metodo mikro-PIXE. Ba je v zelo nizki koncentraciji (132 iig/g), neznačilni za poliacetal.
protonskim mikrožarkom (mikro PIXE) pa kvantitativno kartografsko porazdelitev koncentracije posameznih elementov v manjšem delu vzorca.^^ Nuklearne metode so visoko občutljive in zato primerne za odkrivanje posameznih elementov v biološkem tkivu tudi v sledeh. Metoda z nevtronsko ak-tivacijo se je v preteklosti redko uporabila za analizo tkiva okrog omajanih kolčnih pro-tez.26'27 Z njo je bil preverjen sistemski raz-soj obrabnih delcev kolčnih protez iz težkih kovin.28-30 Rezultati teh raziskav so pokazali, da so vrednosti nekaterih elementov težkih kovin, iz katerih so proteze, lahko do 5-krat višje v krvi in urinu, v laseh in v nekaterih notranjih organih (pljuča, vranica, ledvica, jetra), kar bi lahko predstavljalo tudi tveganje za nastanek maligne bolezni. Metodo PIXE so uporabili za analizo tkiva ob kovin-
skem vsadku.30 Enako kot mi z metodo termalne nevtronske aktivacije tkiva je Busse s svojimi sodelavci z metodo PIXE ugotovil, da so elementi težkih kovin neenakomerno porazdeljeni v tkivih okrog omajanih vsad-kov.31 Michel je s svojimi sodelavci še dokazal, da je najboljši korelat stopnji metaloze okrog AO plošč koncentracija niklja (Ni) v tkivu.32 Nuklearne metode, predvsem metoda PIXE, so bile uporabljene tudi za analizo vpliva dodatne obdelave površin iz različnih materialov na stopnjo korozijske obrabe in oseointegracije kolčnih vsadkov ter za analizo biokompatibilnosti materiala.^^'^^
Naša raziskava je pokazala, da vsi veliki polimerni obrabni delci, ki imajo motnjav izgled in ne svetijo pod polarizirajočo svetlobo, niso delci poliacetala, kot smo predvidevali na podlagi objavljenih rezultatov
Slika 3: Mape elementov v obrabnem deLcu poLiacetaLa veLikosti 250 ^m in v tkivu okrog njega, dobLjene z metodo vzbujanja rentgenskih žarkov pri obsevanju tkiva s sfokusiranim mikrožarkom protonov - mikro-PIXE. Ba-barij, Ca-kaLcij, Cr-krom, Fe-žeLezo, Ni-nikeLj, P-fosfor, S-žvepLo. Koncentracija Ba v 250 ^m veLikem deLcu poLiacetaLa je 14.382 ^g/g.
Slika 4a: Porazdelitev barija (Ba). 8
£=
6
O
5 4 3 2
ml
B	proteza 1
I	proteza 2
O	proteza 3
O	proteza 4
psevdokapsula dno
acetabula
proksimalni srednji del fem	del fem
distalni del fem
Slika 4b: Porazdelitev kroma (Cr). 15
12
B	proteza 1
I	proteza 2
O	proteza 3
O	proteza 4
psevdokapsula dno	proksimalni srednji
acetabula	del fem	del fem
distalni del fem
Slika 4: AnaLiza vzorcev tkiva okrog omajanih izoelastičnih protez (n = 4) z metodo nevtronske aktivacije za ugotavljanje povprečne koncentracije nekaterih značilnih elementov.
histoloških analiz.^® saj mnogi ne vsebujejo vključkov BaSO4. Kljub netipičnemu izgledu v histoloških preparatih je večina polimer-nih delcev v tkivu okrog omajanih kolčnih protez z izoelastičnimi debli delcev polietilena. Mikrostruktura polietilena je odvisna od procesa polimerizacije, zato se lahko izgled obrabnih delcev polietilena v histoloških preparatih razlikuje med različnimi proizvajalci polietileskih čašic. Metoda PIXE je še pokazala, da so obrabni delci poliace-tala večji kot 100 ^m. V njih je koncentracija Ba podobna koncentraciji Ba v vzorcu poliacetalnega plašča izoelastičnega debla. To pomeni, da velika večina delcev BaSO4
tudi v tkivu okrog omajane proteze ostane v delcih poliacetala in se ne sprošča v tkivo ob protezi, zato sami ne igrajo pomembne vloge pri aktiviranju vnetnic. Analiza tkiva s termalno nevtronsko aktivacijo je pokazala, da je koncentracija Ba v vzorcih psevdo-membrane majhna, kar dodatno pomeni, da je obrabnih delcev poliacetala manj, kot smo predvidevali na podlagi rezultatov prej objavljenih histoloških analiz.^® Kljub temu pa so dosedanje histološke analize pokazale, da je reakcija tkiva okrog obrabnih delcev po-liacetala zelo burna, predvsem pa je v tkivu mnogo več nekroze kot v tkivu okrog drugih tipov omajanih protez.^^'i® To pomeni, da so delci poliacetala kljub svoji velikosti biološko pomembno dejavni. Raziskave so pokazale, da se kovinski in polietilenski obrabni delci proteze nahajajo tudi v tkivih, oddaljenih od mesta nastanka delcev.^^ Delci pridejo v oddaljena tkiva s pasivnim razsojem zaradi tlačnih razlik med obremenjevanjem, s pomočjo prodiranja granulacijskega tkiva v špranje ob protezi ali po limfi. Naša raziskava je potrdila, da so obrabni delci kovine prisotni v vseh tkivnih vzorcih okrog protez v podobnih koncentracijah, njihova porazdelitev pa je neenakomerna. Proti pričakovanjem pa je analiza tkiva s termično nevtronsko aktivacijo pokazala, da je povprečna koncentracija delcev Ba v analiziranih tkivih, odvzetih okrog omajanih debel, 100-krat večja v primerjavi s koncentracijo Ba v psevdokapsuli in psevdomembrani v ležišču omajane acetabularne komponente. Veliki upogibni momenti so zelo verjeten razlog za nezadostno primarno stabilnost in zato slabšo osteointegracijo vstavljenega iz-oelastičnega femoralnega debla. Čim večji je mehanski nemir slabo vraščenega debla, tem večji obrabni delci se sproščajo z njegove površine v psevdomembrano. Največ obrabnih delcev poliacetala tako nastane v proksimal-nem in srednjem delu ležišča v stegnenici, tj. na mestih, kjer so upogibni momenti vsadka največji. Velikost delcev poliacetala kljubuje prenosu v tkiva, oddaljena od mesta njihovega izvora.
Po našem vedenju se nuklearne metode za analizo bioloških vzrokov aseptičnega omajanja vsadkov iz poliacetala doslej niso uporabile. Analiza PIXE in analiza tkiva s
1
0
9
6
3
0
Slika 4c: Porazdelitev kobaLta (Co). T5 0,15
0,12
0,09
0,06
0,03
0,00
I	proteza 1
■	proteza 2
□	proteza 3
O	proteza 4
psevdokapsula dno	proksimaln! srednji
acetabula	deL fem	del fem
distaLni del fem
Slika 4d: Porazdelitev cinka (Zn).
10
I	proteza 1
■	proteza 2
□	proteza 3
O	proteza 4
m
m
psevdokapsula dno	proksimalni srednji
acetabula	del fem	del fem
distalni del fem
Slika 4 (nadalj.)
termalno nevtronsko aktivacijo sta histološki analizi tkiva komplementarni metodi pri ugotavljanju vpliva biološko aktivnih obrab-nih delcev proteze na aseptično omajanje kolčne proteze z izoelastičnim deblom, prevlečenim s poliacetalom. Metodi sta uporabni za kvantitativno analizo obrabnih delcev, sestavljenih iz elementov, ki so sicer v tkivu ali celicah prisotni kvečjemu v sledeh.
Nuklearne metode so drage in zato manj primerne za rutinsko analizo večjega števila omajanih protez. Slabost naše študije je zato majhno število analiziranih omajanih protez in tudi odsotnost kontrolne skupine. Dodaten razlog za majhno število analiziranih
protez je dejstvo, da se debla omajejo mnogo prej kot acetabularne komponente. Zato je bilo redko že pri prvi reviziji potrebno zamenjati obe komponenti naenkrat.
Zaključki
Metoda PIXE in termalna nevtronska aktivacija sta občutljivi kvantitativni nuklearni metodi, primerni za neposredni ali posredni dokaz posameznih obrabnih delcev ter za določitev njihove morfologije in porazdelitve v tkivu. V naši raziskavi smo z metodama nedvomno dokazali, da se v tkivu okrog omajanih izoelastičnih debel nahajajo veliki obrabni delci poliacetala, katerih koncentracija pa je proti pričakovanjem majhna. Na podlagi rezultatov analize lahko predvidevamo, da so za nastanek velikih obrabnih delcev poliacetala potrebni veliki premiki debla v svojem ležišču v stegnenici. Do tako velikih premikov pride zaradi velikega upo-gibnega momenta vstavljenega femoralnega debla, ki onemogočijo, da bi se vstavljeno deblo uspešno vraslo v svojem ležišču. Ob-rabni delci poliacetala so kljub svoji velikosti biološko aktivni in pospešijo omajanje debla, medtem ko na omajanje acetabular-ne komponente ne vplivajo. Poliacetal, ki se uporablja pri vsadkih v drugih vejah medicine, na primer v stomatologiji, ima morda še prihodnost v ortopediji, vendar le, če bi material in oblika proteze omogočila boljšo osteointegracijo s poliacetalom prevlečene komponente in bolj kot v kolčni endoprote-tiki za komponente protez drugih sklepov, ki so manj obremenjeni in kjer ni tako velikih upogibnih momentov. Z dodatnimi raziskavami poliacetalnih vsadkov z nuklearnimi metodami bi to lahko preverili.
Zahvala
Avtorji se zahvaljujemo prof. dr. Andreju Cöru, dr. med., zaposlenemu na Fakulteti za vede o zdravju Univerze na Primorskem, za pomoč pri pripravi parafinskih blokov in preparatov HE.
8
6
4
2
0
Literatura
1.	Morscher E, Mathys R. La prothese totale isoela-stique de hanche fixee sans cement. Acta Orthop Belg 1974; 40: 639-647.
2.	Maistrelli GL, Fornasier V, Binnington A, McKenzie K, Harrington I. Effect of stem modulus in a total hip arthroplasty model. J Bone Joint Surg 1991; 73-B: 43-46.
3.	Dick W, Morscher E. Erfahrungen mit der Entwicklung zementfreier Endoprothesen. Med Orthop Techn. 1986; 106: 6-10.
4.	Andrew TA, Flanagan JP, Gerundini M, Bombelli R. The isoelastic, noncemented total hip arthroplasty. Clin Orthop 1986; 206: 127-138.
5.	Heitemeyer U, Hierholzer G, Haines J. The importance of trochanteric lag screws to achieve primary stability in cementless fixation of the RM hip prosthesis. Arch Orthop Trauma Surg 1987; 106: 120-2.
6.	Izquierdo RJ, Northmore-Ball MD. Long-term results of revision hip arthroplasty. Survival analysis with special reference to the femoral component. J Bone Joint Surg 1994; 76-B: 34-9.
7.	Matricali GA, Thibaut H, Hendrickx M, Thibaut R. Revision of total hip arthroplasty using the R.M. isoelastic prosthesis. Acta Orthop Belg 1993; 59 Su-ppl 1: 374-6.
8.	Trager D, Rode P, Krause W. Experiences with the RM isoelastic hip endoprosthesis. Chirurg 1985; 56: 718-22.
9.	Rosso R. 5-year rewiew of the isoelastic RM total hip endoprostheses. Arch Orth Trauma Surg 1988; 107: 86-8.
10.	Baumghardt P, Oest O, Süssenbach F. Die isoelastische RM-Hüftprothese. In: Refoir J (ed) Zementfreie Implantation von Hüftgelenk-Endopro-sthesen - Standortbestimmung und Tendenzen. Thieme 1987, Stuttgart., Au MK. Isoelastic total hip replacement: clinical evaluation of prosthetic iso-elasticity. J Formos Med Assoc 1994; 93: 497-502.
11.	Niinimaki TJ, Puranen JP, Jalovaara PK. Revision arthroplasty with an isoelastic uncemented femoral stem. Int Orthop 1995; 19: 298-303.
12.	Trebše R, Milošev I, Kovač S, Mikek M, Pišot V. Poor results from the isoelastic total hip replacement: 14-17-year follow-up of 149 cementless prostheses. Acta Orthop 2005; 76: 169-76.
13.	Huiskes R, Weinans H, Van Rietbergen B. The relation between stress schielding and bone resorption around total hip stems and the effects of flexible materials. Clin Orthop 1992; 274: 124-34.
14.	Huiskes R. The various stress patterns of press-fit, ingrown, and cemented femoral stems. Clin Orthop Rel Res 1990; 261: 27-38.
15.	Huiskes R. Failed innovation in total hip replacement: diagnosis and proposals for cure. Acta Orthop Scand 1993; 64: 699-716.
16.	Weinans H, Huiskes R, Grootenboer JH. Effects of material properties of femoral hip components on bone remodeling. J Orthop Res 1992; 10: 845-53.
17.	Boss JH, Shajrawi I, Soudry M, Mendes DG. Hi-stological features of the interface membrane of failed isoelastic cementless prostheses. Int Orthop
1990; 14: 399-403.
18.	Minovic A, Milošev I, Pišot V, Cör A, Antolič V. Isolation of polyacetal wear particles from peripro-sthetic tissue of isoelastic femoral stems. J Bone Joint Surg Br 2001; 83: 1182-90.
19.	Stražar K, Cör A, Antolič V. Biological impact of polyacetal particles on loosening of isoelastic stems. Biomacromolecules 2006 7: 2507-11.
20.	Šmit Ž, Pelicon P, Vidmar G, Zorko B, Budnar M, Demortier G, Gratuze B, Šturm S, Nečemer M, Kump P, Kos M. Analysis of medieval glass by X-ray spectrometric methods. Nucl Instr and Meth B 2000; 718: 161-163.
21.	Irigaray JL, Oudadesse H, Brun V. Nuclear methods to characterize biomaterials. Biomaterials 2001; 22(7): 629-40.
22.	Simčič J, Pelicon P, Budnar M, Šmit Ž. The performance of the Ljubljana ion microprobe. Nucl Instr and Meth B 2002; 190: 283-286.
23.	Jacimovic R, Smodiš B, Bučar T, Stegnar P. k[sub]0--NAA quality assessment by analysis of different certified reference materials using the KAYZERO/ SOLCOI software. J Radioanal Nucl Chem 2003;
257: 659-63.
24.	Fisher J, Bell J, Barbour PS, Tipper JL, Matthews JB, Besong AA, Stone MH, Ingham E.A novel method for the prediction of functional biological activity of polyethylene wear debris. Proc Inst Mech Eng H 2001; 215(2): 127-32.
25.	Gallo J, Slouf M, Goodman SB. The relationship of polyethylene wear to particle size, distribution, and number: A possible factor explaining the risk of osteolysis after hip arthroplasty. J Biomed Mater Res B Appl Biomater 2010; 94(1): 171-7.
26.	Ducheyne P, Willems G, Martens M, Helsen J. In vivo metal-ion release from porous titanium-fiber material. J Biomed Mater Res. 1984; 18(3): 293-308.
27.	Dielert E, Milachowski K, Schramel P. The role of the alloy-specific elements iron, cobalt, chromium and nickel in aseptic loosening of total hip joint prosthesis. Z Orthop Ihre Grenzgeb. 1983; 121(1): 58-63.
28.	Schnabel C, Herpers U, Michel R, Löer F, Buchhorn G, Willert HG. Changes of concentrations of the elements Co, Cr, Sb, and Sc in tissues of persons with joint implants. Biol Trace Elem Res 1994;
43-45: 389-95.
29.	Michel R, Nolte M, Reich M, Löer F. Systemic effects of implanted prostheses made of cobalt-chromium alloys. Arch Orthop Trauma Surg 1991; 110(2): 61-74.
30.	Dobbs HS, Minski MJ. Metal ion release after total hip replacement. Biomaterials 1980; 1(4): 193-8.
31.	Busse B, Niecke M, Püschel K, Delling G, Katzer A, Hahn M. Polyethylene abrasion: cause or consequence of an endoprosthesis loosening? Investigations of firm and loosened hip implants. Z Orthop Unfall 2007; 145(4): 452-60.
32.	Michel R, Zilkens J. Studies on the presence of metal traces in tissue surrounding A.O. angle plates, based on neutron activation analysis. Z Orthop Ihre Grenzgeb 1978; 116(5): 666-74.
33.	Kolb A, Reinisch G, Sabeti-Aschraf M, Grübl A, Windhager R. Contamination of surfaces for os-seointegration of cementless total hip implants by small aluminium oxide particles: analysis of established implants by use of a new technique. J Orthop Sci 2013; 18(2): 245-9. doi: 10.1007/ s00776-012-0343-4.
34.	Witte F, Fischer J, Nellesen J, Vogt C, Vogt J, Donath T, Beckmann F. In vivo corrosion and corrosion protection of magnesium alloy LAE442. Acta Biomater 2010; 6(5): 1792-9.
35.	Willert HG, Buchhorn GH. The biology of the loosening of hip implants. In: Jakob R, Fulford P, Ho-ran F eds. European Instructional course lectures. Vol 4, The British Editorial Society of Bone and Joint Surgery: London 1999: 58-82.