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Problemstellung: Verbindung zweier Welten - Metall und Knochenzement
Konventionelle Zementiertechnik: Weder chemischer, noch adhäsiver Verbund
zwischen Metall (Prothese) und Polymer (Knochenzement), nur mikroretentive
Verzahnung an der Grenzfläche. Bei Beanspruchung kommt es zur Spaltbildung zwischen Metallschaft und Knochenzement. Durch Kapillarkräfte beschleunigt dringt Feuchtigkeit ein, das resultierende Debonding bei verbleibendem Klemmsitz führt zu Mikrobewegungen und somit zu Abriebpartikeln. Die Folge: Zerrüttung des Zementes ausgehend von der Grenzfläche und damit Prothesenlockerung.
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Neue, patentierte* Beschichtungstechnologie zur Optimierung des Verbundes
zwischen Prothese und Knochenzement
Um ein neues, chemisches Verbundsystem zu entwickeln wurde eine interdiszipli- näre Arbeitsgruppe, bestehend aus Mitarbeitern des F&E-Labors Medizinische Werkstoffe und der Orthopädischen Klinik des Universitätsklinikum Aachen sowie der Firma B|Braun/Aesculap gegründet. Abgeleitet wurde ein Verfahren aus der Zahnmedizin, bei dem der Verbund zwischen Metallgerüst und Kunststoff- verblendung einer Zahnprothese durch Silikatisieren und Silanisieren der Metall- oberfläche optimiert wird.
Im ersten Schritt wird Siliziumoxid im Hochvakuum auf die Metalloberfläche aufge- dampft. Aufgrund der komplexen Geometrie der Prothesen geschieht dies in einer speziellen Anlage, die mittels Schrittmotoren die eingespannte Prothese in allen Raumrichtungen über einer Verdampfungsquelle verfahren kann. Optional kann vor der PVD-Beschichtung die Oberfläche durch Gasplasma aktiviert werden. Dabei werden die Prothesen durch ionisiertes Argon geführt, wobei Verunreinigungen - z.B. in Form von anhaftenden Wassermolekülen - beseitigt werden.
Nach der Beschichtung wird eine Silanlösung aufgetragen - Silane funktionieren als Haftvermittler zwischen der anorganischen Silikatschicht und dem organischen Polymer (es handelt sich dabei um organische Siliziumverbindungen, die kurze Kohlenwasserstoffreste mit Doppelbindungen enthalten - diese können an Kunststoff "anpolymerisieren". Am anderen Ende des Moleküls bilden Methoxy- gruppen des Silans mit dem aufgedampften Siliziumoxid Si-O-Brücken). Da die Silanschicht nur kurze Zeit zur Anbindung an Polymere aktiv ist, wird als abschließenden Schritt die Prothese mit einer Methacrylatschicht lackiert und unter UV-Licht im Vakuum polymerisiert.
Durch diese Verfahrensweise wird dem Knochenzement beim Aushärten als Verbundpartner ein chemisch identisches Polymer "angeboten" - diese Verbindung ist problemlos und langzeitstabil.
*DE Patent 19937864, Europa Patent 1 202 702, US Patent 6,777,028B1
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Das Schichtsystem im Detail
Chemische Ankopplung zwischen Polymer und silikatisiertem Metall durch Silan:
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Literatur
Oberflächenkonditionierung für eine verbesserte Überlebenswahrschein-
lichkeit von Knieprothesen: Komplett- vs. Oberflächenzementiertechnik
der Tibiakomponente
T. Mumme, R. Marx, M. Qunaibi, F. U. Niethard, D.C. Wirtz
Biomed Tech 2006; 51:95-102
Surface pretreatment for prolonged survival of cemented tibial prosthesis
components: full- vs. surface-cementation technique
Rudolf Marx, Mutaz Qunaibi, Dieter Christian Wirtz, Fritz Uwe Niethard
and Thorsten Mumme
BioMedical Engineering OnLine 2005, 4:61 doi:10.1186/1475-925X-4-61
Adhäsive Verbundtechniken aus dem zahnmedizinischen Umfeld
etablieren sich in der Medizintechnik
Marx R, Wirtz DC, Mumme T, Niethard FU, Jungwirth F, Paar O, Erli HJ, Weber M.
Dtsch Zahnärztl Z. 2004 Feb;59(2):61-8.
Surface pretreatments for medical application of adhesion
Hans J Erli, Rudolf Marx, Othmar Paar, Fritz U Niethard, Michael Weber
and Dieter C Wirtz
BioMedical Engineering OnLine 2003, 2:15 doi:10.1186/1475-925X-2-15
Wirtz DC: Eine neue Beschichtungsmethode für zementierte
Femurschaftimplantate zur hydrolysestabilen Optimierung des Metall-
Knochenzement-Verbundes.
Aachen, Aachener Beiträge zur Medizin, Band 25, Wissenschaftsverlag Mainz,
Aachen 2002. ISBN 3-86073-945-x |
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