Artikel IDE442 MATERIALISEREN 1998 DE KUNSTHEUP

Artikel

IDE442 MATERIALISEREN

1998

DE KUNSTHEUP B. Lodeweegs, W. Lie, E. van Leeuwen, J. Zijlstra & M. Maurits Dit artikel is een uittreksel van het verslag en is een onderdeel van het vak materialiseren, IDE442. Het bestaat uit een analyse van de kunstheup met de nadruk op materiaalgebruik. In de eerste plaats wordt de menselijke heup beschreven. Daarna worden de problemen die optreden rondom de kunstheup beschreven en de trends en ontwikkelingen die op dit gebied spelen worden geschetst. Tevens worden de huidige oplossingen van de prothesen in kaart gebracht. Tenslotte worden er conclusies getrokken en worden er aan de hand van het programma van eisen (PVE) aanbevelingen gedaan ten aanzien van de materialen en worden de bijbehorende vervaardigingsprocessen beschreven. INLEIDING In Nederland worden per jaar 17 duizend kunstheupen geïmplanteerd. De verwachting is dat dit aantal door de vergrijzing nog zal verdubbelen. [1] Momenteel zijn er in Nederland zo'n tachtig modellen van kunstheupen in de handel; elk met hun specifieke kenmerken. De kunstheupen verschillen niet veel in materiaalgebruik, maar vooral in vorm en toevoegingen. Deze diversiteit heeft onder andere onderstaande nadelen tot gevolg: HHHHHHHH

Ziekenhuizen kunnen niet alle modellen inclusief alle verschillende maten op voorraad hebben en de modellen kunnen ook niet meteen geleverd worden. Om de nodige routine op bouwen voor het op juiste wijze implanteren, wordt er gebruik gemaakt van enkele beproefde modellen. COMPLICATIES BIJ HET IMPLANTEREN VAN DE PROTHESE De fixatie van kunstheupen is in te delen in twee typen, gecementeerd en ongecementeerd. De gecementeerde kunstheup wordt door middel van PMMA-cement gefixeerd. Na ongeveer 15 jaar moet de gecementeerde kunstheupen vervangen worden. De ongecementeerde kunstheup wordt zonder PMMA-cement gefixeerd en groeit met behulp van een speciale coating aan het bot vast. De levensverwachting is langer. Er is echter nog onvoldoende bekend over de lange termijneffecten. Enkele complicaties die kunnen optreden zijn: infecties (c.a. 1 op de 100 patiënten) opgelopen tijdens de operatie laxatie, de kunstheup schiet uit de kom door verkeerd inzetten, er is dan meestal operatie nodig loslaten van de prothese zenuwletsel, bij de operatie kunnen zenuwbanden worden opgerekt waardoor er een kans is op beschadiging van de zenuw stress shielding, niet gecementeerde prothesen hebben om stress shielding te verminderen vaak alleen aan de bovenzijde een hechtingsvlak BESCHRIJVING VAN DE HEUP de heup De heup bestaat uit een kop en een kom. De kop is grotendeels met kraakbeen bekleed en de kom is voor een deel met kraakbeen bekleed. Het kraakbeen zorgt voor de smering van het gewricht. De vorm van zowel de kom als kop is niet geheel zuiver bolvormig, zodat beide delen het best tegen elkaar passen bij het ontspannen staan. problemen Er zijn verschillende redenen waarom de heup vervangen moet worden door een kunstheup. Elke oorzaak correspondeert met een specifieke doelgroep. Een aantal oorzaken zijn in onderstaand overzicht samengevat: De belangrijkste oorzaak is slijtage van de heup.

© Faculteit Industrieel Ontwerpen

1

Technische Universiteit Delft

Artikel


1998

De meest voorkomende oorzaak van slijtage is degeneratie van het kraakbeenweefsel (cox arthrose). Hieronder wordt feitelijk verstaan het afslijten van het kraakbeenweefsel dat als glijlaag in het gewricht dient. Het gewricht zal gaan schuren over de pijnvezels direkt op het bot, het bewegen wordt de patiënt op deze wijze onmogelijk gemaakt. De grootste probleemgroep wordt gevormd door vrouwen van 70 jaar en ouder. Een minder voorkomende oorzaak van slijtage is het afsterven van de kop (osteonecrose) door onder andere overmatig alcoholgebruik, diepzee-duiken en het gebruik van bepaalde medicijnen. (b.v. prednison) Breuk. Door breuk dicht bij de femurkop wordt de bloedtoevoer afgesneden, waardoor de kop afsterft. Een aangeboren afwijking in het bekken of de heup kan de implantatie van een kunstheup noodzakelijk maken. krachten Het heupgewricht is een kogelgewricht en is in staat dwarskrachten goed op te vangen. De heup is daarintegen relatief minder goed in staat momenten op te vangen, daar de momentarm in vergelijking met de momentarm die optreed bij platte gewrichten klein is. 'De natuur' heeft hier echter een oplossing voor gevonden door spieren bij de trochanter major aan te laten grijpen i.p.v. vlak langs de bol, waardoor de momentarm twee keer zo lang wordt. Op de heup zijn krachten werkzaam. De grote van de krachten zijn afhankelijk van de houding en van de activiteiten. In onderstaan overzicht worden de verschillende krachten op de belaste heup(en) weergegeven: beweging

belasting en krachten

tweebenig staan krachten op de benen gelijkmatig verdeeld; beide heupgewrichten dragen 1/3 van het totale lichaamsgewicht (G) eenbenig staan

kracht op de belaste heup neemt toe tot 2,6 G

lopen

gemiddelde belasting van het heupgewricht 1,6 G

hard lopen

kacht op het heupgewricht neemt toe tot gemiddeld 5 G

Indien men wil zorgen dat de benodigde gewrichtskracht en spierkracht klein blijven zal men moeten proberen de hefboomarmen van beide krachten gelijk te krijgen. Er zijn een aantal manieren om de hefbomen gelijk te krijgen zijn: het verzetten van de trochanter major het verlengen van de femurhals het verdiepen van de Acetabulum (de kom) het verlagen van het lichaamsgewicht mechanische eigenschappen Het skelet is opgebouwd uit corticaal (compact) en spongieus bot. Het verschil tussen de twee typen kan worden gezien als een verschil in de poreusheid. Corticaal bot heeft een poreusheid van 5 tot 30%, spongieus bot heeft een poreusheid van 30 tot meer dan 40%. Het botweefsel is anisotroop: dit betekent dat het botweefsel niet naar alle richtingen toe dezelfde natuur-en schei-kundige eigenschappen vertoont. Bot is het sterkst in longitudinale richting (= lengte richting). DE KUNSTHEUP De ongecementeerde prothesen worden in het bot klem gezet. Hechting vind plaats door vergroeiïng met het bot. Er is sprake van minder botverlies bij implantatie en revisie bij ongecementeerde kunstimplantaten, de levensverwachting is hoogstwaarschijnlijk langer.Er is echter op dit moment nog iets minder ervaring met de ongecementeerde prothese in vergelijking met de gecementeerde prothesen.


2


Artikel


1998

problemen met gecementeerde kunstheup De gecementeerde prothesen gaan zo'n 15 jaar mee. Dit is het oudste principe en hier is ook de meeste ervaring mee opgebouwd. Om die reden wordt bij mensen van boven de 65 voor de gecementeerde prothese gekozen. Toch treden er complicaties op, deze zijn: botresorbtie. revisie van gecementeerde heupen is moeilijker dan van ongecementeerde heupen. als verbindingsmiddel is botcement niet ideaal omdat z'n kleine elasticiteitsmodulus van ongeveer 2500 Mpa slechts 1/8 zo groot is als die van de kortikalis. prothesen worden zowel mat als glad aangeboden, de matte variant laat eerder los door de schurende werking bij vervormingen. Ongecementeerde prothesen Met de ongecementeerde kunstheup is iets minder ervaring. De vermeende voordelen zijn: de verwachting ten aanzien van de levensduur is langer het inbrengen geeft minder botverlies. Het vervangen geeft minder botverlies. Vanwege deze voordelen wordt voor patiënten onder de 65 jaar vaak gekozen voor de ongecementeerde prothesen. Het bot en de ongecementeerde prothese kunnen op twee manieren aan elkaar gefixeerd worden: 1. door mechanische verankering van het bot aan de prothese 2. door het biochemisch aan elkaar groeien van bot en prothese 1. Mechanische verankering wordt verkregen door op de prothese een poreuse laag van bolletjes (beets) of een draadstruktuur aan te brengen. De struktuur is vrij grof, en met het blote oog duidelijk te zien. Doordat het aangroeiende bot zich tussen de bolletjes naar binnen dringt wordt de prothese mechanisch verankerd. 2. Het bot kan vergroeien met biocompatibel materiaal op het oppervlak van de prothese. De coating van de prothese bevat hiervoor biologisch actief materiaal welke opgenomen wordt bij de botvorming, zodat er een chemisch overgang ontstaat van het prothesemateriaal naar het botmateriaal. Een voorbeeld van gebruikt biomateriaal is hydroxylapatit. De volgende stap is het combineren van beide technieken, waarbij men gebruik maakt van een combinatie van mechanische en biochemische verankering van de kunstheup. HET AANBRENGEN VAN DE COATINGS Hydroxylapatit Ca(PO)(OH) In de biokeramiek is hydroxylapatit (HA / Ca(PO)(OH)) één van de meest veelbelovende materialen.Het calciumfosfaat bezit nagenoeg dezelfde chemische structuur als de anorganische component van botweefsel. Het is een oppervlak-actief materiaal met uitstekende botverbindende eigenschappen.HA wordt bij heupprotheses opgebracht als coating. Dit wordt met name toegepast voor implantaten met hoge biomechanische eisen, waarbij de goede botverbindende eigenschappen van HA worden gecombineerd met de mechanische superioriteit van metalen. Dat gebeurt electrolytisch of door middel van vlamspuittechnieken. (draad, poeder, plasma). Het probleem is dat bij het aanbrengen van het van hydroxylapatit door bijvoorbeeld vlamspuiten, de poriën van de oppervlaktestruktuur 'dicht slibben', waardoor van mechanische hechting geen sprake meer kan zijn. Nieuwe technieken zijn op komst die dit wel mogelijk maken (b.v. magnetron sputter techniek).


3


Artikel


1998

MATERIALEN EN VERVAARDIGING VAN DE KUNSTHEUP Zoals te zien zijn er sinds 1979 geen grote veranderingen opgetreden in het materiaalgebruik van kunstheupen. Het grootste verschil is de toevoeging van de keramieken alumiumoxide (Alumina) en Zirconiumoxide (Zirconia) als optie voor de kop van de protheses. Van Alumina en de kunststof Ultrahigh Molecular weight Polyethylene (UHMWPE) wordt in 1994 ook gewag gemaakt door Callister. [ 2] Een ander verschil sindsdien is het gebruik van ongecementeerde protheses met daarbij behorende coatings. Zie `Bevestiging kunstheup in lichaam.' HH

Een totaal overzicht van de eigenschappen van de genoemde materialen wordt gegeven in de volgende tabel:

Kop

Materiaal

Vervaardiging

Opp / nabewerking

Titanium

gesmeed

HA-coating

Al2O3 (Alumina)

persen, slib/spuitgieten

Al2O3 coating sinteren

CoCrMo

heet gesmeed

gepolyst HA-coating

Co-Cr-legering

heet gesmeed

ZrO2

zie Alumina

ZrO2 coating sinteren

UHMWPE

Spuitgieten/persen

gepolijst/gecoat

RVS (316L)

smeden/koud bewerken

RVS (316 L)

FeCrNiMnMoNbN Kom

TiAl7Nb (Shell) CoCrMo (insert) Steel

CoCrMo

Heet gesmeed

Gepolijst

Ti-legering

Gesmeed/gegoten

HA

De vervaardiging van de steel gaat als volgt: 3. de steel wordt gemaakt van een titaniumlegering en gefreesd (CC-bestuurd) uit smeeddelen; 4. daarna wordt deze handmatig bijgeslepen en een coating aangebracht; 5. uiteindelijk wordt er een blister omheen gedaan en wordt het hele pakketje onderworpen aan gammastraling voor sterilisatie.[3] HH

De materialen uit bovenstaande tabel hebben de volgende eigenschappen: Co-Cr

Uitstekende corrosie en vermoeidheid bestendigheid.

Ti

Licht gewicht, excellente corrosiebestendigheid, maar duur.

Alumina

Hard, slijtagebestendig, lage wrijvingscoefficient, maar slechte vermoeingsbestendigheid en bros.

Zirconia

Zie alumina, maar met 2 tot 3 keer betere breuktaaiheid.

UHMWPE Inert, excellente slijtagebestendigheid, lage wrijvingscoefficient. RVS

Snel last van spleet- en put corrosie, slechte vermoeiingsbestendigheid.

CONCLUSIES De bekende kunstheupen gaan ongeveer vijftien jaar mee. Gezien het feit dat er regelmatig kunstheupen vervangen moeten worden wegens slijtage, is onderzoek naar de oorzaken


4


Artikel


1998

hiervan zeer nuttig en blijken voornamelijk te liggen in hechting van het bot aan de prothese en slijtage tussen de kunstkop en -kom. Alhoewel de effecten van recent doorgevoerde veranderingen in kunstheupen nog niet bekend zijn, kunnen we wel een paar aannames doen: 1. het gebruik van ongecementeerde protheses lijkt beter dan gecementeerde protheses, waarbij echter wel een grotere nauwkeurigheid vereist is 2. de hechting van het bot aan de HA coating zal waarschijnlijk bevorderd worden door het gebruik van ESP of magnetron sputter technieken 3. als het mocht blijken dat de combinatie keramiek en UHMWPE de minste slijtage veroorzaakt, dan is het zaak om in de toekomst van die keramieken gebruik te maken die de grootste taaiheid en sterkte (slijtvastheid) bezitten. 4. een goed keramisch materiaal voor de toekomst lijkt Alumina versterkt met SiC nanodeeltjes te zijn Het beste materiaal voor een prothese blijft datgene dat de eigenschappen van bot het best benaderd. Wellicht gaat men in de toekomst daarom over op het opnieuw laten aangroeien van de menselijke heup, met behulp van technieken die nu nog onvoldoende beheersbaar zijn zoals het gebruik van Bone Morphogenetic Protein. (BMP). De proeven hiermee laten zien dat met dit eiwit zelfs botgroei kan ontstaan op plaatsen waar dit nooit geweest is. AANBEVELINGEN De techniek voor het hechten van de steel aan het bot maakt grote sprongen. Het verdient daarom aanbeveling om in de toekomst vooral te kijken naar de mogelijkheden tot vermindering van kop/kom slijtage. BRONNEN [1] volkskrant 18 januari 1997 [2] W.D. Callister. Materials and Science Engineering, an introduction. John Wiley and sons, 1994 [3] Bron: Hermsen, Osteonics (producent van het stiftgedeelte)


5


Artikel IDE442 MATERIALISEREN 1998 DE KUNSTHEUP

Recommend Documents