1/2013
REVIEW Nové typy a generace UHMWPE pro kloubní náhrady New types and generations of UHMWPE for total joint replacements Miroslav Šlouf1, Jaroslav Fencl2, David Pokorný3, Petr Fulín3 Ústav makromolekulární chemie AV ČR, v.v.i., Praha, Heyrovského náměstí 1888/2, 162 00 Praha 6, tel.: 296 809 111, e-mail:
[email protected] 2 Beznoska s.r.o., Kladno 3 Ortopedická klinika 1. LF UK a FN Motol, Praha
1
Souhrn: Aloplastika velkých kloubů je v dnešní době nepostradatelnou a stěžejní součástí moderní ortopedie. S rozvojem operační techniky, kvality implantátů, prodlužováním průměrného věku, ale i s rostoucími nároky pacientů dochází k nárůstu primoimplantací všech velkých kloubů. V posledních desetiletích k tomu došlo především u primoimplantací kyčelního a kolenního kloubu. V současné době se ale výrazně zvyšuje i počet náhrad ramenního, hlezenného i loketního kloubu. S tím souvisí i nárůst reimplantací jednotlivých kloubních náhrad. Tento trend klade nároky zejména na zvyšování kvality artikulačních materiálů používaných pro kloubní náhrady. Vysokomolekulární polyetylén (ultra-high molecular weight polyethylene – UHMWPE) je v dnešní době nejčastěji používaným materiálem pro výrobu artikulačních komponent kloubních náhrad. Kvalita jednotlivých komponent je jedním z rozhodujících faktorů, které ovlivňují celkovou životnost endoprotézy. V ortopedii je vysokomolekulární polyetylén používán již od 60. let minulého století. Vlastnosti UHMWPE jsou od počátku cílem řady vědeckých studií, které vedly k postupnému zdokonalování jeho vlastností a tudíž prodloužení jeho životnosti in vivo. Práce informuje nejen o vývoji polyetylénových komponent kloubních náhrad ve světě, ale zároveň poukazuje na vývoj tuzemský, který doposud dokázal držet krok s nejmodernějšími světovými trendy v oblasti artikulačních komponent kloubních náhrad. Hlavním cílem tohoto přehledového článku je čtenáře seznámit se základními vlastnosti vysokomolekulárního polyetylénu, možnostmi jeho modifikace a sterilizace. Důležitou částí je nastínění vývoje jednotlivých generací UHMWPE a rozdílů mezi nimi. Seznámení s nejnovějšími poznatky, obsaženými v této práci, by mělo pomoci operatérovi při volbě finálního výrobku tak, aby mohl minimalizovat riziko předčasného selhání kloubní náhrady. Klíčová slova: totální endoprotéza kloubu, UHMWPE, vysokomolekulární polyetylén, vitamin E, etylénoxid, síťování, tepelné úpravy
Summary: Total joint arthroplasty is an essential and crucial part of modern orthopedics. The improvements in surgical techniques and implant quality, the growing average age of patients, and higher demands of patients contribute to the increasing number of primary implantations of all major joints. In the last decade the authors have witnessed a massive increase in primary replacements of the hip and knee joint. Also the numbers of shoulder, ankle and elbow replacements have been growing. This resulted in a higher number of prosthetic reimplantations. This trend imposes even higher requirements on improving the quality of articulation materials used for joint replacement. Ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) is nowadays the most commonly used material of articulation components of the joint replacement. The quality of UHMWPE components is one of the key factors that influence the overall life of the prosthesis. In the field of orthopedics UHMWPE has been used since the 1960s. From the very beginning, the structure and properties of UHMWPE were a subject of scientific studies that led to the gradual improvement of the polymer performance and its in vivo lifetime. This work summarizes the information about both historical and recent UHMWPE components of joint replacements in the world, but also refers to research in the Czech Republic, which so far has been keeping pace with the latest world trends. The main objective of this review is to introduce the reader into the basic properties of high-molecular polyethylene, the possibilities of its modification and sterilization. The authors also explain the difference among various types and generations of UHMWPE. This information should help an orthopedic surgeon in choosing a particular type of UHMWPE so that the risk of early failure of joint replacement was minimized. Key words: total joint replacement, UHMWPE, ultra-high molecular weight polyethylene, vitamin E, ethylene oxide, annealing, remelting Ortopedie 2013;7:22-27.
22
ortopedie
Úvod V České republice se ročně implantuje kolem 20 tisíc náhrad velkých kloubů. Z toho více než 11 tisíc připadá na náhrady kyčelního kloubu a více než 7 tisíc připadá na kolenní kloubní náhrady. Provádí se i náhrady ramenního, loketního a hlezenného kloubu. Základním materiálem pro výrobu artikulačních komponent kloubních náhrad zůstává ultravysokomolekulární polyetylén (ultra-high molecular weight polyethylene, UHMWPE), díky své vynikající biokompatibilitě, dostatečně dobrým mechanickým vlastnostem (pevnost, houževnatost apod.) a výborným tribologickým vlastnostem (nízké tření a odolnost vůči otěru). Navzdory vynikajícím vlastnostem, téměř ideálním pro danou aplikaci, jsou UHMWPE komponenty nejslabším článkem kloubních náhrad. Důvodem je skutečnost, že při pohybu se z povrchu polymeru uvolňují značně komplikovaným abrazivně-adhezivně-únavovým mechanizmem mikroskopické (tzv. otěrové) částice (3, 5). Ačkoli je odolnost UHMWPE vůči otěru nadprůměrná (asi 4× vyšší než u běžných typů polyetylénu), nesmíme zapomínat, že kloubní náhrada zůstává v těle mnoho let, takže se nepříznivý efekt kumuluje. V důsledku uvolňování otěrových částic do okolí endoprotézy dochází k imunitní reakci, která vede k typické produkci otěrového granulomu a aktivaci osteoklastů (12, 13, 17, 18, 20). Aktivací osteoklastů dochází k resorpci kostní tkáně a dochází k uvolnění
endoprotézy s nutností reoperace (Obr. 1). Lze odhadnout, že kloubní náhrady založené na UHMWPE, které se začaly používat od 60. let minulého století, tvoří v současnosti více než 80 % všech náhrad, ačkoli dostupná data pro jednotlivé části světa, jednotlivé země a dokonce i jednotlivá zdravotnická zařízení v dané zemi se mohou značně lišit. Alternativní typy implantátů zahrnují především náhrady založené na tzv. párování dvou kovových povrchů (metal-on-metal) anebo keramických povrchů (ceramics-onceramics). Implantáty s párováním kov-kov jsou historicky nejstarší, byly zkoušeny již od 30. let minulého století (7, 15). V současnosti se implantují poměrně málo, zejména kvůli nejasnostem s biokompatibilitou velmi malých a tudíž velmi pohyblivých kovových otěrových nanočástic, které migrují po celém těle pacienta a mohou způsobovat nejrůznější a dosud ne zcela prozkoumané komplikace. I v České republice je patrný odklon od implantace založené na párování kov-kov. Nedávné stahování implantátu ASR firmy DePuy vyvolává další řadu otázek ohledně tohoto druhu párování. Implantáty s párováním keramika-keramika jsou naopak historicky nejmladší, datují se od 70. let minulého století (16). Mezi jejich často citované nevýhody patří křehkost keramiky, která může vést k náhlému selhání, zvukové fenomény při pohybu (squeaking) a většinou i vyšší cena. Naopak výhodou je velmi nízký otěr. Podle nejnovějších poznatků
Obr. 1 Perioperační fotografie aseptického uvolnění náhrady kolenního kloubu. Patrné jsou kostní defekty pod femorální komponentou a typický otěrový granulom v okolí kloubu.
1/2013
PŘEHLEDOVÉ ČLÁNKY
i klinických zkušeností se zdá, že hlavní problémy keramických kloubních náhrad se díky zlepšené kvalitě keramických materiálů podařilo z větší části vyřešit, ale zatím jen na poli kyčelních kloubních náhrad. Lze předpokládat, že keramické implantáty se budou v dohledné budoucnosti stále více uplatňovat, zejména u mladších nebo pohybově aktivních pacientů (Obr. 2). Náhrady využívající UHMWPE budou mít ale zatím nepochybně své pevné místo mezi stěžejními artikulačními materiály kloubních náhrad. Problematika kloubních náhrad je velmi komplexní, protože zahrnuje aspekty konstrukční (geometrie kloubních náhrad), materiálové (materiály použité pro výrobu kloubních náhrad, tj. kovové, keramické a polymerní komponenty), chemické (struktura materiálů pro kloubní náhrady a její cílená modifikace) i ortopedické (operační technika, přesnost implantace, zvolení optimálního párování apod.). Tento přehledový článek má za cíl seznámit čtenáře se základními informacemi i nejnovějšími výzkumy na poli UHMWPE komponent kloubních náhrad. Lze konstatovat, že průměrná životnost kloubních náhrad závisí na řadě faktorů (druh nahrazovaného kloubu, kvalita kloubní náhrady, zkušenost operatéra, individuální faktory pacienta, jako je např. hmotnost, pohybová aktivita atd.) a pohybuje se se značným rozptylem kolem deseti až dvaceti let. UHMWPE zůstává od 70. let klíčovým
Obr. 2 Příklad endoprotézy kyčelního kloubu firmy Lima Lto, využívající párování nejmodernějšího typu keramických artikulačních povrchů Biolox Delta
ortopedie
23
1/2013
REVIEW
UHMWPE Ozařování Tepelná úprava Sterilizace
1. generace ne ne gama záření
2. generace ano ano EtO nebo Plasma
3. generace ano + vitamin E ne vždy EtO nebo Plasma
Pozn. 1: Schéma je zjednodušené, ukazuje hlavní rozdíly mezi generacemi UHMWPE. Pozn. 2: Rozdíl mezi 2. a 3. generací UHMWPE je z hlediska výroby a vlastností malý. Pozn. 3: U 3. generace UHMWPE se zpravidla před/po ozařování používá vitamin E.
Relativní hodnoty vlastností
Tab. 1 Přehled modifikačních úprav a způsobů sterilizace jednotlivých generací UHMWPE; tabulka ukazuje typické postupy používané u jednotlivých generací, v dalších detailech zpracování se jednotlivé typy UHMWPE pro kloubní náhrady navzájem liší
100 80 60 40 20 0
1. generace UHMWPE
Odolnost vůči otěru
2. generace UHMWPE Odolnost vůči oxidaci
3. generace UHMWPE Mechanické vlastnosti
Tab. 2 Porovnání vlastností UHMWPE jednotlivých generací
materiálem pro výrobu artikulačních povrchů kloubních náhrad (22). Cílem výzkumu, probíhajícího po celém světě, je zvýšit životnost kloubních náhrad, a to zejména vhodnými úpravami vlastností polymeru UHMWPE. Je třeba si uvědomit, že snížení otěru na polovinu může znamenat prodloužení životnosti např. z 15 na 30 let. A to je většinou rozhodující pro podstatné snížení rizika nutnosti reimplantace. Úpravy zahrnují především síťování polymeru pomocí ionizujícího záření, kterým se navzájem propojují polymerní molekuly, a zvyšuje se odolnost vůči otěru. Dále se používají tepelné úpravy, jimiž se eliminují zbytkové radikály po ozařování, a zajišťuje se dlouhodobá oxidační stabilita polymeru. Závěrečným krokem úprav polymeru je vždy sterilizace, která je u implantátů nezbytná. V žádném z uvedených kroků nesmíme do polymeru zavádět žádné další chemikálie, aby se nenarušila medicinální čistota polymeru UHMWPE. V posledním desetiletí se objevila a prosadila jedna důležitá výjimka: do polymeru lze v určitých fázích modifikace přidávat neškodný přírodní stabilizátor – vitamin E. Každý z uvedených kroků závisí na řadě vnějších podmínek (např. radiační dávka, teplota, okolní atmosféra, čas a rychlost daného modifikačního kroku, typ sterilizace), takže na trhu je velmi široká paleta různých typů UHMWPE, které se mohou značně lišit
24
ortopedie
svými vlastnostmi, klíčovými pro délku přežití implantátu (zejména odolnost vůči otěru, dále odolnost vůči oxidativní degradaci a také další mechanické vlastnosti, jako je např. tuhost, pevnost apod.) (1, 8). UHMWPE v zásadě rozdělujeme do tří generací podle modifikačních úprav nebo způsobu sterilizace. V zahraniční literatuře se někdy pro první generaci UHMWPE užívá pojem nesíťovaný polyetylén. Síťovaný se pak rozděluje na síťovaný polyetylén první a druhé generace, které odpovídají v naší terminologii generaci druhé a třetí. První generace UHMWPE První generace UHMWPE představuje de facto panenský medicinální UHMWPE, který je pouze sterilizován, a to zpravidla standardním postupem - gama zářením s dávkou v rozsahu 25–40 kGy (tj. 2,5–4 Mrad). Síťování ani tepelné úpravy nejsou součástí výroby (Tab. 1). Pokud jde o sterilizaci, zpočátku, tj. v 60. letech, se používaly chemické způsoby sterilizace, např. pomocí aldehydů (glutaraldehyd, formaldehyd). O něco později, tj. zhruba od 70. let minulého století, se prosadila sterilizace gama zářením přímo na vzduchu (gama sterilization). V 90. letech vědci odhalili hlavní nevýhodu sterilizace gama zářením na vzduchu, a to snížení odolnosti materiálu vůči oxidativní degradaci. Místo ozařování na vzduchu
(in air) a uchovávání UHMWPE vložek ve standardních obalech (gas-permeable packaging) se přistoupilo k ozařování za omezeného přístupu vzduchu (low-oxygen atmosphere, inert atmosphere) a vložky se začaly balit do obalů dále omezujících přístup vzduchu (barrier packaging). Nevýhody sterilizace gama zářením vedly k zavedení i zcela nových sterilizačních postupů, zejména pomocí etylénoxidu (EtO sterilization) a plazmy (plasma sterilization). Tento vývoj nových metod sterilizace se už z větší části překrýval s vývojem UHMWPE druhé generace. Vlastnosti UHMWPE první generace jsou shrnuty v přehledné tabulce 2. Základní mechanické vlastnosti polymeru jsou téměř nezměněné oproti panenskému polymeru, protože struktura se cíleně nemodifikuje, pouze se polymer sterilizuje. Oxidační stabilita je snížená díky gama sterilizaci, která je pro tuto generaci UHMWPE typická. Hlavní příčinou nižší oxidační stability jsou tzv. zbytkové radikály, které po ozařování gama zářením vznikají. Tyto radikály reagují s kyslíkem, přičemž štěpí polymerní řetězce (14, 19, 21). Odolnost vůči otěru je velmi dobrá ve srovnání s ostatními polymery, ale je nižší ve srovnání s dalšími generacemi UHMWPE. První generace UHMWPE se používá od 70. let prakticky dodnes. Drtivá většina výrobců dnes již nepoužívá tradiční sterilizaci na vzduchu (sterilization in air, gas permeable packaging), ale sterilizují výrobky v balení zajišťující omezený přístup vzduchu (barrier packaging) nebo s inertní atmosférou (sterilization in low-oxygen atmosphere, inert atmosphere, vacuum). Tím se zajistí poněkud vyšší odolnost vůči oxidativní degradaci. Osvícenější výrobci kloubních náhrad na celém světě přešli nebo přecházejí na UHMWPE druhé či třetí generace. Druhá generace UHMWPE Výroba UHMWPE druhé generace je shrnuta v prostředním sloupci v přehledné tabulce 1 (Tab. 1). Jak již bylo uvedeno výše, zhruba v 90. letech vědci odhalili dvě hlavní nevýhody UHMWPE první generace: (i) sníženou odolnost vůči otěru a (ii) sníženou odolnost vůči oxidativní degradaci. Zvýšit odolnost vůči otěru se podařilo pomocí síťování ionizujícím zářením (za přesně definovaných podmínek, aby nedocházelo k nežádoucím vedlejším reakcím). Zvýšení odolnosti vůči oxidativní degradaci bylo
dosaženo tepelnou úpravou (likvidace zbytkových radikálů) a šetrnějšími způsoby sterilizace (EtO, plazma) tak, aby v materiálu radikály nevznikly v posledním sterilizačním kroku (4, 8, 10). Vlastnosti UHMWPE druhé generace jsou shrnuty v tabulce 2 (Tab. 2). Oproti polymeru 1. generace je materiál síťovaný pomocí ionizujícího záření, což při správném provedení (vhodná kombinace typu záření, radiační dávky, dávkové rychlosti, okolní atmosféry, teploty apod.) vede k podstatnému zvýšení odolnosti vůči otěru za cenu mírného snížení ostatních mechanických vlastností (např. pevnosti, tažnosti, houževnatosti, odolnosti vůči opakované zátěži). Dosavadní teoretické, experimentální i první klinické výsledky však ukazují, že rozhodující pro životnost kyčelních kloubních náhrad je právě odolnost vůči otěru, zatímco mírné snížení ostatních mechanických vlastností na ni nemá zásadní vliv. Dalším rozdílem oproti UHMWPE 1. generace je tepelná úprava, která se používá z důvodu likvidace zbytkových radikálů po ozařování. Tím se jednak významně zlepší odolnost vůči oxidativní degradaci, jednak dojde k dalšímu mírnému zhoršení mechanických vlastností. Opět platí, analogicky jako u ozařování, že pokud jde o celkovou životnost kloubních náhrad, podstatné zlepšení oxidační stability převáží nad vlivem mírného zhoršení mechanických vlastností, které jsou při správném provedení (teplota, rychlost ohřevu a chlazení, celkový čas ohřevu, okolní atmosféra apod.) stále ještě na dostatečné úrovni pro danou aplikaci. Posledním rozdílem ve srovnání s UHMWPE 1. generace je odlišný typ sterilizace. Zatímco u 1. generace se zpravidla používá ke sterilizaci ozařování ionizujícím gama zářením (které zanechá v polymeru zbytkové radikály snižující oxidační stabilitu), u 2. generace UHMWPE se zpravidla používají šetrnější postupy, jako je sterilizace pomocí EtO či plazmy (u nichž bylo prokázáno, že zbytkové radikály v měřitelné koncentraci neprodukují a další vlastnosti polymeru prakticky neovlivňují). Druhá generace UHMWPE byla zavedena do výroby kloubních náhrad na konci 90. let v USA. Postupně se prosazovala po celém světě a dnes už je de facto standardem. Třetí generace UHMWPE Výroba UHMWPE třetí generace je shrnuta v pravém sloupci v tabulce 1 (Tab. 1). Hlavním cílem při výrobě polymeru 3. generace je zachovat všechny výhody,
které přináší 2. generace oproti 1. generaci, a navíc ještě o něco zlepšit oxidační stabilitu a mechanické vlastnosti polymeru. V současnosti jsou z odborné literatury známy tři cesty výroby UHMWPE 3. generace (2, 6, 11): • Sekvenční ozařování UHMWPE spočívá v tom, že celková radiační dávka a celková tepelná úprava materiálu se rozdělí do tří kroků. Například místo standardního, jednokrokového ozáření UHMWPE celkovou radiační dávkou 90 kGy a celkové tepelné úpravy se postup rozdělí na tři ozáření po 30 kGy se třemi následnými tepelnými úpravami. Přitom se použije mírnější tepelná úprava spočívající v zahřátí polymeru těsně pod teplotu tání UHMWPE (tzv. annealing), který zhorší vlastnosti méně než častější zahřátí nad teplotu tání (tzv. remelting), ale neeliminuje všechny zbytkové radikály. Podle autorů má tento postup zachovat mechanické vlastnosti téměř na úrovni panenského polymeru a koncentrace zbytkových radikálů má být nepatrná (2). Experimenty nezávislých vědců, včetně řady experimentů provede ných na Ústavu makromolekulární chemie AV ČR, však některé závěry autorů sekvenč ního ozařování značně zpochybnily (9). • Ozařování UHMWPE smíchaného s vita minem E (blending with vitamin E). Do polymeru UHMWPE určeného pro medicinální aplikace (medical grade UHMWPE) se nesmí přidat žádná chemikálie kvůli případným rizikům v lidském organizmu. Jedinou výjimkou je přírodní stabilizátor – vitamin E. Toho využívá druhý způsob přípravy UHMWPE 3. generace, který zahrnuje tyto hlavní kroky: (i) už při výrobě polymeru se smíchá UHMWPE s určitou koncentrací vitaminu E (používá se kolem 1000 ppm, tj. 0,1 %), (ii) materiál s vitaminem E se za vhodných podmínek ozáří tak, aby bylo dosaženo síťování, přičemž zbytkové radikály jsou zlikvidovány přítomným vitaminem E, takže (iii) tepelná úprava v posledním kroku může být mírnější a (iv) nakonec se modifikovaný polymer šetrně sterilizuje stejně jako v případě 2. generace. • Ozařování UHMWPE následované difúzí vitaminu E (doping with vitamin E). Nejprve se standardní polymer UHMWPE ozáří za vhodných podmínek stejně jako v případě 2. generace, poté se do polymeru nechá za vyšší teploty difundovat vitamin E, a nakonec může následovat mírnější tepelná úprava a šetrná sterilizace.
1/2013
PŘEHLEDOVÉ ČLÁNKY
Vlastnosti UHMWPE třetí generace jsou shrnuty v tabulce 2 (Tab. 2). Je patrné, že rozdíl mezi druhou a třetí generací není příliš velký. Nicméně je zřejmé, že odolnost vůči otěru je stejně vysoká jako u druhé generace, oxidační stabilita je zpravidla o něco vyšší díky vitaminu E, a mechanické vlastnosti jsou rovněž o něco lepší díky šetrnějším tepelným úpravám v průběhu modifikací. U všech tří hlavních postupů výroby UHMWPE 3. generace je otázkou, jestli relativně malé zlepšení vlastností ve srovnání s druhou generací přinese podstatné zvýšení životnosti kloubních náhrad. Navíc u prvního postupu – sekvenčního ozařování – nebyly deklarované výsledky v nezávislých studiích potvrzeny. U zbylých dvou postupů, kde se využívá vitamin E, lze skutečně jisté zlepšení očekávat. Definitivní potvrzení všech teorií i laboratorních experimentů nicméně přinese až klinická praxe. Třetí generace UHMWPE se začala používat až na samém závěru prvního desetiletí tohoto století, zatím ji využívají tři významnější producenti kloubních náhrad. Rozdíly mezi druhou a třetí generací, jak už bylo několikrát zmíněno, nejsou příliš velké. Je tedy třeba provést v dohledné době další výzkum a srovnání prvních klinických výsledků, které odhalí reálné vlastnosti 2. a 3. generace UHMWPE in vivo. Nové typy UHMWPE ve světě a v ČR V předchozím textu byl stručně nastíněn vývoj, vlastnosti a použití hlavních typů a generací UHMWPE ve světě. Zde stručně pojednáme o tom, jak se tyto trendy projevily v rámci České republiky. Lze konstatovat, že jedním z hlavních českých výrobců kloubních náhrad je firma Beznoska s.r.o., které se zatím stále daří držet významnou část trhu na poli kloubních náhrad v Česku i na Slovensku. Je potěšitelné, že firma nepodceňuje vývoj a díky spolupráci s Akademií věd České republiky i univerzitami drží krok s nejnovějším vývojem ve světě. Historii vývoje moderních typů UHMWPE pro kloubní náhrady v ČR v rámci firmy Beznoska, jakožto nejvýznamnějšího domácího výrobce, lze ve stručnosti shrnout následovně: • 2000: Ve světě se na přelomu století začínají prosazovat nové síťované typy UHMWPE 2. generace. V ČR vzniká nový, multioborový výzkumný tým sestávající z odborníků z oblasti makromolekulární chemie a fyziky (Ústav makromolekulární chemie Akademie věd České republiky),
ortopedie
25
1/2013
REVIEW
ortopedie (1. Ortopedická klinika 1. LF UK a FN Motol), biochemie (katedra biochemie Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy) a výroby kloubních náhrad (firma Beznoska). Cílem týmu je zachytit nejnovější trendy v oblasti UHMWPE pro výrobu kloubních náhrad a vyvinout vlastní, síťovaný typ UHMWPE, srovnatelný se světovou konkurencí. • 2005: Ve světě se síťované typy UHMWPE stále více prosazují na trhu. V ČR je díky shora zmíněné spolupráci patentován postup výroby UHMWPE druhé generace. Přihlašovatelem patentu je Ústav makromolekulární chemie, vlastníkem licence se stává firma Beznoska. • 2006: Jako první krok je k výrobě nových typů UHMWPE ve firmě Beznoska zaveden moderní způsob sterilizace: namísto tradičního gama ozařování, které snižuje oxidační stabilitu polymeru, se začíná používat sterilizace etylénoxidem. • 2007: Ve světě většina hlavních producentů přešla nebo začala přecházet na síťované typy UHMWPE – tzv. 2. generaci UHMWPE. V ČR zavádí firma Beznoska vlastní typ síťovaného UHMWPE druhé generace na základě shora zmíněného patentu ÚMCH AV ČR. Pracovní označení nového polymeru je PE-IMC (PolyEthylene from Institute of Macromolecular Chemistry). PE-IMC se vyznačuje především zvýšenou odolností vůči otěru a používá se pro kyčelní kloubní náhrady, kde otěr hraje rozhodující úlohu. U kolenních kloubních náhrad, kde rozhodují též mechanické vlastnosti, se používá nový, ale nesíťovaný UHMWPE, u kterého se používá modernější způsob sterilizace pomocí etylénoxidu (ten je součástí výrobního procesu i pro PE-IMC). UHMWPE Firma a typ vzorku MediTECH, panenský UHMWPE PE-USA #1, síťovaný UHMWPE PE-USA #2, síťovaný UHMWPE PE-IMC, síťovaný dle patentu ÚMCH * * * *
• 2008: V České republice je dokončeno objektivní srovnání vlastností různých typů UHMWPE. Termín objektivní zde znamená, že testování bylo založeno výhradně na vlastních, nezávislých měřeních na ÚMCH AV ČR bez ohledu na firemní propagační materiály, které zpravidla nelze považovat za stoprocentně spolehlivý zdroj informací. Srovnání PE-IMC Beznoska s konkurenčními typy UHMWPE je znázorněno v tabulce 3 (Tab. 3). Bylo jednoznačně prokázáno, že námi vyvinutý typ UHMWPE (PE-IMC) má výrazně vyšší odolnost vůči otěru než panenský UHMWPE (PE). Navíc se ukázalo, že otěrová odolnost, oxidační odolnost a mechanické vlastnosti jsou plně srovnatelné se zahraniční konkurencí (materiály od nejmenovaných amerických výrobců, označené v tabulce jako PE-USA #1, PE-USA #2). Nezbývá než doufat, že na poli UHMWPE pro kloubní náhrady se v rámci ČR i nadále podaří držet krok se světovou konkurencí. Pokud by čeští výrobci kloubních náhrad přestali sledovat světové trendy a nevyvíjeli by stále nové typy UHMWPE pro kloubní náhrady se zvýšenou životností, lze předpokládat, že by v relativně krátké době z náročného trhu zcela zmizeli. To by mohlo vést k plné závislosti na dovozu kloubních náhrad ze zahraničí a přerušení tuzemského vědeckého výzkumu ve spolupráci s domácími firmami, čímž bychom se stali v této významné části ortopedické problematiky druhořadou zemí.
IR OxInd [ ] 0,00 0,24 0,11 0,03
VinInd [ ] 0,000 0,080 0,044 0,064
ESR [mol/g] ~0 < 1e-9 ~ 1e-8 ~0
IR = infračervená spektroskopie OxInd = oxidation index, oxidační index, míra oxidačního poškození materiálu VinInd = trans-vinylene index, trans-vinylenový index, přibližná míra zesíťování materiálu ESR = electron spin resonance, ESR spektroskopie zde: se udává koncentrace zbytkových radikálů v jednotkách [mol/g] SPT = small-punch tests, SPT testy PL = peak load, UL = ultimate load, UD = ultimate displacement PL, UL, UD velmi přibližně odpovídají mezi kluzu, pevnosti a tažnosti ze standardních tahových zkoušek POD = pin-on-disk, testování otěru metodou pin-on-disk zde: WR udává rychlost otěru v relativní škále, kde panenský UHMWPE má přiřazenu hodnotu 1 přesnost otěrových měření obecně dosti nízká, ale lze konstatovat, že všechny materiály vykázaly pokles
Tab. 3 Přehled výsledků analýzy nových UHMWPE komponent kloubních náhrad, charakterizující jejich vlastnosti
26
ortopedie
PL [N] 64 75 66 71
Závěry Z předchozího textu a seznamu citované literatury vyplývají tyto důležité závěry: 1. Hlavním materiálem pro výrobu kloubních náhrad zůstává polymer UHMWPE. 2. Existuje řada různých typů polymeru UHMWPE, které se mohou dosti výrazně lišit svými vlastnostmi. Často se hovoří o různých generacích UHMWPE. Označení generací není v literatuře ani v praxi zcela jednotné a jednoznačné, ale pro základní orientaci v problematice zpravidla postačuje rozdělení uvedené v této práci. 3. První generace UHMWPE se vyrábí bez cíleného síťování a tepelných úprav, používá se staršího typu sterilizace gama zářením. Polymer se vyznačuje dobrými mechanickými vlastnostmi, ale nižší oxidační stabilitou a relativně nižší odolností vůči otěru, který je považován za hlavní příčinu selhání kloubních náhrad. 4. Druhá generace UHMWPE se vyrábí pomocí síťování ionizujícím zářením a následných tepelných úprav, což vede k tzv. vysoce síťovanému polymeru. Používají se moderní typy sterilizace pomocí etylénoxidu nebo plazmy. U výsledného polymeru se mírně zhorší mechanické vlastnosti, ale výrazně se zlepší oxidační stabilita a odolnost vůči otěru, což podle všech dostupných poznatků, laboratorních experimentů i prvních klinických výsledků vede k vyšší životnosti kloubních náhrad. 5. Třetí generace UHMWPE je v současnosti předmětem intenzivního výzkumu. Vyrábí se pomocí nových postupů při síťování a tepelných úpravách, zpravidla s použitím stabilizujícího vitaminu E a moderních způsobů sterilizace. Výsledný SPT UL [N] 60 101 73 86
UD [mm] 4,5 3,6 4,0 4,1
POD WR [ ] 1,00 0,39 0,14 0,37
polymer by měl vykazovat všechny výhody UHMWPE druhé generace a navíc by měl mít poněkud lepší mechanické, zejména únavové, vlastnosti. Budoucnost ukáže, jestli i další zlepšení mechanických vlastností přispěje k dalšímu výraznému zvýšení životnosti kloubních náhrad. 6. Současné kyčelní kloubní náhrady jsou založeny především na UHMWPE první až třetí generace, ale používají se i náhrady keramické a kovové. Lze očekávat, že si v blízké budoucnosti UHMWPE udrží dominanci, ale u mladých nebo pohybově aktivních pacientů budou ve zvýšené míře požadovány kloubní náhrady založené na keramických materiálech, vyznačující se vyšší životností, ale i cenou. 7. Současné kolenní kloubní náhrady jsou založeny téměř výhradně na nesíťovaném UHMWPE (tj. polymer 1. generace), u kterého se ovšem využívá moderních sterilizačních postupů (charakteristických pro UHMWPE polymery 2. a 3. generace). Zdá se, že v nejbližší budoucnosti tomu nebude jinak. 8. Český UHMWPE druhé generace byl vyvinut a patentován ve spolupráci Ústavu makromolekulární chemie AV ČR (IMC) a firmy Beznoska s.r.o. Ve firmě Beznoska se zmíněný nový typ polymeru od konce r. 2007 používá pro výrobu kyčelních kloubních náhrad. Navíc byl moderní způsob sterilizace pomocí etylénoxidu zaveden i do výroby kolenních kloubních náhrad. Objektivní srovnání námi vyvinutého PE-IMC s jinými komerčně dostupnými, zahraničními typy UHMWPE ukázalo, že jeho vlastnosti jsou plně srovnatelné se zahraniční konkurencí. V praxi to znamená, že lze v České republice vyrábět nejmodernější typy kloubních náhrad světové úrovně.
Tato práce vznikla v rámci grantových projektů: TAČR - TA01011406 IGA - NT12229-4/2011 Research programme of Charles University P25/LF1/2 Literatura
1. Collier JP, Sperling DK, Currier J H, Sutula LC, Saum KA, Mayor M B. Impact of Gamma Sterilization on Clinical performance of Polyethylene in the Knee. J Arthropl 1996;11:377-389. 2. Dumbleton JH, et al. Highly Crosslinked and Annealed UHMWPE. In: Kurtz, S. M.: UHMWPE Biomaterials Handbook, second edition. London: Elsevier - Academic Press; 2009:212-217. 3. Fulín P, Pokorný D, Šlouf M, et al. Metoda MORF pro sledování velikostí a tvarů otěrových mikroa nanočástic UHMWPE v periprotetických tkáních. Acta Chir Orthop Traum Čech 2011;78:131-137. 4. Chiesa R, Tanzi MC, Alfonsi S, Paracchini L, Moscatelli M, Cigada A. Enhanced Wear Performance of Highly Crosslinked Uhmwpe for Artificial Joints. J Biomed Mater Res 2000;50:381-387. 5. Kurtz SM, et al. Contemporary Total Hip Arthroplasty: Hard-on-Hard Bearings and Highly Crosslinked UHMWPE. In: Kurtz, S. M.: UHMWPE Biomaterials Handbook, second edition. London: Elsevier - Academic Press; 2009:55-79. 6. Kurtz SM, et al. Vitamin-E-Blended UHMWPE Biomaterials. In: Kurtz, S. M.: UHMWPE Biomaterials Handbook, second edition. London: Elsevier Academic Press; 2009:237-246. 7. McKee GK, Watson-Farrar J. Replacement of arthritic hips by the McKee-Farrar prosthesis. J Bone Jt Surg 1966;48B:245-259. 8. McKellop HA, Shen FW, Lu B, Campbell P, Salovey R. Effect of Sterilization Method and other Modifications on the Wear Resistance of Acetabular Cups Made of Ultr-High Molecular Weight Polyethylene. A Hip-Simulator Study. J Bone Jt Surg 2000;82A:1708-1725. 9. Morrison ML, Jani S. Evaluation of Sequentially Crosslinked Ultra-High Molecular Weight Polyethylene. J Biomed Mater Res, Part B: Appl Biomater 2009;90B:87-100. 10. Oonishi H, Kadoya Y. Wear of High-Dose Gamma-
1/2013
PŘEHLEDOVÉ ČLÁNKY
IrradiatedPolyethylene in Total Hip Replacements. J Orthop Sci 2000;5:223-228. 11. Oral E, et al. Highly Crosslinked UHMWPE Doped with Vitamin E. In: Kurtz, S. M.: UHMWPE Biomaterials Handbook, second edition. London: Elsevier - Academic Press; 2009:221-233. 12. Pokorný D, Šlouf M, Dybal J, et al. New Metod for Quantification of UHMWPE Wear Particles around Joint Replacements. Acta Chir Orthop Traumatol Čech 2009;76:374-381. 13. Pokorný D, Šlouf M, Veselý F, et al. Distribuce otěrových částic UHMWPE v periprotetických tkáních u TEP kyčelního kloubu. Acta Chir Orthop Traumatol Čech 2010;77:87-92. 14. Premnath V, Harris WH, Jasty M, Merrill EW. Gamma Sterilization of Uhmwpe Articular Implants: An Analysis of the Oxidation Problem. Ultra High Molecular Weight Polyethylene. Biomaterials 1996;17:1741-1753. 15. Ring PA. Complete replacement arthroplasty of the hip by the ring prosthesis. J Bone Jt Surg 1968;50B:720-731. 16. Shikata T, Oonishi H, Hashimato Y, et al. Wear resistance of irradiated UHMW polyethylenes to Al2O3 ceramics in total hip prostheses. Trans of the 3rd Annu Meet of the Soc for Biomater 1977:118. 17. Sosna A, Radonský T, Pokorný D, Veigl D, Horák Z, Jahoda D. Polyetylénová choroba. Acta Chir Orthop Traumatol Čech 2003;70:6-16. 18. Šlouf M, Eklová S, Kumstátová J, et al. Isolation, Characterization and Quantification of Polyethylene Wear Debris from Periprosthetic Tissues around Total Joint Replacements. Wear 2007;262:1171-1181. 19. Šlouf M, Mikešová J, Fencl J, Synková H, Baldrian J, Horák Z. Impact of dose-rate on rheology, structure and wear of irradiated UHMWPE. J Macromol Sci Phys 2009;48:587-603. 20. Šlouf M, Pokorný D, Entlicher G, et al. Quantification of UHMWPE wear debris in periprosthetic tissues of hip arthroplasty: description of a new method based on IR and comparison with radiographic appearance. Wear 2008;265:674-684. 21. Šlouf M, Synková H, Baldrian J, et al. Structural Changes of UHMWPE after e-Beam Irradiation and Thermal Treatment. Journal of Biomedical Materials Research, Part B - Applied Biomaterials 2008;85B:240-251. 22. Waugh W, Charnley J. The man and the hip. New York: Springer; 1990.
ortopedie
27
