Untersuchung zum Langzeitverhalten von Haftvermittlern auf Silanbasis zur dauerhaften Befestigung von Knochenzement auf unterschiedlichen Implantatoberflächen

Abstract

Die Implantation von Endoprothesen der Hüfte ist eine der am häufigsten durchgeführten Operationen in Deutschland. Betrachtet man die Gründe für Revisionsoperationen zementierter Hüft-TEPs, so stellt die aseptische Lockerung die Hauptursache dar. Als Ätiologie dieser Lockerungen wird eine Schwächung des Verbundes und ein Verlust der Adhäsion zwischen Knochenzement und Implantatoberfläche angesehen, dessen Ursache möglicherweise hydrolytische Prozesse an der Grenzfläche sind. Praktikable und sinnvolle Verfahren zur Lösung dieses Problems existieren in der klinischen Praxis nach aktuellem Kenntnisstand bis heute jedoch noch nicht. Die vorliegende Arbeit wurde daher vor dem Hintergrund konzipiert, Haftvermittler auf Basis von Silanen zu entwickeln, um einen optimierten und vor allem langzeitstabilen Verbund zwischen Knochenzementen und metallischen Implantatoberflächen zu generieren. Für die Durchführung der Versuche wurden Prüfkörper aus Prothesenschäften, welche in der klinischen Praxis häufig Anwendung finden, mittels Wasserstrahltechnik geschnitten. Hierfür wurden Schäfte verwendet, die zum einen aus einer CoCr- und zum anderen aus einer Titan-Legierung bestanden. Die auf diese Weise primär erhaltenen Prüfkörper wurden alle poliert und, mit Ausnahme einer Versuchsreihe, vor der eigentlichen Silanbeschichtung immer frisch einem genau definierten Sandstrahlprozess unterzogen. Anschließend erfolgte die weitere spezielle Oberflächenbehandlung der jeweiligen Prüfkörper mit verschiedenen Beschichtungen, bestehend aus Metallalkoholaten und unterschiedlichen Silanen sowie auch mit einem konventionellen Metallprimer als Referenzmaterial, der in der Zahnmedizin routinemäßig im klinischen Alltag Anwendung findet. Abschließend wurde jeweils ein Knochenzement-Zylinder auf die Oberflächen der Prüfkörper unter genau definierten Bedingungen aufpolymerisiert. Im ersten Teil der Studie wurden zunächst Vorversuche durchgeführt, um die verschiedenen Beschichtungen bezüglich ihres Haftverbundes vergleichend zu untersuchen. Vor der Prüfung erfolgte die Lagerung der Prüfkörper unter verschiedenen Bedingungen. Zum einen wurden sie für 24 Stunden in destilliertem Wasser bei 37 °C gelagert, zum anderen wurden sie einem Kochtest bei 80 °C für 24 Stunden unterzogen. Der Kochtest sollte es ermöglichen, innerhalb eines Tages schnell und sicher eine deutlich längere Liegezeit bei 37 °C zu simulieren. Der zweite Teil der Studie bestand aus Langzeitversuchen, in denen die zwei besten und vielversprechendsten Silankombinationen gezielt weiter untersucht wurden. Die Lagerung erfolgte in isotonischer Kochsalzlösung bei 37 °C für 24 Stunden sowie für 180 Tage, um möglichst physiologische Bedingungen zu simulieren. Die Verbundfestigkeiten wurden immer mit einem klassischen Abscherversuch geprüft. In den Vorversuchen konnte mit einer Beschichtung aus einem Metallalkoholat und 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan (3-MPS) + 1,2-Bis(trimethoxysilyl)ethan (BTSE), insbesondere mit Ti-Prüfkörpern, im Vergleich zum konventionellen Metal Primer Z® ein deutlich stabilerer Verbund erzeugt werden (Metal Primer Z® vs. 3-MPS + BTSE; Ti 37 °C: 21,0 ± 2,3 MPa vs. 20,5 ± 4,3 MPa, p = 0,736; Ti 80 °C: 12,2 ± 3,8 MPa vs. 19,3 ± 3,0 MPa, p < 0,001). Auch zeigte sich, dass die Anwendung eines Metallalkoholats essentiell war, um einen optimierten und stabilen Verbund mit den untersuchten Silanhaftvermittlern zu generieren (keine Zwischenschicht vs. Metallalkoholat; 37 °C: 11,4 ± 4,6 MPa vs. 20,5 ± 4,3 MPa, p < 0,001; 80 °C: 5,6 ± 2,3 MPa vs. 19,3 ± 3,0 MPa, p < 0,001). Unter Anwendung des bifunktionellen Silans BTSE war eine Stabilitätserhöhung im Vergleich zu einem nur 3-MPS beinhaltenden Haftvermittler festzustellen (3-MPS vs. 3-MPS + BTSE; 80 °C: 16,0 ± 3,0 MPa vs. 19,3 ± 3,0 MPa, p = 0,042). Die Verwendung des Fluoroalkoxysilans (3,3,3-Trifluoropropyl)trimethoxysilan (FPTS) erbrachte im Vergleich zum Haftvermittler aus 3-MPS + BTSE keinen zusätzlichen Nutzen (3-MPS + BTSE vs. 3-MPS + BTSE + FPTS 20 %; Ti 37 °C: 20,5 ± 4,3 MPa vs. 21,9 ± 3,4 MPa, p = 0,333; 80 °C: 19,3 ± 3,0 MPa vs. 20,5 ± 2,1 MPa, p = 0,388). Mit polierten Prüfkörpern wurden mit der Silankombination 3-MPS + BTSE vergleichsweise deutlich niedrigere Verbundfestigkeiten erzielt, welche generell signifikant niedriger waren als die von identisch beschichteten, zuvor sandgestrahlten Prüfkörpern (sandgestrahlt vs. poliert; CoCr 37°C: 18,3 ± 3,8 MPa vs. 1,9 ± 1,1 MPa, p < 0,001; CoCr 80 °C: 17,3 ± 4,0 MPa vs. 0,7 ± 0,5 MPa, p < 0,001). In den Langzeitversuchen war für keinen der beiden Haftvermittler, 3-MPS + BTSE und 3-MPS + BTSE + FPTS 20 %, eine Reduzierung der Verbundfestigkeit nach 180 Tagen im Vergleich zu den jeweiligen Ausgangswerten nach 24 Stunden zu beobachten. Diese Beobachtungen wurden unabhängig voneinander bei beiden Metallen gemacht. Zudem waren unter gleichen Bedingungen bei der Betrachtung beider Metalle keine Vorteile durch das Fluoroalkoxysilan festzustellen. Die Verbundfestigkeiten der beiden Haftvermittler unterschieden sich zu keinem der beiden Messzeitpunkte signifikant voneinander (3-MPS + BTSE vs. 3-MPS + BTSE + FPTS 20 %; Ti 24 h: 25,7 ± 2,9 MPa vs. 24,0 ± 2,5 MPa, p =0,163; Ti 180 d: 24,0 ± 3,8 MPa vs. 23,5 ± 2,3 MPa, p = 0,704; CoCr 24 h: 24,6 ± 3,6 MPa vs. 24,1 ± 4,9 MPa, p = 0,758; CoCr 180 d: 22,1 ± 5,1 MPa vs. 23,5 ± 4,1 MPa, p = 0,447). Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass mit Haftvermittlern auf Basis von Silanen optimierte und vor allem langzeitstabile Verbunde zwischen Knochenzement und metallischen Implantatoberflächen erzeugt werden können. Die Anwendung eines Metallalkoholats war für das Erreichen dieses Ergebnisses zwingend erforderlich. Diese vielversprechenden Beobachtungen und Resultate waren jedoch nur mit sandgestrahlten und nicht mit polierten Prüfkörperoberflächen zu erreichen. Im Vergleich zu den Ergebnissen der durchgeführten Langzeitversuche erwies sich der Kochtest als valide Methode, um das Langzeitverhalten der Haftvermittler abschätzen zu können.