Zirconiumdioxyde en Gedeeltelijk Gestabiliseerd Zirconiumdioxyde als Orthopedisch Biologisch Materiaal - Kenmerken, Eigenschappen

De productie van corpusculair slijtagepuin van is implant materialen en verdere osteolysis gezien als de belangrijkste oorzaak van mislukking op lange termijn in totale heupvervanging. De basisstrategie heeft die het probleem van osteolysis aan te pakken het aantal polyethyleendeeltjes moeten verminderen door de materialen aan de articulerende oppervlakten worden geproduceerd te verbeteren. Het gebruik van een ceramisch dijhoofd is bepleit vooral in jonge actieve patiënten omdat het minder die polyethyleenslijtage veroorzaakt met een conventioneel metaal dijhoofd wordt vergeleken. Nochtans, werden een aantal pogingen gemaakt om het gebruik van polyethyleen door het gebruik van metaal-op-metaal en ceramisch-op-ceramische paren te elimineren.

Maakten de Gedeeltelijk gestabiliseerde zirconiumdioxyde dijhoofden omhoog ongeveer 25% van het totale aantal verrichtingen per jaar in Europa, en 8% van de heupimplant procedures in de V.S. Men heeft gerapporteerd dat meer dan 400.000 gezamenlijke dijhoofden van de zirconiumdioxydeheup sinds 1985 tot 2001 zijn geïnplanteerd. De Meeste zirconiumdioxyde dijhoofden (tetragonaal polycrystal zirconiumdioxyde, TZP) bestaat uit 97 mol%ZrO₂ en 3 mol%YO₂₃.

Hoewel niet helemaal zo hard zoals alumina, het gedeeltelijk gestabiliseerde zirconiumdioxyde bezit nog uitstekende slijtageweerstand en voor gelijkaardige orthopedische toepassingen als alumina gebruikt. De tarieven van de Slijtage van UHMWPE tegen gedeeltelijk gestabiliseerd zirconiumdioxyde zijn gevonden laag om te zijn dusdanig dat tribological puin genoeg geen probleem in klinische toepassingen zou zijn.

De Gepubliceerde resultaten wijzen erop dat het gebruik van een ceramisch-ceramisch dij hoofd/acetabular kopsysteem over systemen voordelig is ceramic/UHMWPE aangezien het polymere slijtagepuin wordt vermeden. In feite rapporteerden Chevalier en de medewerkers, in 1997 dat de coëfficiënt van wrijving tussen een alumina kop en een zirconiumdioxydehoofd veel lager was dan ceramisch tegen UHMWPE en de resulterende slijtage tussen de twee componenten bijna nul was. Het Recente werk door Clarke et al. (2000) op verbinding van dijhoofden in totale heupvervanging die (THR) heupsimulators met alpha--kalfsserum gebruikt als smeermiddel, heeft waar alumina/alumina, het zirconiumdioxyde/alumina, en het zirconiumdioxyde/de zirconiumdioxydeparen werden onderzocht aangetoond dat de slijtagetarieven die zirconiumdioxyde/zirconiumdioxyde gebruiken een milde run-in fase in tegenstelling tot een duidelijkere run-in fase tentoonstellen. Terwijl zirconiumdioxyde/alumina de slijtage, waar het zirconiumdioxyde het hoofd en voeringsalumina was toonde openbaarden weinig gewichtsverlies en lineair alumina een typische die run-in fase door het verlies van het regelmatige staatsgewicht wordt gevolgd. De studie heeft belofte voor hard/hard THR systemen geopenbaard waardoor de slijtagetarieven drie keer minder in grootteorde wanneer vergeleken bij polyethyleenkoppen waren. De studie heeft alpha--kalfsserum bij een 50% concentratie aangewend waardoor de meeste andere gepubliceerde studies gebruikend of water of zoute oplossing werden uitgevoerd, dat aan de prestaties van ceramische in kwestie vrij schadelijk kunnen zijn.

Ceramische hebben implants van het Zirconiumdioxyde op de een of andere manier een controversiële geschiedenis betreffende hun fasemetastability, degradatie in watersmeermiddelen in simulatiestudies en invloed op wrijving en slijtagefenomenen gehad. Op een Japanse orthopedische vergadering in 1988, de orthopedische groep van Bologna, rapporteerde Italië dat de slijtage van zirconiumdioxyde-op-zirconiumdioxyde 5.000 keer slechter dan alumina-op-alumina is. Terwijl het zirconiumdioxyde in dergelijke studies uit vier verschillende bronnen kwam, scheen de uniformiteit in deze studies om het gebruik van water te zijn als testsmeermiddel.

Het smeermiddel in laboratoriumevaluatie wordt gebruikt van totale heup gezamenlijke vervangingen (THR) is getoond om de slijtageresultaten beduidend te beïnvloeden dat. Diverse studies zijn uitgevoerd met succes met water, zoute, en serumsmering van alumina-op-alumina lagers. Nochtans met zirconiumdioxyde-op-zirconiumdioxyde hebben de tests in water constant catastrofale resultaten getoond terwijl het serum goede resultaten heeft aangetoond. Één dergelijke studie door Oonishi en de medewerkers toonden aan dat de ballen y-TZP van tetragonale aan monocliene fase wanneer in werking gesteld met zout in een heupsimulator omzetten.

Het Yttrium stabiliseerde tetragonaal polycrystalline zirconiumdioxyde (y-TZP) heeft een fijne korrelgrootte en aanbiedt de beste mechanische eigenschappen. Lage de polycrystal temperatuurdegradatie van tetragonaal zirconiumdioxyde is gekend om als resultaat van de spontane fasetransformatie van het tetragonale zirconiumdioxyde aan monocliene fase tijdens het verouderen bij 130-300°C misschien binnen watermilieu voor te komen. Men heeft gerapporteerd dat deze degradatie tot een daling van sterkte toe te schrijven aan de vorming van microcracks en begeleidende fasetransformatie leidt.

Er zijn ook klinische die studies beschikbaar op zirconiumdioxydeballen met alumina koppen met uitstekend resultaat worden gecombineerd op korte termijn. Nochtans, hebben de eigentijdse klinische studies van zirconiumdioxyde op polyethyleen gemengde resultaten getoond. Gezien deze enigszins tegenstrijdige resultaten tussen laboratorium en klinische studies, Clarke et al. bestudeerde de slijtage van zirconiumdioxyde-op-zirconiumdioxyde lagers in zowel water als serum en analyseerde het puin en zirconiumdioxydeimplants gebruikend de Spectroscopie van de Microsonde Raman. De watersmering resulteerde in een slijtage over 10.000 keer groter dan met serumsmering. De slijtage van zowel zirconiumdioxyde dijhoofd als kop in watersmering toonde een hoog gewichtsverlies van 28mg na slechts 6.100 cycli. In tegenstelling, had de zirconiumdioxydeslijtage met serumsmering een gewichtsverlies van slechts 0.74mg na 20 miljoen cycli. Dit verschil tussen de twee smeermiddelen was ook verschillend in de micro-slijtage van de baloppervlakten. Met serum, er nog sommige originele te zien machinesporen waren; met water was er totale oppervlakteverstoring. De grootte van het slijtagepuin strekte zich van 0.38 uit tot 16.8 microns die van 1.80 microns het gemiddelde nemen. De Analyse van het puin door Raman de spectroscopie toonde aan dat het puin bijna uitsluitend monocliene fase was. Daarom leidde de simulator met watersmering tot uitgebreide transformatie van het zirconiumdioxyde. Nochtans, onder serum conditioneert het smeermiddel deze die transformatie voorkwam niet en de slijtageoppervlakte zeer weinig bewijsmateriaal van slijtage wordt getoond zelfs bij 20Mc. Dit illustreerde dat de aangewezen keus van een gezamenlijke analoge vloeistof voor bevredigende slijtagetests van kapitaal belang was. Metastability van ceramische y-TZP wordt zeer beïnvloed door vochtigheid en hoge temperaturen en kan ook geactiveerde spanning zijn. Gebaseerd op dit verschil in smeermiddelprestaties Clarke et al. stipuleerde dat de serumproteïnen of een efficiënte stevige smeermiddelfilm tussen de zirconiumdioxydeoppervlakten vormden of handelden om een adequate levering van vochtigheid op te sluiten die effectief de wrijving tussen zich het verzetten van zirconiumdioxydeoppervlakten verminderde. Hun studie openbaarde het dramatische effect dat de serumproteïnen aan de lageroppervlakte hadden die zeer het slijtage-tarief van zirconiumdioxyde vermindert.

Men heeft wijd aanvaard dat om de levensduur van totale heupvervangingen te verbeteren, het ook noodzakelijk is om de recente complicaties op te lossen verbonden aan implant bevestiging en polyethyleenslijtage. Het werd gemeld door Woolson et al. dat het gemiddelde slijtagetarief van polyethyleen tegen 28mm hoofden CoCr 0.14mm/year bij de gemiddelde follow-up van 5.7 jaar in cementless totale heuparthroplasties was (prothesen Harris-Galante). Hoewel het huidige slijtagetarief (0.140mm/year) aan de gemelde waarde bijna gelijk is, huidige zou de zirconiumdioxyde-op-polyethyleen combinatie aan het coCr-op-Polyethyleen in verband met de volumetrische slijtage wegens de verschillende grootte van gebruikte hoofden superieur zijn. Aangezien het slijtagetarief van metaal-gesteund polyethyleen over het algemeen om zeer door het polyethyleen neigt worden beïnvloed sluip acetabular metaalshell in het bijzonder bij de korte follow-upduur binnen, kan het huidige slijtagetarief bij de langere follow-upduur lager worden.

In de geschiedenis van zirconiumdioxydeimplants, was de meest verwoestende historische gebeurtenis de introductie van zogenaamde „Th-Zirconiumdioxyde“ implants in 1998. Deze „Th-Bal“ breukgeschiedenis terwijl het een kleine (negen partijen) maar catastrofale ervaring van de breuken van de zirconiumdioxydebal in patiënten vertegenwoordigt, het was uniek aan één ceramisch bedrijf en één productieproces. Sinds eind 2000, zijn 317 hoofdbreuken gemeld in deze implants. Sinds Augustus 2001, heeft het bedrijf in kwestie niet meer implants voor medische toepassingen gemaakt.

Ondanks vroeg het beloven van resultaten, zijn er belangrijke zorgen betreffende het bovengenoemde degradatiefenomeen verbonden aan de tetragonaal-aan-monocliene fasetransformatie in de waterige omstandigheden op lange termijn zoals in vivo ontmoet die geweest.

De Meeste huidige fabrikanten van zirconiumdioxyde dijhoofden hebben het conventionele zirconiumdioxyde, verbeterd om implants met verhoogde sterkte en een veel hogere weerstand tegen de fasetransformatie in fysiologisch milieu te produceren. Het werd gemeld door Nakamura et al. dat in heup de simulator bestudeert is de polyethyleenslijtage tegen het betere zirconiumdioxydehoofd veel lager dan dat het dijhoofd Co-Cr. Wanneer gearticuleerd met hoogst dwars verbonden polyethyleen, niet alleen toonden de zirconiumdioxydehoofden maar ook de hoofden Co-Cr zeer lage slijtagetarieven. Nochtans, omdat het zirconiumdioxyde kras-meer bestand is dan Co-Cr, stelde men voor dat het geschiktere implant voor het klinische gebruik op lange termijn zou zijn.

Onlangs degradatie-vrije nieuwe zijn de zirconiumdioxyde-alumina samenstellingen gemeld; TZP/alumina samenstelling (80% TZP van [90 mol% samenstelling₂ zrO-6₂₃ mol%YO-4₂₅ mol%NbO] en 20% AlO₂₃). Een Andere potentiële die samenstelling van 70 die vol%TZP wordt samengesteld (met 10mol%CeO wordt gestabiliseerd₂) worden, en 30vol%AlO₂₃ en 0.05mol%TiO₂ momenteel onderzocht in Japan.

Kim et al. rapporteerde onlangs dat de ceramische sterkte van zirconiumdioxyde (Y, Nb) - TZP was lager dan dat van 3Y-TZP. Nochtans, verhoogde de toevoeging van % vol. 10 van₂₃ AlO zowel de sterkte als de hardheid van (Y, Nb) - TZP Het verder werd gerapporteerd dat de verbetering van de sterkte toe te schrijven en hoofdzakelijk gedeeltelijk toe te schrijven aan de verhoging van de hardheid volgens de lineaire elastische breukwerktuigkundigen aan de verbetering van de korrelgrootte van (Y, Nb) is - TZP aangezien de alumina deeltjes zich als inhibitor voor de overdreven korrelgroei van de zirconiumdioxydekorrels tijdens het sinteren gedragen.

De verhoging van de hardheid is van de bijdragen van de fasetransformatie die hardt die, door de overblijvende spanning als resultaat van de thermische uitbreidingswanverhouding worden verbeterd tussen het zirconiumdioxyde en de alumina deeltjes, en barst het overbruggen het harden door de alumina deeltjes het gevolg.

Implant de stabiliteit is kritiek in het verkrijgen van goed succes op lange termijn van totale gezamenlijke vervangingen. Het Verlies van of biologische of cementbevestiging kan tot versnelde slijtage, pijn, verlies van functie, of zelfs breuk van implant leiden, elk waarvan revisiechirurgie kon potentieel vergen. De sterkte van de Bevestiging kan worden verhoogd door te gebruiken macrotextured (poreuze of geweven) oppervlakten, die het potentieel voor mechanische koppeling bij de interface verbeteren.

Het Geoxydeerde zirconium, een materiaal introduceerde onlangs voor orthopedische dragende toepassingen (Oxininium ^TM, Smith & Neef, Inc., Memphis, TN) en werd gemeld om voordelige slijtage en schuringsweerstand te hebben. Deze nieuwe generatieimplants kunnen niet gemakkelijk worden verwerkt gebruikend traditionele poreuze deklaagtechnieken. Daarom werd een alternatieve chemische methode van de oppervlaktetexturering gebruikt. Het Chemische textureringsprocédé is gebruikt klinisch op Ti6Al4V de totale componenten van de heupvervanging om tot de oppervlaktemorfologie te leiden geschikt voor been ingrowth. Deze die textureringsmethode, commercieel als ChemTex ® 5-5-5 (CYCAM, Inc., Houston, PA) wordt gekend, en een pas ontwikkeld chemisch die textureringsprocédé, commercieel als Tecotex ® 1-103 (Tecomet, Woburn, DOCTORANDUS IN DE LETTEREN) wordt gekend werden, geselecteerd om macro-geweven oppervlakten (R >_max 0.4 mm) op een zirconiumlegering (Zr2.5Nb) te veroorzaken. Deze geweven oppervlakten zijn later geoxydeerd om een harde ceramische laag uniform ongeveer 5 µm over de volledige oppervlakte dik te vormen, die hoofdzakelijk uit monoclien zirconiumdioxyde bestaat.

Nota: Een volledige lijst van verwijzingen is beschikbaar door naar de oorspronkelijke tekst te verwijzen.