Haftung von Knochenzement auf keramischen Oberflächen – Deaktivierung
der Oberfläche als wirksame Retentionsfläche für Knieendoprothesen durch die
Adsorption von atmosphärischem Wasser
Authors: Marx Bernd , Kerschbaum Philip , Lindlahr Stephanie , Marx Rudolf , Reisgen Uwe , Wirtz Dieter 
Published: November 2017

Studienziel CoCrMo-Legierungen sind kontraindiziert bei Allergikern. Für
diese Patienten sind im Hüftbereich zementfreie und zementierte Prothesen aus
nicht allergenen Titanlegierungen verfügbar. Knieendoprothesen aus dieser
Legierung, insbesondere auch die Tibiateile dieser Prothesen, können im
Zusammenwirken mit dem UHMWPE-Inlay (Kunststoffgleitschicht) ein problematisches
Abriebverhalten zeigen. Deshalb sind im Kniebereich zementierte Endoprothesen
aus ebenfalls nicht allergener Oxidkeramik sinnvoll, besonders wenn es sich um
eine „mobile-bearing“-Prothese handelt. Knochenzement hat zu einer
Keramikoberfläche eine deutlich geringere Retention als zu einer
Metalloberfläche, insbesondere wenn die Metalloberfläche für zusätzliche
mechanische Adhäsion texturiert ist. Durch Raustrahlen erzeugte Texturen auf
einer keramischen Oberfläche sind wegen des Sprödbruchverhaltens von Keramik
nicht sinnvoll. Mangelnde Retention des Knochenzements auf der Keramikoberfläche
begünstigt Mikrobewegungen der Prothese, die das Risiko des „Debonding“ erhöhen.
Eine Silikat-/Silanbeschichtung kann durch spezifische Adhäsion die Retention
auch ohne Texturen gegen hydrolytische Degradation stabilisieren und so
„Debonding“ verhindern; allerdings setzt diese spezifische Adhäsion die
Aktivierung der Oberfläche, also die Desorption der an der Oberfläche
adsorbierten Wassermoleküle voraus.

Methode Gegenstand der Untersuchungen ist eine Kompositkeramik mit einer
Aluminiumoxidmatrix, die mit Zirkoniumoxid und Stängelkristallen (Platelets)
verstärkt ist (Zirkoniumoxid- und Platelet-verstärktes Aluminiumoxid: ZPTA:
BIOLOX®delta, CeramTec GmbH, Plochingen). Durch die
Umwandlungsverstärkung von Zirkoniumoxid und dem zusätzlichen
Rissablenkungsverhalten der Stängelkristalle kombiniert der Werkstoff so die
sehr geringe Abriebrate von Aluminiumoxid mit der hohen Festigkeit und
Bruchzähigkeit von Zirkoniumoxid. Um die Wirksamkeit der Aktivierung durch
thermische Oberflächenbehandlung und anschließender PVD-Beschichtung mit Silikat
zu untersuchen, wurde die auf ihre Haftfestigkeit zu untersuchende
Keramikoberfläche von ZPTA-Prüfkörpern durch Ausheizen oberflächenaktiviert.
Nach ihrer Silikat-/Silanbeschichtung wurden auf die scheibenförmigen
Keramikprüfkörper TiAlV-Sonden (Durchmesser 6 mm) als Stirnzugprüfkörper
zentrisch aufzementiert (Abfolge: keramisches Substrat, Silikat-/Silanauftrag,
PolyMA-Schutzschicht, Knochenzement, TiAlV-Sonde). Im Stirnzugversuch wurde die
Haftfestigkeit bestimmt. Dabei stand die Frage im Vordergrund, bei welcher
Mindesttemperatur die Aktivierung durch Ausheizen erfolgen muss.

Ergebnisse Die Haftfestigkeit auf den bei unterschiedlichen Temperaturen
ausgeheizten ZPTA-Oberflächen erwies sich als eindeutig abhängig von der
Ausheiztemperatur. Ab einer Ausheiztemperatur von etwa Ts ≈ 350 °C nimmt die
Haftfestigkeit bei den silikatbeschichteten Oberflächen stufenförmig zu. Die
beobachtete Haftfestigkeit ist vor der Stufe ≤ 20 MPa und sie ist nach der Stufe
≥ 30 MPa.

Schlussfolgerung Die Oberflächenaktivierung durch Ausheizen führt nur dann
zu hohen Haftfestigkeiten, wenn diese Aktivierung bei Temperaturen T ≥ Ts
erfolgt. Die untersuchte Oxidkeramik in Verbindung mit einer anschließenden
Silikatbeschichtung zeigt dann eine Retention zum Knochenzement, die klinisch
ausreichend sein sollte, um haftungsbedingte Migration, Mikrobewegung und
haftungsbedingtes „Debonding“ zu unterbinden. Die klinische Relevanz dieser
Aussage muss durch klinische Prüfungen verifiziert werden.