Einleitung: Zunehmende Erstimplantationen bei jüngeren Patienten, eine steigende Lebenserwartung und ein höherer Mobilitätsanspruch im Alter stellen besondere Anforderungen an die Langlebigkeit implantierter Endoprothesen. Neuartige Keramik-Keramik-Gleitpaarungen besitzen verbesserte tribologische Eigenschaften und werden bisher in Form von Kugelköpfen und Pfanneninserts mit metallischen Prothesenanteilen kombiniert. Die zusätzliche Beschichtung der Keramikoberfläche mit bioaktiven Substanzen ist ein vielversprechendes Verfahren, um die unmittelbare Verbindung zum umgebenden Knochengewebe zu fördern und so den Einsatz der Keramik in direktem Knochenkontakt zu ermöglichen. Dazu wurden vier unterschiedliche bioaktive Beschichtungen auf Implantate aus „zirconia-toughened-alumina“-Keramik (ZTA) aufgetragen und biomechanisch auf ihre Integration im trabekulären Knochen des Schafs getestet.
Material und Methode: Zehn adulte, weibliche Merino-Mix-Schafe erhielten jeweils vier zylindrische Probekörper aus ZTA-Keramik (Fa. CeramTec GmbH, Lauf, Deutschland) mit texturierter Oberfläche (47 %, 200-500 µm Porengröße) mittels Press-Fit-Technik in den trabekulären Knochen des proximalen und distalen linken Humerus sowie beider Femurkondylen implantiert. Untersucht wurden eine kovalent gebundene Molekülschicht aus Phosphat-ähnlichen Gruppen (CM), eine submikrone Hydroxylapatitbeschichtung (HA), ein mittels Dipping-Verfahren aufgetragenes 45S5 Bioglas (DipBG), ein 70S30C Bioglas aus dem Sol-Gel-Verfahren (SGBG) sowie eine unbeschichtete Kontrolle (NC). Nach zwölf Wochen Einheilungszeit wurde die knöcherne Verankerung der 40 Probekörper (n = 8 pro Gruppe) im biomechanischen Push-Out-Test quantifiziert und die Parameter Maximalkraft (Fmax), Steifigkeit (S), Haftscherfestigkeit (TH), Reibspannung (TR), Gesamtarbeit (WGes), Arbeit bis zum Bruch (WBruch) und Energiefreisetzungsrate des Bruchvorgangs (G) bestimmt. An acht Implantaten wurde zusätzlich im Kadaver die Maximalkraft der Press-Fit-Implantation im jeweils kontralateralen Knochen gemessen. Die Ergebnisse der Beschichtungsgruppen wurden sowohl untereinander als auch mit denen der unbeschichteten Kontrollgruppe verglichen (ANOVA, Post-Hoc-Test Dunett-T3).
Ergebnisse: Die unbeschichtete Kontrollgruppe zeigte nach zwölf Wochen Einheilung eine signifikante Steigerung der Maximalkraft im Vergleich zur Press-Fit-Implantation am Kadaver. Sie erreichte im Push-Out-Test eine durchschnittliche Fmax von 2625 ± 1868 N bei einer mittleren TH von 7,91 ± 4,48 MPa. Die CM- sowie die HA-Gruppe erzielten bei allen Parametern des biomechanischen Push-Out-Tests mit Ausnahme von WGes im Mittel höhere Werte als die Kontrollgruppe. Die Mittelwerte beider Biogläser lagen dagegen bis auf TR stets unter den Werten der Kontrollgruppe. Statistisch signifikant war dieser Unterschied zwischen der HA- und SGBG-Gruppe in Fmax, TH, WGes, WBruch und G. Im Vergleich zur Kontrollgruppe ergab sich kein statistisch signifikanter Unterschied.
Schlussfolgerung: Die ZTA-Keramik mit texturierter Oberfläche war nach zwölf Wochen stabil in den trabekulären Knochen integriert. Eine Beschichtung der Implantatoberfläche mit CM bzw. HA führte zu einer verbesserten biologischen Integration, während beide Biogläser als Oberflächenmodifikation keinen positiven Einfluss auf die Osteointegration zeigten.
Background: Due to rising rates of primary implantations in young patients, an increasing life expectancy and higher mobility demands of elderly people, there is an increasing need for longevity of joint endoprotheses. New ceramic-on-ceramic bearings show improved tribological properties and are currently used as ball heads and cup inserts. An additional surface treatment with bioactive coatings is a promising option to enhance the implant-bone-interface and may allow the application of ceramic implants in direct bone contact. In the present study four different bioactive surface coatings were applied on zirconia-toughened alumina (ZTA) ceramic implants to investigate their biological integration into trabecular bone.
Methods: Rough-surfaced cylindrical ZTA ceramic implants (CeramTec GmbH, Lauf, Germany) were implanted press-fit and left-sided into the proximal and distal humerus and into both femur condyles of ten adult female merino-mix-sheep. A layer of covalently coupled molecules containing phosphate-like groups (CM), a submicron hydroxylapatite layer (HA), a 45S5 bioglass applied by a dipping technique (DipBG) and a 70S30C bioglass applied using a sol-gel technique (SGBG) were used as surface coatings and compared to an uncoated control group. Twelve weeks after surgery, the osseous integration of 40 test cylinders (n = 8 per group) was quantified using biomechanical push-out tests. Maximum push-out force (Fmax), stiffness (S), adhesive shear strength (TH), shear stress by friction (TR), total energy (WGes), energy to failure (WBruch), and energy release rate (G) were recorded. Additionally, Fmax was recorded for eight further test cylinders after press-fit implantation in cadaveric contralateral bone. The results of the four coating groups were compared amongst themselves and with the uncoated control group (ANOVA, Post-Hoc-Test Dunett T3).
Results: Twelve weeks post implantation, uncoated controls showed statistically significantly higher maximum push-out forces compared to press-fit implantation in cadaveric bone, achieving an average maximum push-out force of 2625 ± 1868 N and an average adhesive shear strength of 7.91 ± 4.48 MPa. For all parameters except WGes, both CM and HA achieved higher mean values compared to uncoated controls. Contrarily, both bioglasses always provided lower mean values except TR. This difference was statistically significant between HA and SGBG for Fmax, TH, WGes and G. In comparison with the control group no statistically significant differences were found.
Conclusion: Rough-surfaced ZTA ceramic test implants demonstrated solid mechanical stability in trabecular bone twelve weeks post implantation. An additional surface-coating with CM or HA resulted in enhanced osteointegration, while both bioglass coatings showed no positive effect.
