Restpartikelfreie Oberflächen nach Stahlkugelstrahlen modularer Hüftendoprothesen sind erreichbar

Zusammenfassung

Einleitung: Das Strahlen mit Stahlkugeln zur Induktion von Druckeigenspannungen wird bei der Fertigung von Konussteckverbindungen modularer Hüftendoprothesen angewendet, hierbei verbleiben jedoch unerwünschte Restpartikel, die zum einen potenziell zu einer erhöhten Korrosion im Sinne des Dreikörperverschleißes führen können, zum anderen gemäß der EU-Norm EN 12010 untersagt sind. Ziel dieser Arbeit ist die Darstellung unterschiedlicher Reinigungsverfahren von stahlkugelgestrahlten Oberflächen, um die Vorgabe der EU-Norm vollständig zu erfüllen. Material und Methode: Es wird jeweils die Oberfläche von 12 stabförmigen Probekörpern aus der Titanlegierung TiAl6Nb7 von 15 mm Durchmesser mit Stahlkugeln GS VERA, Fa. Würth, Bad Friedrichshall gestrahlt. Die Detektion von Strahlgutrückständen auf den Probekörperoberflächen erfolgte mit Hilfe eines Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops (LEO 1525) mit Rückstreuelektronendetektor. Nach der Untersuchung der Oberfläche im Rasterelektronenmikroskop wurden je ein Probekörper mit Trockeneisstrahlen bzw. mit Zuckerstrahlen und 10 Probekörper pH-Wert abhängig gereinigt und die Oberflächen erneut im Rasterelektronenmikroskop auf Stahlrückstände untersucht. Ergebnisse: Die Oberflächen aller Probekörper waren nach dem Stahlkugelstrahlen mit Stahl kontaminiert, nach dem Trockeneisstrahlen bzw. Zuckerstrahlen war der Stahlanteil zwar deutlich reduziert, jedoch waren nur nach dem pH-Wert abhängigen Reinigungsverfahren keinerlei Rückstände mehr zu detektieren. Diskussion: Die EU-Norm EN 12010 kann vollständig für glatt gestrahlte Oberflächen mit induzierten Eigenspannungen nach dem Stahlkugelstrahlen und anschließendem pH-Wert abhängigen Reinigungsverfahren in der modularen Hüftendoprothetik umgesetzt werden.

Abstract

Introduction: Shot peening with steel balls is used for introduction of compressive stress in the production of morse taper junctions of modular hip endoprostheses. After this procedure, significant contamination with residual particles can be detected, which may lead to increased corrosion and third body wear. Additionally, the European norm EN 12010 requires surfaces free of residual particles. The aim of this study is to evaluate the effects of several cleaning procedures with regard to complying with EN 12010. Material and method: The surfaces of 12 Ti6Al7Nb rods with a diameter of 15 mm was shot peened with steel balls (GS VERA, Fa. Würth, Bad Friedrichshall, Germany). A field emission scanning electron microscopy (SEM, LEO 1525) was used for the detection of residual particles on the surface of the rods with a backscattered electron detector. After SEM examination, one sample each was cleaned using shot peening with sugar or dry ice and 10 rods using a pH dependent cleaning procedure. After these cleaning procedures, the samples were again analysed with the SEM for residual particle contamination. Results: The surface of all rods showed a considerable contamination with steel particles after shot-peening with steel balls. After the cleaning procudure with dry ice or sugar steel contamination was lower, however, only the pH dependent cleaning procedure was able to achieve surfaces free of residual particles. Discussion: For smooth shot-peened surfaces in modular hip arthroplasty Euro Norm EN 12010 can be fulfilled using shot peening with steel balls followed by a pH dependent cleaning procedure.

Schlüsselwörter

Kugelstrahlen - Titan - Oberfläche - Kontamination - Reinigung

Key words

shot peening - Titanium - surface - contamination - cleaning procedure

Literatur

• 1 Barrack R L, Burke D W, Cook S D, Skinner H B, Harris W H. Complications related to modularity of total hip components.  J Bone Joint Surg [Br]. 1993;  75 688-692
• 2 Böhler M, Kanz F, Schwarz B, Steffan I, Walter A, Plenk H, Knahr K. Adverse tissue reactions to wear particles from Co-alloy articulations, increased by alumina-blasting particle contamination from cementless Ti-based total hip implants. A report of seven revisions with early failure.  J Bone Joint Surg [Br]. 2002;  84 128-136
• 3 Christie M J, DeBoer D K, Tingstad D M, Capps M, Brinson M F, Trick L W. Clinical experience with a modular noncemented femoral component in revision total hip arthroplasty: 4- to 7-year results.  J Arthroplasty. 2000;  15 840-848
• 4 Chu Y, Elias J J, Duda G N, Frassica F J, Chao E Y. Stress and micromotion in the taper lock joint of a modular segmental bone replacement prosthesis.  J Biomech. 2000;  33 1175-1179
• 5 Collier J P, Mayor M B, Williams I R, Surprenant V A, Surprenant H P, Currier B H. The tradeoffs associated with modular hip prostheses.  Clin Orthop. 1995;  311 91-101
• 6 Darvell B W, Sammant N, Luk W K, Clark R KF, Tideman H. Contamination of titanium castings by aluminium oxide blasting.  J Dent. 1995;  23 319-322
• 7 Duda G N, Elias J J, Valdevit A, Chao E Y. Locking strength of Morse tapers used for modular segmental bone defect replacement prostheses.  Biomed Mater Eng. 1997;  7 277-284
• 8 Elbing F, Uhlmann E, Hühns T, Nolze G. Verbesserung der Oberflächeneigenschaften von Metallen mit Trockeneisstrahlen.  Galvanotechnik. 2003;  101 75-82
• 9 Europäische Norm EN 12010/1998: Nichtaktive chirurgische Implantate - Implantate zum Gelenkersatz - Besondere Anforderungen. 
• 10 Gilbert J L, Buckley C A, Jacobs J J. In vivo corrosion of modular hip prosthesis components in mixed and similar metal combinations. The effect of crevice, stress, motion, and alloy coupling.  J Biomed Mater Res. 1993;  27 1533-1544
• 11 Göske J, Uter W, Holzwarth U, Kachler W, Zeiler G, Schuh A. Surface characterization of corundum-blasted implants in hip arthroplasty.  Microscopy Analysis. 2004;  18 9-11
• 12 Krygier J J, Dujovne A R, Bobyn J D. Fatigue behavior of titanium femoral hip prosthesis with proximal sleeve-stem modularity.  J Appl Biomater. 1994;  5 195-201
• 13 McCarthy J C, Bono J V, O'Donnell P J. Custom and modular components in primary total hip replacement.  Clin Orthop. 1997;  344 162-171
• 14 Mersch D. Optimierung der Gestaltfestigkeit von Konussteckverbindungen bei modular aufgebauten Revisionshüftendoprothesen aus TiAl6Nb7. Dissertation, Technische Universität München, München 1996
• 15 Patent Nr. 195 17 275: Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Prothese aus Titan oder Titanlegierung. Patentschrift Bundesrepublik Deutschland 1997
• 16 Patent Nr. 10 2004 060 882.2: Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines medizinischen Implantats, insbesondere aus Titan, Titanlegierungen oder Kobaltlegierungen. 2004
• 17 Pennock A T, Schmidt A H, Bourgeault C A. Morse-type tapers: factors that may influence taper strength during total hip arthroplasty.  J Arthroplasty. 2002;  17 773-778
• 18 Ricci J L, Kummer F J, Alexander H, Casar R S. Technical note: embedded particulate contaminants in textured metal implant surfaces.  J Appl Biomater. 1992;  3 225-230
• 19 Salvati E A, Lieberman J R, Huk O L, Evans B G. Complications of femoral and acetabular modularity.  Clin Orthop. 1995;  319 85-93
• 20 Schmidt P F. Praxis der Rasterelektronenmikroskopie und Mikrobereichsanalyse. Expert-Verlag, Renningen-Malsheim 1994
• 21 Schramm M, Wirtz D C, Holzwarth U, Pitto R P. The morse taper junction in modular revision hip replacement - a biomechanical and retrieval analysis.  Biomed Tech (Berl). 2000;  45 105-109
• 22 Schuh A, Holzwarth U, Kachler W, Göske J, Zeiler G. Oberflächenuntersuchungen an Glaskugel-gestrahlten Titanimplantaten in der Hüftendoprothetik.  Zentralbl Chir. 2004;  129 225-229
• 23 Schuh A, Holzwarth U, Kachler W, Göske J, Zeiler G. Oberflächenuntersuchungen an Al2O3-raugestrahlten Titanimplantaten in der Hüftendoprothetik.  Orthopäde. 2004;  33 905-910
• 24 Schuh A, Uter W, Holzwarth U, Kachler W, Göske J, Zeiler G. Die Anwendung eines thermomechanischen Reinigungsverfahrens zur Entfernung von Restpartikeln auf Oberflächen von korund- bzw. glasperlengestrahlten Hüftgelenkimplantaten.  Zbl Chirurgie (in Druck).
• 25 Schuh A, Uter W, Holzwarth U, Kachler W, Göske J, Zeiler G. Vergleichende Oberflächenuntersuchungen an der glaskugelgestrahlten Konussteckverbindung des MRP-Titanrevisionsschaftes.  Biomed Technik (in Druck).
• 26 Schuh A, Uter W, Holzwarth U, Knetsch T. Raustrahlen von Titanlegierungen in der Hüftendoprothetik mit wasserlöslichem Strahlgut.  Orthopäd Praxis (in Druck).
• 27 Schuh A, Holzwarth U, Kachler W, Göske J, Knetsch T, Eigenmann B. Kugelstrahlen von Titanlegierungen mit Zirkonoxid.  Orthopäd Praxis (in Druck).
• 28 Schuh A, Werber S, Zeiler G, Holzwarth U. Cementless modular revision arthroplasty of the hip - 2 to 7 years results with the modular MRP-Titan stem.  Arch Orthop Trauma Surg. 2004;  124 306-309
• 29 Viceconti M, Ruggeri O, Toni A, Giunti A. Design-related fretting wear in modular neck hip prosthesis.  J Biomed Mater Res. 1996;  30 181-186