Knochenzemente für die Endoprothetik: Ein aktueller Vergleich der physikalischen und chemischen Eigenschaften handelsüblicher PMMA-Zemente

302 Pages·2001·23.1 MB·German

by  Dr. Klaus-Dieter Kühn (auth.)

K.-D. Kiihn
Knochenzemente fUr die Endoprothetik
Springer
Berlin
Heidelberg
New York
Barcelona
Hongkong
London
Mailand
Paris
Singapur
Tokio
K.-D. Kuhn
Knochenzemente
fur die
Endoprothetik
Ein aktueller Vergleich der physikalischen
und chemischen Eigenschaften
handelsublicher PMMA-Zemente
Mit 207 Abbildungen, davon 190 in Farbe und 131 Tabellen
Springer
Dr. Klaus-Dieter Kuhn
Heraeus Kulzer GmbH & Co. KG
Philipp-Reis-StraBe 8/13
D-61273 Wehrheim/Taunus
ISBN-13:978-3-540-41182-6
Die Deutsche Bibliothek-CIP-Einheitsaufnahme
Kiihn, Klaus-Dieter:
Knochenzemente fiir die Endoprothetik : ein aktueller Vergleich der physikalischen unci
chemischen Eigenschaften handelsiiblicher PMMA-Zemente 1 Klaus·Dieter
Kiihn. - Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Hongkong; London;
Mailand ; Paris; Singapur ; Tokio: Springer, 2001
ISBN -13 :978-3-540-41182-6 e-ISBN -13 :978-3-642-59458-8
DOl: 10.1007/978-3-642-59458-8
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Satz: Cicero Lasersatz, Dinkelscherben
Gedruckt auf saurefreiem Papier SPIN: 10785945 18/3130 543210
Vorwort
PMMA-Knochenzemente mussten noch vor wenigen Jahren den hohen
Anforderungen des Arzneimittelgesetzes entsprechen. Mit der Einfiih
rung des Medizinproduktegesetzes galten die Knochenzemente nicht
mehr als Arzneimittel sondern wurden entsprechend den neuen Richt
linien als Medizinprodukte eingestuft. Die Zulassung neuer Zemente
wird durch diese Entwicklung erheblich erleichtert, bedauerlicherweise
ist aber eine Lockerung der Anforderungen an solche Materialien zu
beobachten verbunden mit der Konsequenz einer sHindig steigenden
Anzahl von PMMA-Knochenzemente im Markt. Da alle PMMA-Kno
chenzemente chemisch auf derselben Grundsubstanz - dem Methyl
methacrylat - aufgebaut sind, wird allzu leicht der Eindruck vermittelt,
Zement sei gleich Zement. Ffir die Chirurgen und deren Operati
onsteams, aber insbesondere ffir die Patienten selbst mfissen die besten
Voraussetzungen geschaffen werden, um eine geeignete, wissenschaft
lich fundierte Materialauswahl zu treffen, die optimale klinische Lang
zeitergebnisse liefert. Dazu sind vergleichende physikalische und che
mische Untersuchungen aller im Markt befindlichen Materialien
unerlasslich. Solche Oberprfifungen fehlen ganzlich und bieten daher
dem Patienten und dem Chirurgen eine vollig unbefriedigende Situa
tion. Wir haben deshalb alle derzeit im Markt befindlichen PMMA
Knochenzemente beschrieben und deren physikalischen und chemi
schen Eigenschaften vergleichend dargestellt. Dabei wurden neben
Priifungen nach fUr Knochenzemente giiltigen Normen auch solche
Methoden entwickelt und beschrieben, die insbesondere Hinweise auf
Materialeigenschaften geben, die rur den Patienten und dem Chirurgen
mit seinem Operationsteam besonders wichtig sind!
Warum kommt dieser Materialvergleich gerade aus dem Hause
Heraeus Kulzer? Nun, wir haben samtHche Entwicklungen seit der Ein
fiihrung des ersten Knochenzementes Ende der 60er Jahre begleitet und
verrugen daher fiber eine jahrzehntelange Erfahrung auf dem Gebiet der
Methacrylate. Zudem haben wir die einmalige Moglichkeit gehabt, von
Herrn Dr. W. Ege, der weltweit als Knochenzement-Fachmann geschatzt
wird,lernen zu konnen und viele seiner historischen Daten und Erfah
rungen in diese Studie einflieBen zu lassen. Mein personlicher Dank gilt
daher Herrn Qr. W. Ege, einem groBen Wissenschaftler, einem groBarti
gen und sympathischen Menschen, der mir weit fiber das fibliche MaS
hinaus Hilfestellung geleistet hat und geholfen hat, die schwierige und
VI Vorwort
wissenschaftlich anspruchsvolle Materie der Methacrylate nahe zu brin
gen. Zusatzlich hat sich die langjahrige Kooperation von Heraeus Kulzer
mit kompetenten Partnern auf dem Gebiet der Orthopadie und Phar
mazie, mit Biomet-Merck, aber auch mit Schering-Plough, als besonders
fruchtbar und erfolgreich erwiesen.
Urn dem Anspruch als »centre of competence« fur Knochenzemente
auf PMMA-Basis auch zukunftig gerecht zu werden, haben wir neben
den durch die ISO 5833 geforderten Prufumfang samtliche im Markt
erhaltliche Zemente auch bezuglich ihrer Verarbeitungseigenschaften
ebenso getestet wie hinsichtlich ihrer Wirkstoff-Freisetzung, ihres Rest
monomergehaltes und ihrer Glasubergangstemperaturen. An ausgewahlten
Materialien - insbesondere an AItspezialitaten - wurde zudem die
mechanische Stabilitat unter zyklischer Belastung uberpruft, urn Hin
weise auf das Langzeitverhalten der Zemente im Korper zu vermitteln.
Die vorliegenden Vergleichsuntersuchungen zeigen entgegen dem
zunachst naheliegendem Eindruck erhebliche Materialunterschiede auf:
Zemente sind eben nicht gleich Zemente!
Klaus-Dieter Kuhn
Geleitwort
Der Grundstoff des Knochenzementes ist Methylmethacrylat. Zum Ge
brauch wird, in der Regel vom »Operations - Team«, ein Teig aus der
monomeren Flussigkeit und dem vorpolymerisierten Pulver unmittel
bar vor der Anwendung angemischt und in einem noch knetbaren
Zustand ins Gewebe eingebracht. Die Aushartung des Teiges erfolgt im
Gewebe. Das endgultige Implantatmaterial »Polymethylmethacrylat«
entsteht also erst am Ort der Implantation.
In den derzeit angebotenen Knochenzementen der verschiedenen
Hersteller kommen neben Methylmethacrylat auch hohere Methacryla
te, wie z.B. Butylmethacrylat, als Copolymere zum Einsatz. Urn den
implantierten Knochenzement im Rontgenbild sichtbar zu machen ent
halt das Pulver Rontgenkontrastmittel (Zirkondioxid oder Bariumsul
fat). Dem flussigen Monomer und dem vorpolymerisierten Pulver sind
Zusatze beigemischt, die das Monomer bis zum Zeitpunkt der Verwen
dung stabilisieren, des sen Polymerisation und damit die Aushartung
nach der Anmischung auslosen und gegebenenfalls die Warmeentwick
lung steuern. AuBerdem werden mitunter Weichmacher und Emulgato
ren zugesetzt. GroBe Bedeutung hat die Beimischung von Antibiotika
zum Knochenzement erlangt, mit deren Hilfe Infektionen vorgebeugt
oder behandelt werden.
Die handelsublichen Knochenzemente unterscheiden sich in der
Zusammensetzung und vor allem im Ablauf ihrer Aushartung. Einige
Zemente sind flir die Implantation im hochviskosen, andere im niedrig
viskosen Zustand ausgelegt. In jedem FaIle hangt aber die Qualitat des
endgultigen Zementimplantates von Faktoren ab, die durch die Handha
bung seitens des Anwenders entscheidend mitbestimmt werden.
Aus diesem Grunde sollten den Anwendern moglichst umfassende,
klare und verstandliche Informationen uber diese Zusammenhange zur
Verfligung stehen, die auch einen Vergleich verschiedener Zement
praparate untereinander ermoglichen. Solche Informationen waren bis
her nicht ohne weiteres erhaltlich, sondern konnten, wenn iiberhaupt,
nur durch gezieltes Literaturstudium zusammengetragen werden.
Hier schlieBt das vorliegende Buch eine empfindliche Lucke und setzt
gleichzeitig neue MaBstabe!
Der Verfasser, ein hervorragender Kenner der Materie, hat sich zum
Ziel gesetzt ein Nachschlagewerk flir Knochenzemente zu schaffen. Dies
ist ihm gelungen. Das Buch liefert in ubersichtlicher Zusammenstellung
VIII Geleitwort
aIle Grundlagen die fur das Arbeiten mit Knochenzement erforderlich
und nutzlich sind:
Einleitend werden der Polymerisationsvorgang und die damit ver
bundenen Phiinomene wie Aushlirtecharakteristik, Warmeentwicklung.
Schrumpfung, Restmonomergehalt erklart, und es wird auf Zusammen
hange zwischen Molekulargewicht und mechanischer Festigkeit sowie
dessen Beeinflussung durch die Art der Sterilisation hingewiesen.
Sodann werden die derzeit auf dem Markt befindlichen Knochen
zemente nach ihrer Zusammensetzung und ihren chemischen und phy
sikalischen Eigenschaften eingehend charakterisiert. Dazu sind auch die
Methoden angegeben, wie diese Eigenschaften bestimmt werden kon
nen. GroBer Wert wird auf die Verarbeitungseigenschaften (Anmisch
phase, Verarbeitungsphase, Aushlirtephase) gelegt und dabei die Be
deutung der Anmischtechnik hervorgehoben. Ausfiihrlich werden Auf
machung und Verpackung der einzelnen Zemente beschrieben und den
Anforderungen der ISO - Norm gegenubergestellt.
- -Besonders wertvoll sind die Zusammenfassung von KenngroBen und
die sehr eingehenden Vergleiche von Eigenschaften der verschiedenen
Knochenzemente.
Damit wird dieses Buch zu einer wahren Fundgrube
• fUr die medizinisch - operativen Fiicher Orthopadie, Chirurgie, Neu
rochirurgie, Kiefer- und Gesichtschirurgie und alle anderen Diszipli
nen, die Knochenzement als Implantat verwenden,
• fur weiterfiihrende wissenschaftliche Untersuchungen auf dem
Gebiet der Werkstoffkunde,
• sowie ffir Disziplinen die sich nur gelegentlich mit Knochenzement
beschiiftigen, aber spezielle Informationen benotigen z.B. beim Auf
treten allergischer Reaktionen oder fur die Untersuchung von Scha
densfaIlen bei Knochen-und Gelenkimplantaten.
Bleibt zu wiinschen, dass das Buch yom angesprochenen Leserkreis
wohlwollend aufgenommen wird und eine weite Verbreitung findet, die
es verdient.
Prof. Dr. H. G. Willert
Danksagung
Besonderer Dank gilt Herro Dr. Chr. Tuchscherer, Entwicklung Medizin,
Heraeus Kulzer, Wehrheim, rur die vielen kleinen, miihevollen Arbeiten
rund urn die Erstellung des Buches, insbesondere beim Zusammenstel
len von Tabellen und Abbildungen sowie rur das professionelle Erstellen
von Fotos. Zusammen mit Mitarbeitero aus dem Entwicklungslabor von
Heraeus Kulzer hat Dr. Tuchscherer zudem Prufungen nach ISO 5833
durchgefiihrt und die entsprechenden Ergebnisse tabellarisch eingeord
net. Des weiteren gilt der Dank Frau H. Maurer, Entwicklung Medizin,
Heraeus Kulzer, Wehrheim, fur Arbeiten nach DIN-Normen, Molekular
gewichtsbestimmungen sowie Prufungen der Glasubergangstemperatu
ren. Herro Scheuermann und Mitarbeitero aus der QualiUitskontrolle
von Heraeus Kulzer gilt der Dank fUr analytische Hilfestellung insbe
sondere fUr die Restmonomerbestimmungen sowie die Wirkstoffanaly
tik aber auch rur qualitative und quantitative Analysen von Polymeren
und Monomeren, unterstutzt von Herro Abraham, Rahm & Haas, Darm
stadt. Herro Dr. U. Soltesz und Herro Dr. Schafer, Fraunhofer-Institut fur
Werkstofftechnik, Freiburg, gilt der Dank rur die Dauerlastwechselun
tersuchungen, Dr. R. Specht und Herro Kampfmann, Merck-Biomateria
lien, Darmstadt, fUr rasterelektronische Aufnahmen und Rantgenauf
nahmen, Herro G. Krause, Merck-Biomaterialien und Herro P. Stearos,
Schering-Plough, Kenilworth, fUr die kostenlose Beistellung von Ver
kaufspackungen diverser Knochenzemente und nicht zuletzt Herro Pro
fessor Willert, Universitat Hannover, fur das freundliche Geleitwort.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung und Problemstellung ................ .
2 Material und Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Applied Test Methods .............................. 9
2.2.1 Zementbeschreibung ................................ 9
2.2.2 Bestimmung der Polymerzusammensetzung . . . . . . . . . . . . 9
2.2.3 Bestimmung des BPO-Gehaltes ....................... 9
2.2.3.1 Titration..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.3.2 HPLC ............................................. 10
2.2.4 Bestimmung des Gehalts an Rontgenkontrastmittel . . . . . . 10
2.2.5 Darstellung der Rontgenopazitat ...................... 10
2.2.6 Restmonomer-Freisetzung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.7 Restmonomer-Gehalt . . . ... ..... . .. .. ... ... . . . . . . . .. . 11
2.2.8 Bestimmung des Gentamicin-Gehaltes . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.9 Bestimmung der Gentamicin-Freisetzung .............. 11
2.2.10 Bestimmung des Molekulargewichts ......... .. .. .. . . . . 12
2.2.11 Bestimmung der Monomerzusammensetzung .......... 12
2.2.12 Bestimmung der Monomerstabilitat ................... 13
2.2.13 Bestimmung der Biegefestigkeit (Dynstat) . ....... .. .. .. 13
2.2.14 Bestimmung der Schlagzahigkeit (Dynstat) ... .. .. .. .. .. 13
2.2.15 Bestimmung der ISO-Biegefestigkeit (4-Pkt.) ........... 14
2.2.16 Bestimmung der Druckfestigkeit . ... . .. ... .. ...... .. . . 15