das allergiepotenzial von implantatwerkstoffen auf titanbasis

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  • Originalien

    A. Schuh1 P. Thomas2 W. Kachler3 J. Gske3 L. Wagner4 U. Holzwarth5 R. Forst61 Orthopdische Klinik Rummelsberg, Schwarzenbruck 2 Klinik und Poliklinik fr Dermatologie und Allergologie der Ludwig-Maximilians-Universitt Mnchen 3 Zentrum fr Werkstoffanalytik, Lauf GmbH, Lauf 4 Institut fr Werkstoffkunde und Werkstofftechnik, TU Clausthal-Zellerfeld 5 Med-Titan, Erlangen 6 Lehrstuhl fr Orthopdie mit Orthopdischer Chirurgie der Friedrich-Alexander-Universitt Erlangen-Nrnberg

    Das Allergiepotenzial von Implantatwerkstoffen auf Titanbasis

    Orthopde 2005 34:327333DOI 10.1007/s00132-005-0764-2Online publiziert: 11. Februar 2005 Springer Medizin Verlag 2005

    Eine Vielzahl von Untersuchungen beschftigt sich mit allergischen Re-aktionen auf synthetische Materiali-en, insbesondere auf metallische Be-standteile, die auch in der orthopdi-schen Chirurgie verwendet werden [20, 37, 38, 39, 47, 56, 63, 64].

    Immunreaktionen

    In Kasuistiken werden als allergische Re-aktionen gegen Metallimplantate lokali-sierte oder generalisierte Ekzeme, Urtika-riaschbe, persistierende Schwellungen, sterile Osteomyelitis und Flle von asepti-scher Implantatlockerung beschrieben [4, 6, 25, 26, 30, 35, 42, 44, 58].

    Nickel, Kobalt und Chrom sind als klas-sische Kontaktallergene bekannt [24, 32, 36, 37, 38, 39, 43, 48, 49]. Allerdings sind im Vergleich zu den Sensibilisierungsra-ten von bis 2% der Bevlkerung gegen Nickel und bis zu 5% gegen Kobalt und Chrom [24, 4, 52] nur wenige Flle von Allergien gegen Implantatwerkstoffe publi-ziert. ber die Hufigkeit solcher Reaktio-nen gibt es bisher keine genauen Angaben. Des Weiteren ist bis heute nicht geklrt, in-wieweit periimplantre berempfindlich-keitsreaktionen auch ohne begleitende epi-kutane Testreaktionen auftreten.

    So wurden bei einem Teil von Patien-ten mit komplikationsbedingten Revisi-onsoperationen periimplantre entznd-liche Infiltrate mit Charakteristika von Spttyp-berempfindlichkeitsreaktionen gefunden [63].

    Thomas [56] und Willert [63] publizier-ten Flle von Endoprothesenlockerung mit T-lymphozytr dominierter periim-plantrer Immunreaktion.

    Erstmals wurde das Interesse in den 970er-Jahren auf offensichtliche aller-gische Reaktionen gegenber Kobalt-Chrom-Legierungskomponenten der McKee-Farrar-Prothese gerichtet [9, 22].

    Die individuelle Reagibilitt bei Nickel-allergie kann sehr unterschiedlich sein, so-dass bei Allergiepatienten schon kleine Mengen von Nickel Kontaktekzeme her-vorrufen knnen [9, 22].

    Bei Patienten mit Nickel-, Kobalt- oder Chromallergie wird als Alternative die Ver-wendung von Titanimplantaten oder Ti- tanlegierungen aufgrund der hheren Kor-rosionsresistenz, dem fehlenden karzino-genen Risiko, der exzellenten Biokompati-bilitt und der fehlenden Sensibilisierung empfohlen [23, 27, 54].

    Titanimplantatwerkstoffe

    In . Tabelle 1 ist eine bersicht mit Nor-mung der verfgbaren Titanimplantat-

    werkstoffe aufgefhrt. Dabei gibt die Zahl nach dem im Werkstoffnamen aufgefhr-ten Element die Zahl des Legierungsgehal-tes in Gewichtsprozent (wt.-%) an. Die Reintitansorten werden in die Grade , 2, 3 und 4 unterteilt, wobei mit zunehmen-der Zahl im Wesentlichen der Sauerstoff- und Eisengehalt bei Reintitan zunimmt.

    Die technisch reinste Sorte Titan stellt das Jodidtitan dar, das durch Abscheidung von Titandi-, -tri- oder -tetrajodid an ei-nem Kerndraht aus Wolfram oder Reinti-tan gewonnen wird [66]. Prozessbedingt sind hier aufgrund der thermischen Zer-setzung sehr geringe Gehalte an interstiti-ellen Elementen wie z. B. Sauerstoff oder Kohlenstoff einstellbar.

    Das Reintitan im Gefgetyp ist ein einphasiger Werkstoff mit relativ hohem Formnderungsvermgen und wird ge-zielt dort verwendet, wo unter Umstn-den eine intraoperative Formgebung not-wendig wird (z. B. Wirbelsulenstbe, Ace-tabulumsttzringkonstruktionen).

    Die heute gngigen (+)-Legierun-gen mit einem zweiphasigen Gefge wer-den im lastbertragenden Bereich des Ske-lettes eingesetzt, vor allem wenn neben ho-her Festigkeit zustzlich eine hohe Dauer-festigkeit gefordert ist. Demgegenber sind nahezu alle -Legierungen Entwick-lungen groer Implantathersteller meist genormt und dennoch nicht auf dem frei-

    327Der Orthopde 4 2005 |

  • en Markt verfgbar, werden aber ebenfalls im lastbertragenden Bereich des Skelet-tes eingesetzt. Kennzeichen aller genann-ten -Legierungen ist neben hoher einstell-barer Festigkeitswerte ein gleichzeitig rela-tiv niedriger Elastizittsmodul E. Dieser E-Modul der genormten -Legierungen liegt gegenber den (+)-Legierungen mit 0 GPa bei Werten um 7075 GPa und damit um ca. 30% niedriger. Die TiNb20-Legierungen erreichen bei Herstellung im Labor E-Modulwerte von bis zu 40 GPa und sind somit signifikant niedriger und nur doppelt so hoch wie die durchschnitt-lichen Werte menschlichen Knochens mit 20 GPa [66].

    Allerdings existieren Berichte ber tita-nassoziierte Unvertrglichkeitsreaktionen [8, 0, 2, 3, 33, 40, 5, 55, 57, 6, 65], die als allergische Reaktion diskutiert werden.

    Der definitive Nachweis einer Allergie auf einen biokompatiblen Titanimplan-tatwerkstoff ist bisher noch nicht gefhrt worden. So muss diese Werkstoffgruppe genau untersucht werden, um die seit Jahr-zehnten bewhrten biokompatiblen und vor allem zementfrei einzusetzenden Ti-tanimplantatwerkstoffe [29, 50, 59] weiter-hin etablieren zu knnen.

    Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von Titanproben auf Anteile der allerge-nen Legierungselemente wie Nickel, Ko-balt und Chrom, als eine mgliche Erkl-rung fr postulierte allergische Reaktio-nen auf Titanwerkstoffe.

    Material und Methode

    Die Untersuchung der in . Tabelle 2 ge-listeten Titanwerkstoffe und Hersteller er-folgte mit einer Spectrolab Spektralana-lyseeinheit der Fa. Spectro, Kleve. Dazu wurde vor Versuchsbeginn die optische Analyseeinheit mit geeichten Proben ka-libriert und mittels Abfunken von Probe-scheiben (660 mm Durchmesser, 6 mm Dicke; . Abb. 1) auf einer 6-mm-Lochke-ramikblende unter Argonatmosphre die chemische Zusammensetzung durch opti-sche Spektralanalyse bestimmt. Die Mess-tiefe durch Abfunken betrgt hier 0,5 mm, sodass die Schichtdicke der untersuchten Proben keine Rolle spielt.

    Es handelt sich bei diesem Verfahren um eine Werkstoffanalyse und nicht um eine Schichtanalyse. Im Einzelnen wur-

    Zusammenfassung Abstract

    Orthopde 2005 34:327333DOI 10.1007/s00132-005-0764-2 Springer Medizin Verlag 2005

    A. Schuh P. Thomas W. Kachler J. Gske L. Wagner U. Holzwarth R. Forst

    Das Allergiepotenzial von Implantatwerkstoffen auf Titanbasis

    ZusammenfassungZiel. Ziel dieser Arbeit ist es, zu klren, ob in Reintitan oder in Titanlegierungen all-ergieauslsende Bestandteile nachweis-bar sind.Material und Methode. Es wurden von 5 internationalen Titanherstellern Rundschei-ben zwischen 6 und 60 mm Durchmesser und 6 mm Dicke aus Reintitan, TiAl6Nb7 und TiAl6V4 einer Spektralanalyse unter-zogen.Ergebnisse. In allen Proben der Implantat-werkstoffe waren mit 0,0120,034 Gew.-% geringe Nickelgehalte nachweisbar. Jodid-titan stellt mit 0,002 Gew.-% die Nachweis-grenze dar und ist somit als nickelfrei zu be-zeichnen.Schlussfolgerung. In allen Proben der Im-plantatwerkstoffe war Nickel nachweis-bar. Diese niedrigen Gehalte an Nickel sind

    herstellungsprozessbedingt und vollstn-dig im Gitter des Titans gelst; sie knnten aber bei Patienten mit Nickelallergie aus-reichen, um eine allergische Reaktion aus-zulsen. Diese wre dann aber nicht direkt dem Titan oder seinen Legierungen, son-dern der Nickelverunreinigung zuzuord-nen. Weitere Untersuchungen ber die Frei-setzung der Legierungskomponenten und Reaktionsschwellen von Patienten sind er-forderlich sowie von Metallherstellerseite zu alternativen Prozessen, um Reintitan und Titanlegierungen noch reiner bzw. ni-ckelfrei herzustellen.

    SchlsselwrterTitan Allergie Nickel Implantat Spektralanalyse

    AbstractAim. The aim of this investigation is to eval-uate the allergic potential of titanium and titanium alloys for surgical implant appli-cations.Materials and methods. Discs cut from rods supplied by five different titanium sup-pliers in several diameters were investigat-ed. The samples were cp-Titanium as well as Ti6Al4 V and Ti6Al7Nb, 6 mm thick with a diameter of between 6 and 60 mm. The material was checked by optical spectral analysis.Results. In all samples except iodidtitani-um, a Nickel content of 0.012 0,034 wt% could be detected.Conclusion. The low nickel content in the implant material results from the produc-

    tion process. The nickel atoms are in solid solution in the titanium lattice. Nickel aller-gic patients may develop hypersensitivity reactions even due to this low nickel con-tent. Hence, this reaction may be falsely at-tributed to the titanium material itself. Mea-surements of ion concentration in the bo-dy are helpful for quantifying the maxi-mum content of nickel in titanium materi-als for surgical implant applications. In addi-tion, technical questions related to the pro-duction of nickel free titanium materials for allergic patients have to be solved.

    KeywordsTitanium Allergy Nickel Implant Spectral analysis

    Allergic potential of titanium implants

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  • Hier steht eine Anze

    ige

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    ent

  • den Reintitanscheiben vom Durchmes-ser 6 und 2 mm, TiAl6V4-Scheiben vom Durchmesser 0, 6, 22, 35 und 60 mm, TiAl6Nb7-Scheiben vom Durchmesser 4,5, 22 und 28 mm untersucht. Es wur-den Proben von Stben unterschiedli-chen Durchmessers untersucht, da die verschiedenen Titanlegierungen der ein-zelnen Hersteller in unterschiedlichen Durchmessern geliefert werden. Die Un-tersuchungen wurden nach den etablier-ten und (statistisch) anerkannten Messver-fahren in der Werkstoffkunde zur Bestim-mung von Legierungsbestandteilen durc

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