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

    328 | Der Orthopde 4 2005

  • Hier steht eine Anze

    ige

    This is an advertisem

    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 durch-gefhrt. Da der Werkstoff ber die gesam-te Lnge der jeweiligen (Titan- bzw. Titan-legierungs-)Stbe homogen ist, wurde je-weils nur eine 6 mm dicke Probenscheibe analysiert. Es wurden 3 Messungen durch-gefhrt und eine anschlieende Messung

    Tabelle 1

    bersicht biokompatibler Titanimplantatwerkstoffe

    Name Typ Norm Literatur

    Jodidtitan [66]

    Reintitan 1,2,3,4 ASTM F 67 [1, 19]

    TiAl6V4 ELI + ASTM F 136 [2]

    TiAl6Nb7 + ASTM F 1295 [3]

    TiMo15 ASTM F 2066 [6]

    TiNb13Zr13 ASTM F 1713 [4]

    TiMo12Zr6Fe2 ASTM F 1813 [5]

    TiNb20 [28]

    TiNb20Al2 [28]

    Tabelle 2

    Untersuchte Werkstoffe

    Werkstoff Hersteller/Lieferant

    Jodidtitan Metallgesellschaft Ff/M (1950)

    Reintitan-2 d6 Deutsche Titan

    Reintitan-2 d12 Deutsche Titan

    TiAl6V4 d10 Jckel GmbH

    TiAl6V4 d16 Allvac

    TiAl6V4 d22 Tinimet

    TiAl6V4 d35 Jckel GmbH

    TiAl6V4 d60 Deutsche Titan

    TiAl6Nb7 d14,5 IMI

    TiAl6Nb7 d22 Timet

    TiAl6Nb7 d28 IMI

    zur Besttigung. Die angegebenen Er-gebnisse entsprechen jeweils dem Mittel-wert aus 3 Messungen (die Standardabwei-chung lag unter 0,0 Gew.-%). Parallel da-zu wurde eine Scheibe hochreines Joditi-tan untersucht.

    Ergebnisse

    Die Ergebnisse der durchgefhrten Spek-tralanalyseuntersuchungen sind in . Ta-belle 3 dargestellt. Es ist vor allem das als hoch allergen einzustufende Nickel [24, 4, 52] in allen Titanwerkstoffen unter-schiedlicher Lieferanten und Herstellern mit 0,020,034 Gew.-% nachweisbar. Im Jodidtitan zeigte sich ein Messwert von 0,002 Gew.-%, der in dieser Grenord-nung als quasi nickelfrei definiert wurde.

    Diskussion

    Beimengungen

    Wenngleich in Spuren, so sind die Beimen-gungen beispielsweise von Nickel in der aktuellen Studie doch deutlich und konstant in allen untersuchten Titanwerk-stoffen nachweisbar. Gehalte zwischen 0,0 und 0,034 Gew.-% sind zwar metall-kundlich als geringfgige Beimengungen einzustufen und normativ nicht erfasst, jedoch bei der hohen Nickel-Sensibilisie-rungsrate in der Bevlkerung diskussions-bedrftig.

    Die Werte der Beimengungen von Jo-didtitan entsprechen den erwarteten Ge-halten und zeigen, dass hier technolo-gisch die absolut niedrigsten Nickelspu-ren am Rande der Nachweisgrenze von

  • ben typischen Befunden wie Handekzeme finden sich ebenfalls ungewhnliche Mani-festationen wie Pseudolymphome oder im-plantatassoziierte Intoleranzreaktionen [52].

    In ihrer Arbeit ber 242 Patienten be-richten Swiontkowski et al. [53] ber eine Prvalenz der Sensibilisierung auf Chrom von 0,2%, fr Nickel von ,3% und Kobalt von ,8%. Nach Implantation von orthop-dischen Implantaten betrug die Sensibili-sierungsrate fr Chrom 2,7%, 3,8% fr Ni-ckel und 3,8% fr Kobalt.

    Oft gengen kleine Mengen von Nickel zur Auslsung von allergischen Reaktio-nen wie beispielsweise Kontaktekzemen [24, 4]. So werden bei Patienten mit Ni-ckel-, Kobalt- oder Chromallergie oft als Alternative Implantate aus Titan oder Ti-tanlegierungen verwendet [23].

    Duchna [2] fand in seiner Arbeit ber 2 Patienten keinerlei allergische Reaktio-nen in Zusammenhang mit Titanimplan-taten.

    Schutz vor Korrosion

    Die Krpervertrglichkeit von Titanwerk-stoffen [46, 50] basiert auf der Passivie-rung der Oberflche, diese besteht im un-versehrten Zustand aus dem nichtleiten-den Titanoxid, das chemisch einer Kera-mik entspricht und bioinert ist. Beim Auf-treten von Korrosion infolge eines Elek-tronenflusses tritt die Wechselwirkung zwischen Implantat und Krper auf. Die-se Wechselwirkungen hngen im Wesent-lichen von der Abschirmung durch die Oxidschichten und damit von der Dielek-trizittskonstanten und somit von der isolierenden Wirkung der Metalloxide ab. Je hher die Dielektrizittskonstante, desto besser die abschirmende Wirkung und dadurch die Stabilitt in vivo.

    Titanoxid weist Werte je nach Oxidtyp zwischen =48 und =0 auf, Wasser hat einen Wert von =78 [66]. Demgegenber ist fr Oxide des Kobalts und des Nickels die Dielektrizittskonstante nicht messbar, eine Wechselwirkung mit Krperelektroly-ten tritt deshalb um mehrere Grenord-nungen eher auf als bei Metallen der Re-fraktrgruppe (Oxidbildung im Millise-kundenbereich) wie z. B. Titan, Niob, Tan-tal, Vanadium und deren Legierungen.

    Alternativ knnen Implantatlegierun-gen vor Korrosionsverhalten durch kera-mische Beschichtungen wie z. B. Titan-Niob-Oxinitrit [59] knstlich geschtzt werden.

    Reaktionen auf Titan

    Es gibt allerdings durchaus Berichte ber Unvertrglichkeitsreaktionen auf Titan-werkstoffe [8, 0, 2, 3, 33, 40, 5, 55, 57, 6, 65].

    Walsh [6] fand in seiner Arbeit in ei-nigen Brillengestellen aus einer Titanlegie-rung Nickelanteile. Ebenso fand Suhonen [5] allergische Kontaktdermatitiden auf Brillengestelle aus Titan, wobei Palladium als Ursache herausgefunden wurde.

    Thewes [55] publizierte in seiner verglei-chenden histologischen und immunhisto-chemischen Analyse von Gewebe um Ti-tanimplantate (n=23) und bei Implantat-stahl (n=8) perivaskulre Infiltrate, Lan-gerhans-Zellen, T-Helferzellen, T-Sup-pressor-Zellen, Monozyten, Makropha-

    gen und Gedchtniszellen, wobei sich in beiden Gruppen kein statistisch signifikan-ter Unterschied fand.

    Thewes kommt zu dem Schluss, dass eine Metallsensibilisierung sowohl auf Stahl- als auch Titanimplantate mglich sei.

    Yamauchi [65] beschrieb eine Ekzemreak-tion in Zusammenhang mit einem Schritt-macher, der aus Titan gefertigt wurde.

    Cook [5] untersuchte das Granulom-gewebe von 46 explantierten nichtzemen-tierten Hft- und Knieimplantaten von 97 Patienten histopathologisch. Inflammato-rische Infiltrate konnten bei 2 von 97 Pa-tienten (22%) gefunden werden. 7 von 87 Patienten (20%) mit Kobalt-Chrom-Im-plantaten und 4 von 0 Patienten (40%) mit Titanimplantaten zeigten inflammato-rische Infiltrate, wobei der Autorengrup-pe dieser Befund nicht klar war. Sie kom-men zu dem Schluss, dass Hypersensibi-lisierungen und allergische Reaktionen auf Metallionen derartige Infiltrate verur-sachen knnen. Die Autoren konnten je-

    Tabelle 3

    Untersuchungsergebnisse

    Werkstoff Analysewerte in wt.-%

    Al Cu Fe Mo Ni Si V Ti

    JodidtitanSollIst

    0,01

    99,99>99,9

    Reintitan-2Soll

  • doch in der eigenen Studie nicht abschlie-end die tiologie dieser Infiltrate insbe-sondere im Hinblick auf den biokompati-blen Werkstoffe Titan erklren.

    Lalor [3] analysierte das Granulomge-webe von 5 Patienten, bei denen eine Revi-sionsoperation wegen aseptischer Prothe-senlockerung durchgefhrt wurde. Sie fan-den hauptschlich Titan im Granulomge-webe. Sie fhrten eine Scratch-Test-Unter-suchung mit Titansalzen durch, mit den verdnnten Lsungen fanden sie bei allen 5 Patienten negative Ergebnisse. Zwei der Patienten hatten jedoch eine positive Haut-reaktion auf titanhaltige Salben. Noch ist diese Testvariante aber nicht an einem gr-eren Patientenkollektiv evaluiert.

    Ausblick

    Die Ergebnisse unserer Arbeit zeigen, dass in einem geringen, jedoch konstanten Pro-zentanteil Verunreinigungen mit Nickel in Titanwerkstoffen nachweisbar sind.

    Schmelzmetallurgisch besteht theore-tisch die Mglichkeit, die Nickelgehalte von derzeit 0,020,034 Gew.-% auf Wer-te von ca. 0,002 Gew.-% und somit um eine weitere Grenordnung zu senken. Diesbezglich sind dringend weiterfh-rende Studien zur Werkstoffoptimierung auch im Hinblick auf eine Risikominimie-rung fr auf Nickel allergische Patienten erforderlich. Um diesen Forderungen ge-recht zu werden, wurde zwischenzeitlich eine internationale Forschungsgruppe ge-grndet, die sich zum Ziel gesetzt hat, eine nickelfreie Titanlegierung mit niedrigem Elastizittsmodul zu entwickeln.

    Fazit fr die Praxis

    In den heute verfgbaren biokompati-blen Titanwerkstoffen, die ab Lager im Handel zu erwerben sind, kann ein kon-stant niedriger Gehalt an Nickelbeimen-gungen nachgewiesen werden. Dieser Gehalt ist um eine Grenordnung h-her als der Gehalt der reinsten Titansorte, dem Jodidtitan. Dieses Jodidtitan enthlt zwar noch 12 ppm Nickel, bewegt sich damit aber bereits an der Nachweisgren-ze und bedeutet technisch gesehen Ni-ckelfreiheit. Somit sind Werkstoffoptimie-rungen mglich und dringend zu fordern, zumal bei Allergiepatienten schon kleine Mengen von Nickel Kontaktekzeme her-vorrufen knnen und derzeit noch nicht abschlieend geklrt ist, inwieweit dies mglicherweise auch auf orthopdische Implantate bertragbar ist.

    Korrespondierender AutorDr. med. A. Schuh

    Orthopdische Klinik Rummelsberg, Rummelsberg 71, 90592 Schwarzenbruck E-Mail: [email protected]

    Interessenkonflikt: Keine Angaben

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    www.jobcenter-medizin.deNeuer Online-Stellenmarkt fr rzte

    Die Springer-Medizin-Verlage haben eine neue, groe Stellenbrse fr Mediziner gegrndet. Unter www.jobcenter-medizin.de ist diese seit Mrz 2005 online.

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    Die Vorteile fr Stellensuchende:F nutzerfreundliches, bersichtliches DesignF schnelle, komfortable, przise Such- funktionenF Erstellung persnlicher Suchprofile und Benachrichtigung ber aktuelle, offene Angebote per MailF fachspezifische Stellensuche

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    Quelle: www.jobcenter-medizin.de, [email protected]

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