DE102007006086B4

DE102007006086B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen des Verschleißes eines Implantatwerkstoffes und ein entsprechend hergestelltes Implantat

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Publication number: DE102007006086B4
Application number: DE200710006086
Authority: DE
Original assignee: KISIELINSKI KAJETAN STEFAN; Kisielinski Kajetan Stefan Dr med
Current assignee: Kisielinski Kajetan Stefan Dr Med De
Priority date: 2007-02-07
Filing date: 2007-02-07
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2027-02-08
Also published as: WO2008095462A2; WO2008095462A4; DE102007006086A1; WO2008095462A3

Abstract

Implantat in einem menschlichen oder tierischen Organismus dadurch gekennzeichnet, dass im Werkstoff des Implantates ein besonderer Markierungsstoff, bestehend aus dem seltenen stabilen Isotop Kohlenstoff C-13 oder Sauerstoff O-17 oder Sauerstoff O-18 oder Stickstoff N-15 oder Wasserstoff H-2 enthalten ist, welcher bei Verschleiß frei wird und in einem menschlichen oder tierischen Organismus zumindest transportiert oder transportiert und ausgeschieden wird, wodurch der Gehalt des Markierungsstoffes oder seiner Stoffwechselprodukte im Organismus, oder in den Sekreten oder Exkreten oder in der Atemluft messbar, und dadurch der Werkstoffverschleiß indirekt feststellbar wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung und Anzeige des Werkstoffverschleißes eines Implantates in einem menschlichen oder tierischen Organismus.
Vorrichtungen zur Werkstoffverschleißuntersuchung sind bekannt aus dem Bereich der Maschinentechnik und Entwicklung. Beispielsweise werden bei der Radionuklid-Technik-Verschleißmessung Oberflächen von Maschinenteilen wie Kolbenringen, Abgasventilen, Ventilsitzringen und Lager mit Radionukliden aktiviert. Über eine Messung der Radionuklide im Schmierstoff ist die Möglichkeit gegeben, den Verschleiß dieser Teile zu bestimmen. Derartige Einrichtungen haben ein Anwendungsgebiet insbesondere in der Motorentechnik und erlauben eine berührungslose und demontagefreie Messmethode zur Feststellung kleinster Verschleißraten mit extrem hoher Messempfindlichkeit und Messgenauigkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Prinzip derartiger Verfahren und Vorrichtungen mit einem Markierungsstoff weiter zu entwickeln und ihr Einsatzgebiet auf Implantate in lebenden Organismen zu erweitern. Die Erfindung macht in einem menschlichen oder tierischen Organismus den Verschleiß von Implantatwerkstoffen über die Freisetzung von im Werkstoff enthaltenen, besonders dafür geeigneten Markierungsstoffen messbar.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Verwendung bestimmter Markierungsstoffe, beispielsweise natürlich in nur sehr geringen Mengen vorkommender, stabiler Isotope und deren organischer Verbindungen, die nach Freisetzung im Organismus zumindest gut transportierbar und ausscheidbar sind, völlig neue Einsatzgebiete derartiger Vorrichtungen erschließt. So kann beispielsweise im medizinisch-klinischen Bereich der Verschleiß eines Werkstoffes in einem künstlichen Gelenkersatz in vivo messbar werden und zur Diagnosenfindung einer damit zusammenhängenden Krankheit beitragen. Im medizinisch-technischen Bereich eignet sich die Vorrichtung zum in vivo Vergleich verschiedener Implantatwerkstoffe und unterschiedlicher Implantattypen. Dadurch erschließen sich auch wissenschaftliche Möglichkeiten einer solchen Erfindung, die der Werkstoff- und Implantatentwicklung und -Forschung förderlich sind.
Ein besonderes Einsatzgebiet erschließt sich wenn die künstlichen Gelenke Hüft-Endoprothesen oder Knie-Endoprothesen sind. Bei diesen besteht die Gleitlagerkomponente beispielsweise aus dem Werkstoff Polyethylen, welches großen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Ein Hauptproblem solcher Endprothesen ist eine durch Verschleißpartikel ausgelöste lokale Gewebsreaktion des Organismus, deren Folge ein Versagen des Implantates und Lockerung sein kann.
Bei Patienten mit Knieprothesen und Hüftprothesen beispielsweise werden aus den gelenkbildenden Polyethylenoberflächen durch Abrieb ca. 0.3–500 μm große Partikel freigesetzt. Da diese Partikel weder abbaubar, noch abtransportierbar sind, verursachen sie eine Bindegewebsreaktion mit Beteiligung von so genannten Fremdkörperriesenzellen. Bei dieser Reaktion werden Botenstoffe frei, die wiederum den Knochenabbau um die Prothese bewirken. Die Folge der vermehrten Auflösung der Knochensubstanz ist ein Versagen des Implantates und Lockerung der Endoprothese aus ihrem knöchernen Lager.
Dieses durch Abrieb bedingte Versagen von Implantaten wird auch als aseptische Lockerung bezeichnet. Für die Patienten ist die aseptische Lockerung gleichbedeutend mit Krankheit, Krankenhausaufenthalt und Notwendigkeit einer Operation mit komplettem Austausch der Endoprothese. Der Polyethylenabrieb ist der wichtigste Faktor, welcher die Langzeitprognose von Endoprothesen beeinflusst; Die wissenschaftliche Literatur belegt, dass eine geringe Abriebrate mit längerer Standzeit der Implantate einhergeht. Phänomene wie für den Polyethylenabrieb sind auch für Keramik- und Metallabrieb an Gelenkbildenden Oberflächen von Endoprothesen beschrieben. Deshalb ist es aus medizinischer Sicht wichtig, verstärkten Abrieb in Endoprothesen früh zu diagnostizieren, um durch entsprechenden Austausch ausschließlich der betroffenen Komponenten die drohende aseptische Lockerung des Implantates und eine Krankheit des Patienten zu vermeiden. Auch bei bereits beginnender Lockerung ist eine Diagnose im frühmöglichsten Stadium mit besseren Bedingungen für eine komplette Wechseloperation verbunden.
Die Erfindung betrifft folglich bevorzugt Endoprothesen die aus zusammensetzbaren Werkstoffteilen aufgebaut sind. In solchen Systemen lassen sich die als Gleitlager dienenden, beschädigten Komponenten, wie beispielsweise Polyethylen-Pfanneninlay bei der Hüftprothese und Polyethylen-Inlay bei der Knieprothese, auch isoliert austauschen, ohne dass ein kompletter Ausbau und Wechsel der Endoprothese notwendig wäre.
Um Abriebphänomene bei Endoprothesen in vivo rechtzeitig zu erkennen, werden verschiedene Messverfahren unter Zuhilfenahme von Röntgenaufnahmen der Gelenke angewandt. Von manuellen Messmethoden reicht die Auswahl bis zu computergestützten Verfahren. All diesen Methoden ist eine gewisse Ungenauigkeit gemeinsam, da unter Zuhilfenahme von Röntgenbildern gemessen wird.
Des Weiteren ist ein Implantat in einem menschlichen Organismus bekannt, bei dem der Werkstoffverschleiß indirekt feststellbar ist, in dem der Gehalt der Stoffe, die durch Verschleiß frei werden und im menschlichen Organismus zumindest transportiert werden, oder durch diese Stoffe hervorgerufener Stoffwechselprodukte, im Organismus messbar ist ( WO 2006/089 069 A2 ).
Auch der Einsatz nuklearmedizinsicher Untersuchungen wie beispielsweise der Skelettszintigraphie mit Technetium 99 m oder der FDG-PET (Fluoro-Desoxy-Glucose-Positronen-Emmissions-Tomographie) wird in der Fachliteratur zur indirekten Erfassung des Verschleißes und der aseptischen Lockerung von Prothesen beschrieben. Diese Verfahren ermöglichen weder spezifische Aussagen über Abriebphänomene, noch eindeutige Aussagen bezüglich der Stärke des Abriebs an gelenkbildenden Oberflächen an Endoprothesen.
Durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erkennung des Abriebs können ohne vorgenannte, mit Strahlung verbundene Verfahren, Schmerzen bei Patienten richtig bewertet, und die verschleißbedingten krankhaften Gewebsprozesse rechtzeitig erkannt werden, bevor sie zu einem Versagen des gesamten Implantates oder einer hierdurch bedingten Krankheit mit Lockerung führen. Solch eine ungefährliche Vorrichtung bildet eine zeitgemäße, einfache und wertvolle diagnostische Hilfe bei der Abklärung schmerzhafter Endoprothesen, indem sie Abrieb ohne Zuhilfenahme von Röntgen- oder anderer gefährlicher Strahlung messbar macht.
Um den Abrieb zu messen, weist die Vorrichtung einen im Werkstoff enthaltenen Markierungsstoff auf, welcher aus dem Werkstoff frei wird, sobald durch Abrieb die Werkstoffstrukturen aufbrechen: Je stärker der Abrieb, desto größer ist die Oberfläche der verschlissenen und somit Markierungsstoff freisetzenden Fläche. Der Markierungsstoff wird in die Gelenkhöhle freigesetzt, welche auf der Innenseite von der Gelenkhaut und außen von einer Kapsel ausgekleidet ist. Die Gelenkhöhle wiederum steht über die Gelenkhaut mit dem Blutkreislauf in Verbindung.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Markierungsstoff im Organismus gut transportierbar und ausscheidbar. Auf diese Weise ist der Markierungsstoff entsprechend einfach nachweisbar. Der Markierungsstoff kann beispielsweise im Gelenk, im Blut, im Urin, im Stuhl, im Schweiß und anderen Körpersekreten und Exkreten messbar sein. Hierbei kann es je nach Markierungsstoff auch dazu kommen, dass dieser im Organismus verstoffwechselt wird. Es wird vorgeschlagen, dass solch eine mögliche Verstoffwechselung des Markierungsstoffes ohne gesundheitliches Risiko für den Organismus ist.
Vorteilhaft ist die Integration des Markierungsstoffes im Gleitlager aus Polyethylen oder aus technischen Keramiken. Auch eine Einarbeitung des Markierungsstoffes in Metalle oder in den Knochenzement, welcher aus PMMA (Poly-Methyl-Meth-Acrylat) besteht, wäre erfindungsgemäß möglich.
Der Markierungsstoff kann einfach ein Atom oder aber auch ein Molekül sein, je nachdem im welchem Werkstoff dieser enthalten sein soll. Als Moleküle können sowohl organische als auch anorganische Substanzen eingesetzt werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Markierungsstoffe körpereigenen Stoffen gleichen und auf diese Weise für den Organismus unschädlich sind. Dies führt zu organischen Markierungsstoffen, die sich nur durch ein seltenes stabiles Isotop von natürlichen Körpersubstoffen unterscheiden. Als stabile in der Natur selten auftretende Isotope kommen daher insbesondere C-13 (Kohlenstoff), O-17 und O-18 (Sauerstoff), N-15 (Stickstoff) und H-2 (Wasserstoff) in Frage. Solche Markierungsstoffe werden beispielsweise in der Biologie und Biochemie eingesetzt um Stoffwechselwege zu untersuchen und sind in diversen Ausführungen herstellbar.
Eine besondere Ausführungsform sieht vor, dass der Implantatwerkstoff Polyethylen den Markierungsstoff enthält. Es wird vorgeschlagen, dass dieser in den Polyethylen-Polymerketten des UHMWPE (Ultra-High-Molecular-Weight-Poly-Ethylene) – ohne dabei eine kovalente chemische Bindung einzugehen – eingelagert ist und erst bei Bruch oder Abriss dieser Ketten im Rahmen des Verschleißes frei wird. Solche Verfahren zur Herstellung von mit anderen Stoffen gedoptem UHMWPE existieren bereits und sind sowohl in Patententschriften als auch in wissenschaftlicher Literatur beschrieben. Ein Beispiel für solche Verfahren ist ein mit dem organischen Stoff Vitamin-E gedoptes Polyethylen [ EP 1161489B1 ].
Eine spezielle Ausführungsform sieht vor, dass es sich bei dem vorrichtungsgemäßen Markierungsstoff beispielsweise um einen mit dem Isotop C-13 markierten Harnstoff handelt. Entsprechend den Erkenntnissen der Wissenschaft sind Harnstoffkonzentrationen in der Gelenkflüssigkeit direkt proportional zu den Harnstoffkonzentrationen im Serum, da der Austausch Blut-Gelenkflüssigkeit bei Harnstoff durch eine einfache Transportform, die Diffusion geschieht. Der C-13-Markierte Harnstoff ist somit nicht nur im vom Polyethylenabrieb betroffenen Gelenk enthalten, sondern geht über Diffusion aus dem Gelenk ins Blut über. Der Markierungsstoff kann dadurch im Gelenkpunktat, aber auch im Blut nachgewiesen werden. Da der C-13-markierte Harnstoff auch im Urin ausgeschieden wird, ist er ebenfalls hier nachweisbar. Im Organismus kommt natürlicherweise überwiegend C-12-haltiger Harnstoff vor, dementsprechend ist eine Aussage über den Implantatverschleiß anhand des Gehaltes des C-13-haltigen Harnstoffs möglich. Die Analyse des Anteils des C-13-haltigen Harnstoffs im Gelenkpunktat, Blut oder Urin kann z. B. mit der Massenspektrometrie, welche in den Naturwissenschaften ein breites Einsatzgebiet hat, erfolgen. Über den Gehalt lässt sich schließlich eine quantitative Aussage über den Polyethylenabrieb machen.
Mehrere Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
1 schematisch eine Ansicht eines künstlichen Hüftgelenks
2 schematisch eine Ansicht eines künstlichen Kniegelenkes
3 schematisch eine Ansicht des einen beispielhaften Markierungsstoff enthaltenden UHMWPE in einer Knie- und Hüftgelenks-Endoprothese im Bereich der größten- und einer geringeren Belastungszone.
4 schematisch eine Ansicht des Weges des beispielhaften Markierungsstoffes vom Gelenk ins Blut.
Die 1 zeigt ein typisches Hüftgelenksimplantat 1, bestehend aus einer metallischen Pfanne 2, einen Prothesenkopf 3 tragenden Metallschaft 4 und einem dazwischen geschalteten Polyethylen-Pfanneninlay 5, meist UHMWPE. Alternativ besteht der Prothesenkopf 3 oder das Pfanneninlay 5 aus technischer Keramik.
Die 2 zeigt ein typisches Kniegelenksimplantat 6. Dieses besteht vereinfacht betrachtet aus einer metallischen Femurkomponente 7 (Oberschenkelteil) und einem ebenfalls metallischen Tibiaplateau 8 (Unterschenkelteil). Dazwischen eingelagert ist ein Gleitlager aus Polyethylen 9, meist UHMWPE. Oft wird die Kniescheibenrückfläche ebenfalls mit einer Polyethylengleitfläche versehen (nicht gezeigt).
Das Funktionsprinzip der Vorrichtung und entsprechend aufgebauter Implantate, zeigt die 3 anhand eines beispielhaften Markierungsstoffes 10, welcher im Polyethylen-Gleitlager 11 der Hüft- 1 und Knieendoprothese 6 enthalten ist. Bei vermehrtem Abrieb des Polyethylens 11 in der Zone der größten Beanspruchung 12, wird der beispielhafte Markierungsstoff 10, ein aus einem C-13-Isotop aufgebautes Harnstoffmolekül, aus dem Werkstoff Polyethylen 11 frei, sobald durch Abrieb 13 die Polyethylen-Polymere 14 aufbrechen. Je stärker der Abrieb 13, desto zerklüfteter und größer ist die Oberfläche des verschlissenen Polyethylen 16. Je größer die Oberfläche des verschlissenen Polyethylen 16, desto stärker die Freisetzung des Markierungsstoffes 10 ins Gelenk. Bei unbeschädigtem Polyethylen 17 bleibt entsprechend dem vorgenanten Wirkprinzip der Markierungsstoff 10 in den Polyethylenpolymeren 14 eingebettet.
Der Weg des beispielhaften Markierungsstoffes wird in 4 gezeigt. Jedes Gelenk, auch das Kunstgelenk (hier Knieendoprothese 6) wird von einer Kapsel 23 umgeben, die auf der Innenseite von der Gelenkhaut 18 ausgekleidet ist. Das Gelenk steht über die Gelenkhaut mit dem außen liegenden Blutkreislauf, hier in Form eines Kapillargefäßes 19 in Verbindung. Der Markierungsstoff 10, der aus dem Polyethylen 11 frei wird, ist im Ausführungsbeispiel ein C-13-haltiger Harnstoff und verhält sich im Organismus wie der ihm gleichende, natürlich vorkommende C-12-haltige Harnstoff. Entsprechend den Erkenntnissen der Wissenschaft sind Harnstoffkonzentrationen in der Gelenkflüssigkeit direkt proportional zu den Harnstoffkonzentrationen im Serum, da der Austausch Gelenkflüssigkeit-Blut bei Harnstoff durch Diffusion 20 geschieht. Der beispielhafte Markierungsstoff, hier ein C-13-markierter Harnstoff ist somit nicht nur in dem vom Polyethylenabrieb betroffenen Gelenk und der Gelenkflüssigkeit 22 enthalten, sondern geht über Diffusion aus dem Gelenk ins Blut 21 über. Der Markierungsstoff kann dadurch im Gelenkpunktat 22, aber auch im Blut 21 nachgewiesen werden. Da der beispielhafte Markierungsstoff Harnstoff C-13 auch über die Niere in den Urin ausgeschieden wird, ist er hier ebenfalls nachweisbar (nicht gezeigt). Schmerzen und Gewebsreaktionen im Gelenk eines fiktiven Patienten können dank der Vorrichtung und einem entsprechend hergestellten Implantat richtig im Sinne von Werkstoffabrieb interpretiert werden. Das verschlissene Werkstoffteil des Implantates kann dadurch in einem kleineren Eingriff rechtzeitig ausgetauscht werden, bevor die Verschleißbedingten krankhaften Gewebsprozesse zu einem Versagen des gesamten Implantates oder einer hierdurch bedingten Krankheit des Patienten führen.

Claims

Implantat in einem menschlichen oder tierischen Organismus dadurch gekennzeichnet, dass im Werkstoff des Implantates ein besonderer Markierungsstoff, bestehend aus dem seltenen stabilen Isotop Kohlenstoff C-13 oder Sauerstoff O-17 oder Sauerstoff O-18 oder Stickstoff N-15 oder Wasserstoff H-2 enthalten ist, welcher bei Verschleiß frei wird und in einem menschlichen oder tierischen Organismus zumindest transportiert oder transportiert und ausgeschieden wird, wodurch der Gehalt des Markierungsstoffes oder seiner Stoffwechselprodukte im Organismus, oder in den Sekreten oder Exkreten oder in der Atemluft messbar, und dadurch der Werkstoffverschleiß indirekt feststellbar wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Implantat eine Hüft-Endoprothese ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Implantat eine Knie-Endoprothese ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Implantat eine Schulter-Endoprothese ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Implantat eine Sprunggelenks-Endoprothese ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Implantat eine Bandscheiben-Endoprothese ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff ein Kunststoff ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ein Polyethylen oder UHMWPE ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ein PMMA ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff eine technische Keramik ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff ein Metall oder eine Metallverbindung ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der im Werkstoff enthaltene Markierungsstoff lediglich ein Atom ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der im Werkstoff enthaltene Markierungsstoff ein Molekül ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Markierungsstoff eine anorganische Verbindung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Markierungsstoff eine organische Verbindung ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Markierungsstoff selbst oder seine Stoffwechselprodukte zumindest in der Gelenksflüssigkeit nachweisbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Markierungsstoff selbst oder seine Stoffwechselprodukte zumindest im Blut nachweisbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Markierungsstoff selbst oder seine Stoffwechselprodukte zumindest im Urin nachweisbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Markierungsstoff selbst oder seine Stoffwechselprodukte zumindest im Stuhl nachweisbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Markierungsstoff selbst oder seine Stoffwechselprodukte zumindest im Schweiß nachweisbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Markierungsstoff selbst oder seine Stoffwechselprodukte zumindest im Speichel nachweisbar sind.
Verfahren zur Bestimmung des Verschleißes eines Implantatwerkstoffes in einem menschlichen oder tierischen Organismus dadurch gekennzeichnet, dass im Werkstoff des Implantates ein besonderer Markierungsstoff, bestehend aus dem seltenen stabilen Isotop Kohlenstoff C-13 oder Sauerstoff O-17 oder Sauerstoff O-18 oder Stickstoff N-15 oder Wasserstoff H-2 enthalten ist, welcher bei Verschleiß frei wird und in einem menschlichen oder tierischen Organismus zumindest transportiert oder transportiert und ausgeschieden wird, wodurch der Gehalt des Markierungsstoffes oder seiner Stoffwechselprodukte im Organismus, oder in den Sekreten oder Exkreten oder in der Atemluft messbar, und dadurch der Werkstoffverschleiß indirekt feststellbar wird.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–21 zur Erfassung und Bestimmung des Werkstoffverschleißes bei Implantaten.