GVOP-3.1.1-2004-05-0357/3.0 jelű projekt. Az Európai Unió 75%-os támogatásával. BME Biomechanikai Koop. Kutatóközpont. /2005-2008/ BME GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR. OKTATÁSI SEGÉDANYAG. izületi implantátum kutató-fejlesztő szakirányú továbbképzéshez Hosszú élettartamra képes biológiai integrációjú izületi implantátumok kialakításának kutatás-fejlesztése. Kutatók: Dr.Borbás Lajos, Molnár János. A kutatás-fejlesztés indokoltsága. Világszerte ismert, hogy az osteoporosis okozta izületi károsodások száma -kiemelkedően a combnyaktöréseké- állandóan emelkedik. Az okok között van sok új gyógyszer melyek bizonyos súlyos betegségekhez nélkülözhetetlenek- de csontgyengítő mellékhatással rendelkeznek. Izületi implantátum beültetésére kényszerülő ember életkilátásainak, lehető legteljesebb munkaképességének visszaadása, annak lehető leghosszabb élettartama nagyon fontos társadalmi-emberi követelmény, és gazdasági-pénzügyi kihatása is / a reoperációk magas orvosi ellátási költsége miatt is/ nagyon nagy. Nemzetközi referancia. S.A.V. Swanson angol implantátum kutató ( gépészmérnök, egyetemi tanár) már 1977-ben kijelölte az izületi implantátumoktól megkövetelt alapvető tulajdonságot: ne lazuljon ki, ne okozzon fájdalmat, és évtizedekig alkalmas legyen az életviteli terhelések felvételére. / 1 / Ezen elvárásnak 33 év elteltével is csak a törtrésze jellemző. Swanson már akkor hangsúlyozta, hogy ehhez az implantátum, illetve a csonttal közvetlenül érintkező tartománya bio-funkcionális működési képességű konstrukciós felépítése is megkövetelt. Az elmúlt évtizedek kutatás-fejlesztései során ebben nem történt érdemi előrelépés. / 2 / A biológiai integrációjú implantátumok tartós, megbízható rögzítése máig nem megoldott./ 3/. A nem kielégítő élettartamok döntő oka, hogy a nemzetközi szinten is bemutatott kutatások, állatkísérleti csonti integrációs vizsgálatok 10 % körüli mértékű beépülésről számolnak be. / 4 /, /5/. A kutatás-fejlesztés célja. Teljes mértékű beépülésre képes implantátum ill. integrációs tartománya konstrukciójának kidolgozása. Olyan világviszonylatban új integrációs tartományú implantátum kialakítás kifejlesztése, amelynél a változó életviteli terhelések során az implantátum környezetében kialakuló nagyon összetett, heterogén erőviszonyok hatására az integrációs tartományban bio-analóg transzformált csontszerkezet-állapot alakulhasson ki. 1
Célunk volt ennek során kísérleti-vizsgálati implantátumok készítései, állatkísérleti implantátum beültetés-sorozatok végzései, a beépülési mértékek és a beépülés stabilitások vizsgálatai. Az konstrukciós kialakítást illetően támasztott követelményeink: - Az implantátum integrációs tartományának csonthasonló rugalmas összekapcsolódást, összeépülést kell biztosítani. - A vérnek az integrációs tartomány legkisebb részletébe is el kell tudni jutni, átvérzési folyamat kialakulását kell lehetővé tenni, egyrészt a zavartalan csontképződés biztosításáoz, másrészt a fertőző baktériumok elleni védekezéshez. - Az integrációs tartományban olyan csonti bázis felületeknek kell kialakulni, amelyek az összetett, heterogén és változó életviteli terhelési erőhatásokat megoszló jelleggel, rugalmas állapotú bázispontok sokaságával, így fiziológia-analóg módon legyen képes átvenni. A konstrukciós kialakítás. Az implantátum felületén különböző kialakítású és irányú hornyok vannak, és ezen a felületen, a hornyokban is, mikro-rácsszerű felépítmény van. /Szabadalom./ Ebbe az integrációs tartományba nő be a csont, a rugalmas képességű mikro-rácsszerű felépítménybe is, és alakulnak ki itt a tartó csontfal pillérek. Ebben az integrációs tartományban alakulnak ki beültetés után- a különböző terhelésorientált csontszöveti részek. /A beültetett különböző kialakítású implantátumok a röntgen képeken láthatók./ A kutatás-fejlesztés munkaszakaszai. 1. Munkaszakasz. -A kutatás-fejlesztési implantátumok tervrajzainak készítései. - Implantátum vizsgálati minták készítései. - In-vitro felépítmény-kialakítási, stabilitási vizsgálat-sorozatok, csont analóg feltételeknél. 2. Munkaszakasz. - Pre in-vivo implantátum tervrajzok készítései. - Implantátum minták készítései. Vizsgálatsorozatok végzései. - Biomechanikai Műtétterv készítése. 3. Munkaszakasz. - 32 darab kísérleti implantátum beültetése 16 juh egyedbe, hét ütemben, Állatkórházban. A beültetések a femur, felkar és combnyak helyekre történtek. A műtétes állatokon az implantátumok jelei piros színnel vannak feltüntetve. - Minden implantátum beültetési helyre vonatkozóan részletes műtéti előírásokat készítettünk. 2
A műtétek egy fázisa az 1. ábrán, az intenzív kezelés, az ébresztés egy esete a 2. ábrán, a műtétes állatok egy csoportja a 3. ábrán látható. Egy femur helyi-, egy combnyak helyi-, egy felkar helyi implantátum beültetés röntgen felvételei a 4., az 5., és a 6. ábrán láthatók. 1. ábra. 2. ábra. 3. ábra. 4. ábra. 5. ábra. 6. ábra. 4. Munkaszakasz. Az implantátum beültetési műtétek után minden juh az állatkórházban tartózkodott 5 napig, orvosi megfigyelésre. Megállapítható volt és a műtétek sikerességét igazolja, hogy mind a 16 állat jó állapotban továbbszállításra került -vidéki szabadtéri- tartózkodási helyére.. A műtétes állatok a többi ott levő juhokkal megegyező kültéri tartási feltételekkel kerültek elhelyezésre. A műtétes állatoknál a teljes tartási időszak alatt- semmilyen negatív magatartás nem volt észlelhető. Az implantátumokat tartalmazó csontrészek kivételére 7 11 hónap után, folyamatosan került sor. A./ Az implantátumokat tartalmazó csontrészek kivételei. A mikroszkópos vizsgálatokhoz metszetek készítései. 1/ A 32 csontrész műtéti kivételeihez rajzi ábrázolásokat is tartalmazó részletes műveleti előírásokat készítettünk az Állatkórház részére. (Példaként egy műveleti előírás a 7. ábrán látható.) 3
7. ábra. 2/ Az implantátumokat tartalmazó 32 csontrészt olyan alakra készítettük el forgácsolással amelyek nagyobb részben a mikroszkópos vizsgálati metszetek gépi elkészítéseihez, a biztonságos befogáshoz szükséges, kisebb részben úgy, hogy a kiszakító vizsgálatokhoz, a vizsgáló gép készülékébe általunk készített befogó egységekkel befogható legyen. 3/ A mikroszkópos vizsgálatokhoz a metszeteket ISOMET 1000 típusú precíziós célgépen készítettük el (8. ábra). Ennek során az egyes csontrészekből több metszetet készítettünk, hogy az implantátum alaptest, az integrációs felépítmény beépülését a különböző környezeti, érhozzáférési és különböző csontszerkezeti feltételeknél vizsgálhassuk. Indokolta ezt az is, hogy az implantátumokról csak egy síkbeli helyzetet mutató röntgen felvétel állt rendelkezésünkre. 8. ábra A csont/implantátum metszeteket közelítőleg az implantátum tengelyére merőlegesen készítettük, hogy a csonti integráció megvalósulása az implantátum teljes kerületrészén vizsgálható legyen. 4
4/ Egyes metszeteknél csiszolási-polírozási műveleteket is végeztünk Phoenix Béta típusú precíziós célgépen (9. ábra). 9. ábra B./ A beültetett implantátumok beépüléseinek részletes vizsgálatai, kiértékelése. A 32 db. implantátumot tartalmazó- csontrész műtéti kivételeihez műveleti előírásokat készítettünk az állatkórház részére. Az implantátumokat tartalmazó csontrészek kivételeire 7-11 hónap után, folyamatosan került sor. Az implantátumokat tartalmazó csontrészek a 10. ábra szerintiek voltak. A mikroszkópos vizsgálatokhoz a metszeteket ISOMET 1000 tipusú precíziós célgépen készítettük el. Csiszolási polírozási műveleteket Phoenix Béta tipusú célgépen végeztünk. A 8. és 9. ábrán egy-egy csont/implantátum metszetet és nagyított metszetrészeit mutatjuk be. A metszetek és részmetszetek ábráin, a vizsgálati metszeteken az implantátumokat körülvevő hornyok belső átmérői, a magátmérők láthatók. 7. ábra 5
8.ábra 9.ábra A látható teljes mértékű beépülések, a csontfal pillérek kialakulása minden beültetett implantátum jellemzője. A rácsszerű felépítmény a csontfal pilléreknek is belső részévé vált. C./ Négy beültetett implantátum terhelési vizsgálatai. Az implantátumok középátmérői 6mm, a beépülésük hossza 15 20mm volt. A vizsgálatokat INSTRON tipusú gépen végeztük. Az implantátumok külső végrészeit terheltük, a másik vég a velőűrben volt.. A terhelés sebessége 0,01 mm/sec volt. 1. sz. terhelési vizsgálat. Az implantátum jele: 1 A terhelési görbe a 10. ábrán látható. Terhelési határérték: 400 N. 2. sz. terhelési vizsgálat. Az implantátum jele : 4 A terhelési görbe a 11. ábrán látható. Terhelési határérték: 550 N. 10. ábra 11. ábra 6
3. sz. terhelési vizsgálat. Az implantátum jele: 17. A terhelési görbe a 12. ábrán látható Terhelési határérték: 400 N. 4. sz. terhelési vizsgálat. Az implantátum jele: 19. A terhelési görbe a 13. ábrán látható. Terhelési határérték: 370 N. 12. ábra 13. ábra. A diagramokból látható, hogy az implantátumok terhelési határa 360N és 550N között volt. Ez a különbség abból adódik, hogy a négy implantátum különböző mértékben volt csontszövetes részben. Minthogy az implantátum integrációs tartománya középátmérője 6mm és a csont által integrált rész hossza 15-20mm, a mért terhelési határértékek kiemelkedően nagyok. Ezek a terhelési határértékek azért is nagyon magas értéknek minősülnek, mert mintegy 90%-ban spongiosus (jellegű) csontrészben történt az implantátumok beépülése. (Ezek az eredmények humán területre kiterjesztve az alábbiak szerint értelmezhetők: A humán rendeltetésű intramedulláris elhelyezkedésű implantátumoknak a beépülési csonttal érintkező része átmérője mintegy kétszeres, a beépülési hossza pedig öthatszoros, az előbbiekben vizsgált implantátumokhoz képest. Ilyen mértékben a projekt szerinti integrációs tartományú implantátum terhelhetősége 3600N és 5500N közötti (350kg és 540kg tömegű) terhelési határú képességet jelent.) Összefoglaló értékelés. Az előbbiek szerinti mikroszkópos vizsgálatsorozat és a terhelésvizsgálati diagramok alapján megállapítható, hogy a kifejlesztett világviszonylatban új, szabadalmaztatott- térbeli integrációs tartományú felépítésű implantátum kialakítás akadálytalan vérellátást, ezáltal zavartalan csontképződést biztosít. Teljes mértékű csonti beépülése révén kiemelkedően magas terhelésfelvételre képes. További kutatási terv fejezetei: 1. Világviszonylatban új, femur helyi csípőizületi implantátum kialakítás kutatás-fejlesztése, állatkísérletekhez. 2. A kísérleti implantátumok elkészítései. 3. In vitro vizsgálatsorozatok. 4. Állatkísérleti beültetés sorozatok végzése. 5. Utánkövetések. Kiértékelés. 6. Humán rendeltetésű csípőizületi implantátum szabadalmi bejelentés kidolgozása. 7
Irodalom. (1) S.A.V. Swanson, D Sc(Eng), Phd, DIC, ACGI, MIMechE: The Scientific Basis of Joint Replacement. 1977 Pitman Medical Publishing Co. Ltd., Tunbridge Wells, Kent: 146-199. (2) S.J.Breusch, P.R.Aldinger,M.Thomsen, V.Ewerbeck, M.Lukoschek: Verankerungsprinzipien in der Hüftendoprothetik /Der Unfallchirurg 2000-11:918-931./ Abgesehen von wenigen Ausnahmen /z.b. vebesserte Zementiertechniken/ haben die unzahligen Neuerungen in der Hüftendoprothetik bisher zu keiner gesicherten Verbesserung der Überlebensraten geführt. (3) U.Ochs, C. Eingartner, R.Volkmann,B.G.Ochs,C.Huber,S.Weller,K.Weise: Prospective Long-Term Follow-Up of the Cementless Bicontact Hip Stem with Plasmapore Coating. /Zeitschrift Orthop. Unfall 2007:145:S3-S8./ Permanent implant fixaton after replacement of large joints contiunes to be an unsolved problem. (4) C.Reyes, T.Petrie, K. Burns, Z. Andrés: Verbesserung der Knochenheilung und der knöchernen Einheilung von Implantaten. /Zeitschrift Orthop. Unfall 2007:145:550. Die Oberflachenmodifikation verschiedener Biomaterialen durch Beschichtungen mit Kalzium-Phosphat Keramiken sowie makro- und mikroporöse Oberflachen zeigen einen begrenzten Erfolg bei knöcherner Einheilung von Implantaten. (5) U.Schreiner, H.Koester, P.Pott,G.Scheller,M.Schwarz.: Osteointegration einer Alumina-Matrix-Composite-Keramik mit poröser Oberflache: Eine mechanische und histologische Untrsuchung im Tierversuch. /Zeitschrift Orthop. Unfall 2008:147:603-609. / Bei der histologischen Evaluation zeigte sich eine durchschnittliche Knochenanwachsrate von 7,4+3,4% der Implantatoberflache. 8