X-ray irradiation: an alternative technology to improve vitamin E blended polyethylene properties as orthopedic implant material

Mulliez, Marie Anne (2020): X-ray irradiation: an alternative technology to improve vitamin E blended polyethylene properties as orthopedic implant material. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Die Hüftendoprothetik zählt zu den erfolgreichsten chirurgischen Eingriffen Deutschlands. Aufgrund der Verlängerung der Lebenserwartung und des Erfolges des Eingriffes nimmt die Zahl der Implantationen stetig zu und das Patientenalter bei der Erstimplantation ab. Infolgedessen ist mit einer Zunahme der Revisionen in Zukunft zu rechnen. Darüber hinaus, bedingt durch die Ionenfreisetzungsproblematik der Metall-Metall-Gleitpaarungen, ist das hochvernetzte Polyethylen auf dem Weg zum Goldstandard. Steigende Rohstoffkosten und Preisdruck auf dem Markt bringen die Herausforderung, bessere Implantate zu niedrigeren Fertigungskosten zu entwickeln. Die erhebliche Verbesserung der Abriebfestigkeit durch die Quervernetzung mittels ionisierender Strahlung ist klinisch etabliert. Die gängigsten Vernetzungsmethoden sind die Gammastrahlen und der Elektronenstrahl (E-Beam). Die Gammastrahlen zeichnen sich durch eine niedrige Dosisrate aus, die eine Serienbestrahlung bei erhöhter Temperatur ausschließt und eine Inprozess-Oxidation fördert. Die wesentliche Einschränkung von E-Beam besteht in einer geringen Eindringtiefe. Mit ihrer hohen Eindringtiefe und einer verhältnismäßig hohen Dosisrate ermöglichen die Röntgenstrahlen eine „warm“-Bestrahlung mit ihrer vorteilhaften Wirkung auf die Vernetzung und die Stabilisierung durch Vitamin E. Die Zielsetzung dieser Arbeit war mittels einer physikalischen, chemischen, mechanischen und tribologischen Materialcharakterisierung zu eruieren, inwieweit die Röntgenstrahlung in der Lage ist, die Polyethylen-Eigenschaften zu verbessern und eine Alternative zu Gamma und E-Beam zu bilden. Der positive Einfluss der erhöhten Bestrahlungstemperatur auf die Strahlenvernetzung und Oxidationsbeständigkeit von Vitamin E stabilisiertem Polyethylen, unabhängig von der Bestrahlungsquelle E-Beam oder Röntgen, wurde bestätigt. Unsere Ergebnisse stützten die Hypothese, dass bei gleichem Grundmaterial (GUR® 1020E), gleicher Bestrahlungstemperatur (100 °C) und Dosis (80 kGy), unterschiedliche Strahlungsquellen E-Beam und Röntgen zu gleichwertigen physikalischen, chemischen, mechanischen Eigenschaften und in-vitro-Verschleißfestigkeit führen. Es ist nicht bekannt, wie sich dieses oxidativ stabilisierte und Röntgenstrahlung-hochvernetzte Polyethylen auf die langfristige Revisionsrate auswirken wird, die in-vitro-Ergebnisse sind jedoch ermutigend.

Abstract

Total hip arthroplasty is one of the most successful surgical procedures in Germany. Due to the elongation of life expectancy and the success of the procedure, the number of implantations is steadily rising and the age of patients at the time of primary surgery is decreasing. Consequently, an increase in the incidence of revisions is expected in the future. In addition, as a result of the ion release issues the metal-metal-bearings are about to disappear and the highly cross-linked polyethylene to become the gold standard. Rising raw material costs and price pressure on the market make it a challenge to develop better implants at lower manufacturing costs. The considerable wear resistance improvement through cross-linking by irradiation is clinically established. The most common cross-linking methods are Gamma rays and electron beam (e-beam). Gamma rays are characterized by a low dose rate, which excludes serial irradiation at elevated temperature and promotes in-process oxidation, the main limitation of e-beam is the low penetration depth. With their high penetration depth and a relatively high dose rate, X-rays allow for "warm" irradiation and its beneficial effect on cross-linking and vitamin E stabilization. The aim of this work was to determine, by means of physical, chemical, mechanical and tribological material characterization, the extent to which X-rays are able to improve the properties of polyethylene and offer an alternative to Gamma rays and e-beam. The positive influence of elevated irradiation temperature on the radiation cross-linking and oxidation resistance of vitamin E stabilized polyethylene, independent of the irradiation source E-Beam or X-rays, was confirmed. Our results supported the hypothesis that, using same base material (GUR® 1020E), same irradiation temperature (100 °C) and dose (80 kGy), different radiation sources, e-beam and X-ray, lead to equivalent physical, chemical, mechanical properties and in vitro wear resistance. It is not known how this oxidative stabilized and X-ray highly cross-linked polyethylene will affect the long term revision rate, but the in vitro results are encouraging.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: X-ray cross-linking, Vitamin E stabilized polyethylene, Hip prosthesis, Irradiation temperature, Materail characterization
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 29. Juli 2020
• 1. Bericht­erstatter:in: Grupp, Thomas