Pierangiola Bracco

1 Departamentul de chimie și NIS (Interfețe și suprafețe nanostructurate), Universitatea din Torino, 10125 Torino, Italia

Anuj Bellare

2 Departamentul de Chirurgie Ortopedică, Brigham and Women’s Hospital, Harvard Medical School, Boston, MA 02115, SUA; ude.tim.mula@juna

Alessandro Bistolfi

3 Spitalul CTO, Orașul Sănătății și Științei, 10126 Torino, Italia; ti.ot.etulasalledattic@iflotsiba

Saverio Affatato

4 Laborator de tehnologie medicală, Institutul ortopedic Rizzoli, 40136 Bologna, Italia; ti.roi.oncet@otataffa

Abstract

Polietilena cu greutate moleculară foarte ridicată (UHMWPE) este cel mai obișnuit material portant în artroplastia articulară totală datorită combinației sale unice de proprietăți mecanice superioare și rezistență la uzură față de alți polimeri. O mulțime de cercetări din ultimele decenii s-au concentrat pe îmbunătățirea în continuare a performanțelor sale, pentru a oferi implanturi durabile pacienților tineri și activi. De la polietilene „istorice”, gamma-aer sterilizate, la așa-numita primă și a doua generație de materiale extrem de reticulate, o varietate de formulări diferite au apărut progresiv pe piață. Această lucrare revizuiește relația structură - proprietăți a acestor materiale, cu un accent deosebit pe performanțele de uzură in vitro și in vivo, printr-o analiză a literaturii existente.

1. Introducere

Polietilena cu greutate moleculară foarte ridicată (UHMWPE) a fost utilizată ca material portant în artroplastia articulară totală de mai bine de 50 de ani. Ideea de a înlocui cartilajul degradat cu un strat de polimer datează de la sfârșitul anilor 1950. La acea vreme, Sir John Charnley a ales politetrafluoretilenă (PTFE), un polimer cu frecare redusă, ca material lagăr pentru înlocuirea acetabulului natural, articulat împotriva unui cap femural metalic, pentru înlocuirea șoldului. Datorită rezistenței inacceptabil de scăzute la uzură a PTFE, totuși, primele „artroplastii cu frecare redusă” au eșuat dramatic după câțiva ani de implantare. În 1962, UHMWPE, un polimer cu frecare similară, dar mult mai rezistent la uzură, a înlocuit PTFE în artroplastia de șold a lui Charnley, cu performanțe remarcabil mai bune. De atunci, artroplastia a cunoscut o evoluție considerabilă, dar UHMWPE rămâne standardul de aur pentru șolduri artificiale și acum pentru alte articulații artificiale, inclusiv genunchiul și umărul [1].

În ciuda unui istoric relativ reușit, numărul în continuă creștere a procedurilor anuale [2,3] și, mai presus de toate, creșterea dramatică a cererii la pacienții mai tineri și mai activi [4] au stimulat o cercetare constantă pentru formulări de materiale optimizate și proceduri de procesare, pentru a asigura un nivel ridicat de performanță și durabilitate.

Fiecare potențială inovație a fost însoțită de o mulțime de studii preclinice, efectuate de cercetători din întreaga lume, adesea cu metode foarte diferite și uneori cu rezultate contradictorii.

Doar unele dintre aceste studii au avut ca scop stabilirea unei corelații între caracteristicile chimice și morfologice ale polimerului și proprietățile sale mecanice și rezistența la uzură. În unele cazuri, studiile de recuperare au corelat proprietățile materiale cu rezultatul clinic al implantului.

Prezenta lucrare își propune să exploreze o astfel de corelație printr-o analiză a literaturii relevante care a apărut în ultimele decenii.

2. UHMWPE

UHMWPE este un tip particular de polietilenă (PE), cu o masă moleculară excepțional de mare. Organizația internațională de standardizare (ISO 11542) (ISO, 2001) definește UHMWPE ca având o greutate moleculară de cel puțin 1 milion de g/mol, în timp ce Societatea Americană pentru Testare și Materiale (ASTM) specifică că UHMWPE are o greutate moleculară mai mare de 3,1 milioane de g/mol [5]. Pe lângă masa moleculară, microstructura polimerului joacă, de asemenea, un rol important în determinarea proprietăților sale fizice, chimice și mecanice. UHMWPE, ca majoritatea polietilenelor, este un polimer semicristalin compus din cel puțin două faze interpenetrante: o fază cristalină, în care macromoleculele se pliază în lamele cristaline ordonate și o fază amorfă, dezordonată, eventual intercalată de o parțial ordonată, așa-numita all-trans, interfază [6,7].

3. Polietilene sterilizate cu radiații „istorice” și convenționale

Termenul „istoric” a identificat adesea polietilene sterilizate cu 25-40 kGy de radiații gamma în aer [10]. Aceste tipuri de polietilenă au o istorie clinică îndelungată, începând de la primele implanturi de pionierat din anii 1960, până la sfârșitul anilor 1990, moment în care majoritatea producătorilor trecuseră la PE ambalat inert-sterilizat, cu barieră de tip PE și/sau la PE de tip cross-like. Totuși, exemple de polietilene sterilizate cu aer gamma pot fi găsite sporadic și în aplicațiile clinice contemporane [10,11].

polietilenei

Secțiunea transversală a unei inserții tibiale sterilizate gamma-aer, care prezintă un „efect coroană” caracteristic (banda albă subterană), împreună cu spectrele sale de transformare Fourier cu infraroșu (FTIR), care prezintă prezența unor produși de oxidare abundenți. Adaptat din [17], cu permisiunea.

Măsura și rata oxidării induse de radiații depind de mai mulți factori, inclusiv doza totală absorbită și rata dozei, temperatura instalației de sterilizare, disponibilitatea oxigenului și grosimea probei, care la rândul său guvernează distribuția concentrației de oxigen prin grosimea implantul. În plus, procesul oxidativ inițiat în timpul sterilizării poate continua, cu rate variabile, dar mici, în timpul depozitării și implantării pe raft (îmbătrânirea post-iradiere). Din nou, rata și amploarea degradării oxidative depind de timpul și temperatura de îmbătrânire pe raft și de cantitatea de oxigen disponibil în raft și in vivo [19]. Mai mult, se pare că solicitările mecanice dezvoltate în timpul utilizării in vivo pot facilita, de asemenea, procesul oxidativ [23,24]. În rezumat, rezultă că sterilizarea prin radiații cu energie ridicată în prezența aerului poate duce la niveluri de oxidare foarte variabile în polietilene, influențate de mai mulți factori.

În general, s-a demonstrat că degradarea oxidativă duce la modificări semnificative ale proprietăților mecanice ale UHMWPE și, în special, la fragilitate. Este cunoscut faptul că fragilitatea polimerilor este corelată cu proprietățile de întindere [25,26]. În consecință, o creștere a modulului elastic și o scădere a alungirii până la eșec, a stresului final și a rezistenței a fost demonstrată de o serie de studii [27,28,29] (Figura 2); în plus, a fost observată și o scădere a rezistenței la propagarea fisurilor de oboseală [20,30], în timp ce o scădere adesea dramatică a rezistenței la uzură (Figura 3) a fost demonstrată de studii in vitro multiple și de recuperare (22,29,31,32, 33,34].

Curbe mici de deplasare a încărcăturii pumnului pentru inserții tibiale din polietilenă cu greutate moleculară ultra-ridicată (UHMWPE) sterilizate gamma-aer la locațiile de la suprafață și subsol: (A) control, neîntemeiat; (b) în vârstă de 5 ani; (c) raft în vârstă de 10 ani. Adaptat din [27], cu permisiunea.

Inserție tibială din polietilenă recuperată care prezintă deteriorări severe la uzură, inclusiv delaminare și uzură severă (10 ani in vivo).

Uzura în acest material a fost de obicei măsurată ca pierderea în greutate la un milion de cicluri după ce s-a luat în considerare absorbția serului bovin în timpul articulației pe o contrafață metalică sau ceramică. Un eșantion de control este încărcat și îmbibat în ser bovin, dar nu este articulat, iar absorbția lichidului este măsurată periodic împreună cu eșantioanele uzate. Rata de uzură a fost raportată și ca factor de uzură, care este pierderea în greutate normalizată de sarcină și calea totală de uzură parcursă [35,36].

Cu toate acestea, merită menționat faptul că mai multe studii in vitro au raportat performanțe de uzură semnificativ mai bune ale polietilenelor iradiate gamma-aer vs. cele neradiate. De exemplu, Essner și colegii săi [37], într-un studiu cuprinzător care investighează relevanța clinică a experimentelor de simulare a șoldului, au demonstrat că volumul de uzură al cupelor nesterilizate și sterilizate cu EtO a fost de două ori mai mare decât cel iradiat gamma în cupele cu aer. În mod similar, Affatato și colab. [38] a arătat că după cicluri de 5 M într-un simulator de șold, probele sterilizate cu EtO purtau de 1,2 ori mai rapid decât cele iradiate gamma și același rezultat a fost confirmat chiar și într-un test ulterior într-un regim de uzură al treilea corp [39]. McKellop și colab. [40], într-un alt experiment de simulare a șoldului, a găsit, de asemenea, rate de uzură indistincte pentru două căni, ambele iradiate gamma în aer, realizate din rășini diferite (GUR 4150 și 1020, cu și fără stearat de calciu) și o rată de uzură cu 54% mai mare pentru o ceașcă făcută cu aceeași rășină GUR 4150, sterilizată cu oxid de etilenă.

Acest lucru se întâmplă probabil pentru că, așa cum s-a evidențiat mai sus, iradierea gamma are ca rezultat o combinație de reticulare și scindare în lanț, aceasta din urmă prevalând doar după un timp prelungit de îmbătrânire postiradiere. Având în vedere efectul opus al acestor două fenomene asupra rezistenței la uzură a UHMWPE [17,33,41,42], devine evident că eșantioanele sterilizate cu radiații vor prezenta o uzură mai redusă a celor neradiate sau EtO/gaz sterilizate cu plasmă, la o scurtă perioadă de iradiere scara timpului și condițiile de stocare care permit reticularea să prevaleze într-o măsură mai mare decât sciziunea lanțului. Dimpotrivă, după îmbătrânire accelerată adecvată sau îmbătrânire mai lungă în timp real, în raft sau in vivo, performanțele de uzură și oboseală ale probelor iradiate gamma se deteriorează considerabil ca o consecință a degradării oxidative și anulează orice beneficii pe termen scurt ale reticulării asociate cu metodele de sterilizare care utilizează radiații ionizante [21,29,32,33,43].

Această observație i-a determinat pe cercetătorii din domeniu să implementeze strategii pentru a profita de avantajul reticulării induse de tratamentele cu radiații, minimizând totuși dezavantajul oxidării pe termen lung.

Prima măsură adoptată a fost sterilizarea UHMWPE cu radiații cu energie ridicată într-un mediu cu conținut scăzut de oxigen (vid sau gaz inert, adică argon sau azot) [10,44,45,46]. Această practică evită contactul cu oxigenul în timpul sterilizării și, dacă căptușeala este înfășurată într-un ambalaj adecvat pentru barieră, și în perioada de valabilitate următoare [11,47]. Din păcate, nu împiedică contactul cu oxigenul solubilizat în polietilenă înainte de ambalare în mediul cu conținut scăzut de oxigen și nici cu cel disponibil in vivo [43], astfel încât s-a observat o oarecare oxidare și în aceste polietilene, chiar dacă la niveluri mult mai scăzute decât pentru radiațiile sterilizate în aer [11,48,49].

4. Polietilenă foarte reticulată de prima generație

4.1. Îmbunătățirea rezistenței la uzură

La sfârșitul anilor 1990, un număr mare de studii clinice și de laborator au indicat faptul că reticularea oferă o îmbunătățire substanțială a rezistenței la uzură a UHMWPE. Mecanismele prin care apare această îmbunătățire au fost elucidate de diverși cercetători [41,42,50,51,52]. Practic, se presupune că uzura UHMWPE are loc prin deformarea plastică a polimerului, cu aliniere moleculară în direcția mișcării care are ca rezultat formarea fibrilelor fine extrase orientate paralel una cu alta. Ca urmare a acestui aranjament, suprafața de uzură UHMWPE se poate întări de-a lungul direcției de alunecare, în timp ce aceasta slăbește în direcția transversală. Wang și colab. [50] a concluzionat că, în condițiile mișcării multidirecționale, care se poate aplica atât la șold, cât și la articulația genunchiului, acest fenomen de înmuiere a orientării este responsabil în principal de detașarea resturilor fibroase de uzură de pe suprafețele uzate care au fost observate. în multe rapoarte [53,54,55]. Prin urmare, s-a postulat că, întrucât reticularea induce legături carbon-carbon între lanțurile adiacente, reducând astfel mobilitatea lanțului și inhibând o astfel de orientare moleculară, ar fi fost eficient în încetinirea formării fibrilelor de suprafață și a face polietilena mai rezistentă la uzură [41,51,56].

Deși există unele controverse în literatura de specialitate, cu privire la mecanismele chimice de reticulare a radiațiilor UHMWPE [19,56,57,58], majoritatea autorilor sunt de acord că densitatea de reticulare crește liniar până la doze de radiații în ordinea a 100 kGy, peste care tinde spre un platou (Figura 4 a) [42]. Cu toate acestea, scăderea rezistenței la rupere și la rupere continuă la o doză de radiație mai mare de 100 kGy [59,60]. Prin urmare, cea mai mare parte a polietilenelor cu „mare generație” foarte reticulate au apărut în studii experimentale in vitro și clinice la sfârșitul anilor 1990 și la începutul anilor 2000 au fost iradiate la doze cuprinse între 50 și 105 kGy [5].