XV. MÄ°LLÄ° TÃœRK ORTOPEDÄ° VE TRAVMATOLOJÄ° KONGRE KÄ°TABI

ABSTRAKTLAR, BÖLÜM 11: ARTROPLASTÄ°

<< | Ýçindekiler | >>

FEMORAL KOMPONENT YÜZEY ÖZELLİKLERİNİN KEMİK-ÇİMENTO BİLEŞKESİ VE ÇÖKME ÜZERİNE ETKİSİ (İN-VİTRO BİR ÇALIŞMA)

Dört çift kadavra femuru kemik mineral dansitesi ve içeriğini saptadıktan sonra tasarımcıların yayınlanan tekniğine göre hazırlandı. Abdüktör mekanizmayı stimule edecek şekilde bir bant trokantreik bölgeye vida ve polimetilmetakrilat (PMMA) yardımı ile tespit edildi. Gruen'in (1,3,5,7) bölgelerine femoral komponentlerin üzerine 2 elamanlı gerilim ölçerler yarleştirildi. Mat ve parlatılmış yüzeye sahip femorla komponentler PMMA ile implante edilip gerilim ölçerlerden çıkan teller PMMA içerisinden çıkarıldı. Her femur ve femoral komponent üzerine radyolojik işaretler yerleştirilip grafileri çekildi ve bilgisayar aracılığı ile yerleri tespit edildi. Fiberglas içine tespit edilen komponentler 37 dereceye ısıtılıp 25 Nm abdüktör, 10 Nm torsiyonel, 2000 Nm aksiyel yüklenme altında saniyede 3 kez yüklendi. Statik ve dinamik veriler bilgisayar aracılığı ile kaydedildi. Bir milyon yükleme sonucunda radyografiler elde edilip 3 boyutta komponentlerin rotasyon ve çökmeleri tespit edildi. Mat femoral komponentlerin vertikal düzelmede daha fazla çöktüğü gözlendi (p < 0.05). Üç parlatılmış yüzeyli femoral komponentin valgus pozisyonuna yer değiştirdiği gözlendi. (p>0.05). Mat yüzeyli komponentlerin çimento-kemik birleşkesi gerilim kuvvetleri Gruen 5 ve 7 bölgelerinde parlatılmış yüzeyli protezlerin ise Gruen 1 ve 7 belirgin olarak yüksek bulundu. Çimento-protez birleşkesindeki bağın kuvvetlendirilmesi distale doğru incelen bu femoral komponent tasarımında çimento-kemik birleşkesinde artan gerilim kuvvetleri ile sonuçlanmıştır. Çimento-protez bağının kuvvetlendirilmesi çimento-kemik birleşkesine yüksek kuvvetlerin uygulanıp gevşeme ile sonuçlanmasına neden olabilir.

GiriÅŸ

Çimontolu kalça protezlerinin in-vitro davranış ve biyomekaniğini anlamak için çok sayıda in-vitro çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalar kemik çimentosunun dayanıklılığını, çimento-kemik ve çimento-protez birleşim bölgesinde gerilim kuvvetlerini ve protezin stabilitesini etkileyen faktörleri değerlendirmiştir(1,3,7,13,14,18,19). Finite element analysis (FEM) çalışmalarıda protezlerin mekanik davranışını belirlemede ve planlama aşamasında önemli katkılarda bulunmuştur(2,3,7). Çimentolu protezlerin dayama süresini arttırmak amacı ile geliştirilen çimento hazırlama teknikleri, endosteal yıkama, distal femoral kanala yerleştiren tıkaçlar, çimentonun basınçla uygulanması, proksimal ve distal sentrilayzırlar oldukça başarılı sonuçlar elde edilmesini sağlamıştır(4). Bu çalışmaları metal-protez birleşkesinin dayanıklılık ve gücünü etkileyen femoral komponent yüzey özelliklerin vurgulayan çalışmalar takip etmiştir. Bu çalışmaların ışığında femoral kompenintin yüzeyinin pürüzlü olması veya ince bir tabaka kemik çimentosu ile kaplanmasının çimentokemik ve çimento-protez birleşkesinin dayanıklılığını artıracağı vurgulanmıştır (1,9). Hastalardan postrmortem elde edilen çimentolu femoral komponentlerin incelenmesinde metal yüzeyin çimentodan ayrılmasının gevşemeyi başlatan faktör olduğu belirtilmiş ve bu FEM çalışmaları ile de desteklenmiştir(9,13). Ancak eğişik elastik modulus karakterleri olan maddeler arasında kuvvetli bir bağlantının olması yüksek çimento-kemik ve çimento-protez birleşkesi yüklenmesinin ortaya çıkmasına neden olabilir. Diğer bir yaklaşım ise Exeter femoral komponentlerinin tasarımı ile ortaya konmuştur, bu parlatılmış metal yüzeye sahip protez aşınma ürünlerini azaltmanın yanında çimento içinde distale migrasyon özelliği ortaya koymakta ve tasarımcıları ve uygulayıcılar tarafından bu özelliğinin gevşemeye neden olmayacağı vurgulanmaktadır(4). Bugüne kadar yayınlanan serilerinde sonuç açısından diğer başarılı uzun dönem izlenmiş olan çimentolu protezlerden farkı olmadığı gözlenmektedir. Gardiner ve Hozack ortalama 37 ay süresinde erken gevşeme sonucu başvuran çimentolu femoral komponent uygulanmış 17 hastada ortak özellik olarak çimento kaplı yada pürüzlü yüzey özellikleri olan femoral komponent bildirmiştir. Aynı özellikler Landon ve arkadaşları tarafından Precision femoral komponentlertdede bildirilmiştir. Kusursuz ve kuvvetli protez-çimento yüzey ilişkisini bu birleşkenin mekanik olarak yetmezliği ile sonuçlanabileceği belirtilmiştir (5,11). Aynı ilişki tamamen aynı tasarım özellikleri olan ancak farklı yüzey özellikleri ile üretilmiş Exeter femoral komponentlerdede gözlenmiş ve mat yüzey özelliği olan femoral komponentlerde erken dönemde yüksek oranda aseptik gevşeme gözlenmiştir. Ancak femoral komponent yüzey özelliklerinin tekrarlayan aksiyel ve torsiyonel yük altında çökme ve kemik çimento birleşkesi üzerine olan etkisi in-vitro bir modelde günümüze değer değerlendirilmemiştir. Bu çalışmamızda iki farklı yüzey özelliğine sahip aynı tasarımdaki femoral komponentlerde kemik-çimento birleşkesi gerilim kuvvetleri ve fizyolojik aksiyel ve torsiyonel yük altında protezlerin çökme özelliklerini araştırmayı amaçladık.

Materyal ve Metod

Araştırma laboratuarı kemik bankasında saklanan dört eşleştirilmiş çift formaldehit ile korunmuş femur 6 bölgeye ayrılarak DEXA (Dual Energy Photon Absorbsiometry) kullanılarak kemik mineral içeriği ve dansitesi ölçüldü. Trokanterik bölgeye abduktör mekanizmanın etkisini sağlamak amacı ile örülmüş plastik bir bant spongiöz vida ve kemik çimentosu ile tespit edildi. İki elemanıl gerilim ölçürle (Micro Measurement division, Raleigh, North Carolina, 06-062UT 350) parlak ve matt yüzeyli Exeter (Howmedica, Exeter, İngiltere) femoral komponentler üzerine Gruen(6) 1,3,5,7 bölgelerine gelecek şekilde PMMA (polimetilmetakrilat) çıkıntılar üzerine tespit edildi (Şekil 1). Femoral komponentler distal femoral kanal tıkanıp, irrigasyon yapıldıktan sonra, kemik çementosu çimento tabancası ile basınçlanıp gerilim ölçer telleri çimentonun içinden çıkacak şekilde yerleştirildi. Özel tasarımla yapılan radyolojik işaret femoral komponent üzerine ve metal bilyalar femur üzerine tespit edildi. Femur cismi fiberglas dolgu ile PVC borular içine yerleştirildi. Testten önce radyografiler çekilip femoral komponent ve femur üzerindeki rodyolojik işaretler bilgisayar aracılığı ile kayıt edilidi. Her femoral komponent sıcak su pompasına bağlı bir su battaniyesine sarılarak 37 derece santigrada ısıtıldı, MTS (Bionix (Metarial Testing Systems) makinasına vertikal düzlem ile 7-9 derece açı yapacak şekilde tespit edilip 25 Nm abdüktör, 10 Nm torsiyonel ve 200 Nm aksiyel yüklenme uygulandı. Gerilim ölçerler bir sinyal düzenleyici ve yükselticiye bağlanıp statik veriler bilgisayara kaydedildi. Dinamik testler aynı şartlarda saniyede 3 yüklenme olacak şekilde yapılıp, ilk 10.000 yüklenme sırasında her 1000 yüklenmede bir daha sonra 1.000.000 yüklenmeye kadar her 10.000 yüklenmede bir kaydedildi. Testten sonra radyografiler çekilip femoral komponent ve femur üzerindeki radyolojik işaretler bilgisayar aracılığı ile kayıt edildi. bilgisayar yazılımı ile temoral komponentlerin çimento içinde çökme ve rotasyonu her 3 düzlemde kayıt edildi (Şekil 2). Elde edilen veriler paired studentst testi kullanılarak istatistiksel olarak analiz edildi.

Sonuç

Altmışbeş gerilim ölçer elemanın 5 testler sırasında işlevini yitirdi. Bir femurda testler sırasında lineer kırık oluştu. Bu çalışmada kullanılan femurların bölgesel kemik minerala dansitesi ve içeriği arasında istatistiksel olarak anlamlı fark bulunmadı (p>0.05).

Biplanar radyografiler ve özel hazırlanmış bilgisayar yazılımı yardımı ile x,y,z eksenlerinde femoral komponentlerin rotasyon ve çökmeleri incelendi ve two tailed paired t test ile istatistiksel olarak analiz edildi. Elde edilen sonuçlar Tablo 1 'de belirtilmiştir. Tset sırasında lineer kırık gelişen femoral komponent değerlendirmeye alınmadığında mat femoral komponentlerin z ekseninide daha fazla rotasyon gösterdiği saptandı (p>0.05). Mat yüzeyli femoral komponentlerde vertikal düzlemde yani z aksında 3 komponentte daha fazla çökme olduğu gözlendi. Parlatılmış yüzeyli femoral komponentlerde çökmeden daha belirgin olarak x ekseninde valgus pozisyonua yer değişterime gözlendi.

Beş gerilim ölçer elemanın çimentolama sırasında çok ince olan bağlantılarının kopması sonucunda testler sırasında herhangi bir kayıt yapılamadı. Gerilim ölçerlerden elde edilen veriler statik ve dinamik fazda kaydedildikten sonra karşılaştırıldı. Dinamik fazda elde edilen veriler araştırma sırasında kullanılan 8 femurda farklılık göstermekle beraber gerilme ve kompresyon kuvvetlerinde femoral komponentin yüzey özelliklerine bağımlı olmak kaydı ile değişkenlik olduğu gözlendi. Gruen zone 1 ve 7 de parlatılmış yüzeyli femoral komponentlerde gerilim kuvvetleri mat yüzeyli femoral komponentlere göre daha yüksek saptandı. Mat yüzeyli femoral komponentlerde ise Gruen zoner 3 ve 5 te gerilim kuvvetleri daha yüksek saptandı. Verilen ortalama test sonrası değerleri Tablo 2 'de sunulmuştur.

Tartışma

Fowler ve arkadaşlarının parlatılmış yüzeyli femoral komponentlerde daha önce bildirdiği ''valgus pozisyonuna yer değiştirme 3 femoral komponentte in-vitro olarak saptanmıştır(4). Ancak mat yüzeyli femoral komponentler vertikal düzlemde ve rotasyonel olarak femoral kanal içinde daha fazla yer değiştirmiştir. Klinik olarak mat yüzey özelliklerine sahip Exeter femoral komponentlerde aynı tasarım özelliklerine sahi parlak yüzeyli femoral komponentlere göre takipler sırasında aseptik gevşeme çok daha sık gözlenmiştir(17). Bu çalışmamız bu gözlenen bulgunun oluş mekanizmasına ışık tutmaktadır. Femoral komponent ve kemik çimentosu arasındaki bağın kuvvetli olması test boyunca kuvvetlerin kemik çimentosu ile femurun endosteal yüzeyine daha fazla oranda aktarılmasına ve bu bölgede biriken yüklerin bu yüzeyde daha fazla mikro harekete neden olmasına yol açmıştır. Mauch ve arkadaşları daha az mineralize olan kemikte yüksek gerilim kuvvetleri varlığında (%1 dene fazla olan) tekrarlayan yükler sonucu oluşacak birikimsel hasarın daha az olduğunu belirlemişlerdir(15). Bu nedenle deney süresince kullanılacak femurların mineral dansite ve içeriğini değerlendirip aradaki farkı saptamayı amaçladık. Kullanılan kadavra kemiklerinin ölçülen kemik mineral yoğunluğu ve dansitesi arasında istatistiksel olarak anlamlı bir fark saptanmamış buda deney sırasında çeşitli değişkenlerin elde edilen veriler üzerine olabilecek etkisini azaltmıştır.

Gerilim ölçerlerden elde edilen veriler değerlendirildiğinde kuvvetlerin daha önceki çalışmalarda belirlendiği gibi femoral komponentin distalinde Gruen 3 ve 5 bölgelerinde yoğunlaştığı belirlendi (8,13,16). Özellikle mat yüzeyli femoral komponentlerde bu bölgeden elde edilen veriler daha yüksekti. Buda mat yüzeyli femoral komponentlerde gözlenen erken gevşemeyi açıklayabilecek bir bulgudur, yüksek kompresif ve tensil gerilim kuvvetleri bu bölgedeki çimento-kemik birleşkesinin bozulmasına ve çimentonun kırılmasına ve gevşemenin bunu izlemesine neden olabilir. Buna eşlik eden bulgu proksimal femoral bölgede mat komponentlerden daha fazla stres konsantrasyonu gözlenmesidir buda proksimal femurda gözlenene yüklenmenin azalmasına bağlı mineral kaybının önlenmesinde katkıda bulunabilir (Şekil 1 , Şekil 2 ).

Femoral komponent ile çimento arasındaki bağın kuvvetlendirilmesi yoluyla septik gevşemenin daha az gözleneceğini belirten çok sayıda çalışma olmasına rağmen palatılmış yüzeyli femoral komponentlerin Exeter serisi ile bildirilen başarılı uzun dönem takip sonuçlarının altındaki nedenleri bu çalışma ortaya koymaktadır. Parlatılmış yüzeyli komponent çimento ile kuvvetli bir bağ oluşturmamakta ve zamanla lastik deformasyona yol açarak çimento içinde çökmeictedir. Jasty ve arkadaşlarının postmortem elde edilen çimentolu femoral komponentlerin incelenmesi sonucu vardıları, gevşemenin ilk olarak çimento-femoral komponent bileşkesindeki bağın ortadan kalkması sonucu başladığı görüşüne rağmen Exeter femoral komponentlerin klinik sonuçlarının başarı olması yüzey özelliği nedeni ile çimentoda yüklerin en fazla olduğu distal bölgede mat yüzeyli komponentlerden daha az stres konsantrasyonuna neden olması, proksimal bölgede ise parlatılmış yüzeyli komponentlerde stres komsantrasyonunun fazla olamsı olabilir(9). Sonuç olarak parlatılmış yüzeyli femoral komponentlerde başarılı uzun dönem takiplerinin anlaşılmasında bu araştırma modeli yardımcı olmuştur. Bu çalışmada izlenen protokol farklı tasarım özelliklerine sahip çimentolu femoral komponentlerin değerlendirilmesinde katkıda bulunabilir.

Referanslar

1. Anmed A.M., Raab S., miller J.E: Metal cement inferface strength in cemented stem fixation. J Orthop Res. 2;2: 105-18, 1984. Crowningshield R.D., Brand R.A., Johnston R.C., Milroy J.C.: An analysis of femoral component stem desingn in total hip arthroplasty. J Bone and Joint Surg 62-A: 6878, 1980.

3. Crowningshield R.D., Brand R.A., Johnston R.C., Milroy J.C.: The effect of femoral stem cross sectional geometry on cement stresses in total hip reconstruction. Clin Orthop 146: 71-77, 1980.

4. Fowler J.L., G.A., Lee A.J.C., Ling R.S.M.: Experience with xeter total hip replacement since 1970. Orthop Clin North Am 19: 47789, 1988.

5. Gardiner R.C., Hozack W.J.: Failure of cementbone interface. J Bone and Joint Surg 768: 49-52, 1994.

6. Gruen T.A., McNiece G.M., Amsutz H.C.: Modes of failure of cemented stem type femoral components.Clin Orthop 141: 17-27, 1979.

7. Huskies R.: The various stress patterns of press fit, ingrown, and cemented femoral components. 261: 27-38, 1990.

8. Indong O., Harris W.: Proximal strain distribution in the loaded femur. J Bone and Joint Surg 60 A: 75-85, 1978.

9. Jasty M., Maloney W.J., Bragdon C., O'Connor D.O., Zalenski E.B., Haire T., Harris W.H.: The initiation of faiure in cemented femoral components of hip arthroplasties. J Bone and Surg 738: 551-58 1991.

10. Johanson N.A., Bullough P.G., Wilson P.D., Salvati E., Ranawat C.S.: The microscopic anatomy of the cement-bone interface in failed total hip arthroplasties. Clin orthop 218: 123-35, 1987.

11. Landon G.C.: personal communication

12. Linden U.: Fatique properties of bone cement. Acta Orthop Scan 60(4): 431-33, 1989.

13. Maloney M.T., Stern L.S.: The load carrying fatique propesties of the stem cment interface with smooth and porous coated femoral components. J Biomedical Mat Res. 19: 563-75, 1985.

14. Manley M.T., Stern L.S.: The load carrying fatique properties of the stem cement interface with smooth and porous coated femoral components. J Biomedical Mat Res. 19: 563-75, 1985.

15. Mauch M., Currey J.D., Sedman A.J.: Creep fracture in bones with different stiffness. J Biomechanics 25;1:11-16, 1992.

16. McBeath A.A., Schopler S.A., Narechania R.G.: Circumferential and axial strain in the proximal femur. Clin orthop 150:301-305, 1980.

17. Reckborn P., Olsson S.S.: Loosening and bone resorbtion in Exeter hip arthroplasties. J Bone and Joint Surg 778, /: 865-68, 1993.

18. Stone M., Wilkinson R., Stother Ä°.G.: Some factors affecting the strenght of the cementmetal interface. J. Bone and Joint Surg 71 B: 217-21, 1989.

19. Weightman B., Freeman M.A.R., Revell P.A., Braden M., Albrektsson B.E.J., Carlson L.V.: The mechanical properties of th2 cement and loosening of the femoral components of hip replacements. J Bone and Joint surg. 698: 558-65, 1987.