Total Kalça Protezinde Seramik Eklemleşme

TOTAL KALÇA PROTEZİNDE SERAMİK EKLEMLEŞME

Kaynak: Esposito C, Walter WL. Materials in hip surgery: Ceramics. Surgey of the Hips, second edition, In (edt) Berry DJ, Lieberman JR, Elsevier-Philadelphia  (2020) pp:79-87.

Günümüzde Total Kalça Protezi (TKP) uygulamasında 4 farklı tipte seramik kullanılmaktadır;

1. Alümina (Alüminyum oksit - Al₂O₃)

2. Zirkonya (Zirkonyumun beyaz kristal oksidi)   

3. Zirkonya (Zirkonyumun beyaz kristal oksidi) ile sertleştirilmiş alümina

4. Oksitlenmiş Zirkonyum (Zirkonya)

1. Alümina (Alüminyum oksit - Al₂O₃)

TKP cerrahisinde 50 yıldır kullanılan temel seramik tipidir. Son derece sert polikristal (kimyasal ve termodinamik olarak stabil) bir materyaldir. Sonuçta biyolojik olarak uyumludur ve korozyona karşı dirençlidir.

Çok sert olduğu için pürüzsüz bir yüzey kaplaması haline getirilebilir. Bu da aşınma direncini minimuma indirir. Ürünün başarısı yüksek yoğunlukta, yüksek saflıkta ve küçük taneli olmasına bağlıdır. Yapı içinde seramik taneleri ne kadar küçük olursa mikrokırık oluşma riski o kadar azalır. Kullanılan seramiklerin tane büyüklüğü 1970'lerde 40 µm iken günümüzde 3 µm'nin altına düşmüştür. Yüksek sıcaklık ve yüksek basınç altında sıkıştırma yöntemi ile (sıcak izostatik pres) aşınma direnci daha fazla olan seramik üretimi yapılabilir.

Saf alümina seramik femur başları BIOLOX ticari ismi kullanılarak Almanya'da üretimi başlatılmıştır ve   3 farklı jenerasyon bulunur; BIOLOX Alümina - 1980-1987, Geliştirilmiş BIOLOX Alümina - 1988-1994,  BOLOXforte- 1995- günümüz

Her bir jenerasyonda mekanik güç ve materyal özellikleri güçlendirilmiştir.

2. Zirkonya (Zirkonyumun beyaz kristal oksidi ZrO₂)

 TKP'de kullanılan bir diğer iyi bilinen seramikte Zirkonya'dır. Alümina'nın aksine polimorfiktir, 3 fazda bulunur; kübik, monoklinik ve tetragonal. Zirkonya implantlar genellikle itriyum  veya magnezyum alaşımlarıdır. Femur başı olarak kullanılanlar genellikle itriyum ile stabilize edilmiş çoğu tetragonal fazda olan polikristal zirkonyum seramikleridir. Tetragonal faz monoklinik forma dönüşebilir, ancak bu durumda kompresif volüm artışı meydana gelir, çatlak gelişimine yatkınlık artar. Bu değişim  Zirkonya seramik gücünü anlamlı oranda arttırır. Ancak, yüzey düzensizliği de buna paralel olarak çok arttığı için yüksek molekül ağırlıklı polietilen asetabuler eklem yüzüyle birleştiğinde katostrofik aşınmaya sebep olur.

Zirkonya'nın düşük sıcaklıklarda bozunma hassasiyeti vardır, uzun süre 30⁰-300⁰ arasında su buharına maruz bırakılırsa bu etki oluşur. Bu nedenle herhangi bir sebeple kullanılmaz ve hastanede buhar stabilizasyonu yapılırsa seramikte monoklinik faz içeriği artar ve sonuçta kötü klinik sonuç oluşur. 1969 yılında ilk Zirkonyum femur başları yapılmış olsa da zaman içinde bu materyalin in vivo instabilitesi olmasının tespiti nedeniyle kullanımı 2000 yılında terk edilmiştir. Bazı markaların Zirkonya femur başı başarısızlık oranları fazla olduğu içi firmalar ürünleri marketten geri çekmiştir.

3. Alümina - Zirkonya Bileşimi:

2000 yılında geliştirterek BIOLOXdelta adıyla kullanıma sunulmuştur. Amaç Zirkonya'nın gücü ve sertliği ile Alümina'nın aşınma direnci ve kimyasal-termal stabilitesini kombine etmektir.  Alüminyum matrikste itriyum ile stabilize olmuş tetragonal zirkonyum polikristali dağılımı mevcuttur, tetragonal fazdan monoklinik faza geçişte oluşturduğu yapısal değişikliklerin neden olduğu çatlak ilerleme riski böylece önlenir.

Bu alaşım içinde %75 Alümina ve %24 Zirkonya ve %1 eser element bulunur. Ürünün pembe rengi sertliğini daha fazla arttıran krom oksit (CrO₂) kaynaklıdır.

BIOLOX delta'nın kırılma sertliği (kırılmaya karşı direnci) en yüksektir, diğer formlara nazaran aşınma direnci de daha yüksektir.  Monoklinik faza geçiş ve yüzey düzensizliği arasında korelasyon tespit edilmemiştir.

4. Okside Zirkonyum (OxZr): 

TKP'de femur başları ve total diz protezinde femoral komponent yapımında kullanılan yeni bir materyaldir. Metal baş ile oksitlenmiş seramik yüzey kombinasyonudur. Zirkonyum ihtiva eden metal substrat yüzeyde ısı, basınç ve oksijen kullanılan bir yöntemle dönüşüm elde edilir. Bu işlem yüzeydeki zirkonyumun zirkonyum oksit substratına dönüşümü sağlar. Bu kapsamda zirkonyum oksit kendi başına bir kaplama değildir. Kompozitin ayrılmaz bir parçasıdır. Seramik oksit yüzey tabakası femur başı yüzeyinde yaklaşık olarak 4 μm kalınlığındadır.

Yalnızca yüzeyde zirkonyum oksit oluşumunun 2 faydası var: 1. Seramik eklemleşme yüzeyinde aşınma direnci artar. 2. Altta yatan metal seramiğin kırılmasına karşı direnç oluşturur.

Ancak dislokasyon sırasında asetabulum kenarı ile temas ederse ve redüksiyon sonrası baş değiştirilmez ise başta yüzey düzensizliği oluşur.

Seramiklerin materyal özellikleri

SERAMİK-SERAMİK TKP  DEĞERLENDİRMESİ

Alümina Seramik-seramik (CoC) ilk uygulamalar             sonrasında sıklıkla kırık komplikasyonu ile karşılaşılmıştır, 1990 yılından önce kırık riski %13,4'tü. Monoblok seramik komponentlerdeki en önemli problem önce aseptik gevşeme (dizayn ve fiksasyona bağlı)  sonrada komponent yüzey kırıkları olmuştur (Muhtemelen seramikte kusura bağlı). CoC uygulamalarda asetabuler komponentler monobloktan zaman içinde modüler formlara değişim göstermiştir. Biyolojik fiksasyona izin veren modüler komponentler kullanılmaya başlamıştır.

Asetabuler seramik komponentler;

a. Monoblok: metal arkalıkla birlikte stabilize

b. Modüler: Seramik insert metal arkalık içine ayrıca fikse ediliyor

Femoral seramik başlar daima modülerdir. Çünkü tümü seramik femoral komponent kırılgan olduğundan kullanılmaz.

Yüzey materyali olarak neden seramik kullanılmalı?

• Biyolojik olarak inerttir
• Sürtünme katsayısı düşüktür
• Sertliği ve elastik modülüsü yüksektir
• Kompresyona ve korozyona karşı dirençlidir.

Krom-kobalt ile kıyaslayınca Zirkonya 7 kat, alümina 10 kat daha serttir. Bu sertlik seramik yüzeyi (third-body abrasive) eklem boşluğunda yabancı cisim varlığında oluşan aşınmaya karşı dirençli kılar. Alümina seramiklerin rijiditeleride çok yüksektir. Ortopedide kullanılan materyallerin elastik modülümsülerinin en az 2 katı elastik modülüse sahiptirler. Okside alüminyum korozyona karşı dirençlidir, yani vücut sıvılarıyla uzun süre etkileşince yapısı değişmez. Ancak bu özellikleri esas alındığında kırılmadan önce elastik deformasyona uğrasa da plastik deformasyon göstermez.

Seramik- XLPL eklemleşmesinde  polietilen aşınması izlenirken, CoC eklemleşmelerde seramik aşınma ürünleri tespit edilir. Bu iki eklemleşmenin radyolojik olarak birbirine üstünlüğü tespit edilememiştir.Orta dönem takiplerde aralarında osteolizis yönünden  anlamlı fark olmadığı bulunmuştır.

CoC eklemleşmelerde ileri düzeyde yumuşak doku değişiklikleri tespit edilmez çükü seramik aşınma ürünlerinin biyolojik olarak aktivitesi polietilen ve metal aşınma ürünlerinin çok altındadır. Metal-metal yüzey eklemleşmelerinde aşınmış olan metal partikülleri yumuşak dokularda lenfosit dominant reaksiyonlar oluşturur. Bazı vakalarda metal aşırı duyarlılığı bu durumla ilişkilidir (Aseptik lenfositik vaskülit - associated lesion [ALVAL]) ve  nadiren aşırı yumuşak doku nekrozu izlenir.

Seramik implantların Klinik Performansı

Sert-Yumuşak eklemleşmede (TKP'de seramik baş polietilen insert - TDP'de seramik femoral komponent polietilen insert);

• Parlak yüzeyin sürtünme katsayısı düşüktür
• Eklem lumbrikasyonu daha iyidir
• Metal yüzeylere kıyasla çizilmeler karşı daha az duyarlı

Seramik başlarla polietilen aşınmasında azalma bildiren veya fark olmadığını ileri süren yayınlar var.

CoC eklemleşeme Metal-polietilen eklemleşmeye kıyasla osteolizis, radyolusent çizgiler, aseptik gevşeme, dislokasyon ve revizyon oranları anlamlı oranda daha azalmış. Ancak gıcırdama ve intraoperatif seramik kırığı riski artmış. Derin enfeksiyon, postoperatif kalça fonksiyonu, heterotopik ossifikasyon yönünden aralarında fark izlenmemiş.

Baş-boyun konik eklemleşme noktasında korozyon olabileceği gösterilmiştir. Krom-kobalt metal femur başlarında zararlı doku reaksiyonu oluşabilir. Seramik femur başları baş-boyun konik eklemleşme bölgesinde sürtünme ve korozyona bağlı aşınmayı azaltır.

XLPL üzerine seramik femur başı kullanılmasına olan eğilimin esas amacı yüklenme yüzeyindeki aşınma direncinden ziyade modüler baş-boyun konik bileşkedeki korozyon direncidir.

Mevcut Kullanım

ABD'de 2001 yılında primer TKP olgularında seramik baş kullanım oranı %4 iken 2015 yılında seramik ve metal baş kullanım oranı 1:1 oranına gelmiştir. Günümüzde en sık kullanılan Seramik-Polietilen eklemleşmedir. Metal krom-Kobalt femur modüler baş kullanımı 2004 yılında %11 iken günümüzde %1'e düşmüştür.CoC ve CoP uygulamalarında aynı oranda revizyon ve osteolizis oranı düşüktür. CoC uygulama daha az tercih ediliyor çünkü implant kenar yüklenme riski ve gıcırdama riski yüksektir.

Seramik İmplantların Komplikasyonları

Gıcırdama, Kırık, çıkık sonrası yüzey düzensizliği izlenir. İmplant kırığı ve gıcırdama seramik eklemleşme yüzey kullanımındaki en önemli endişelerdir.

Seramik kırığı

Seramikler kırılgan nazik materyallerdir. Kırılmadan önce elastik deformasyon gösterseler de plastik deformasyon göstermezler. Kırığa karşı seramiğin dayanıklılığı seramiğin mekanik özelliklerine bağlıdır. Bunu da belirleyen zerrecik boyutu ve materyalin saflığıdır. Zerrecik boyutu ne kadar küçükse ve saflık ne kadar fazlaysa  kırık direnci o kadar artar.

Seramik femur baş kırığı sebepleri;

• Seramik baş-metal femoral komponent boyun bileşkesindeki uyumsuzluk [Taper-trunnion (Muylu)]
• Seramik başın otoklav işlemine maruz bırakılması ve şok soğutulması
• Seramik başın daha önce hasar görmüş boyun muylusu (trunnion) ile desteklenmesi
• Orijinal seramik başların revizyon cerrahisinde tekrar kullanılması
• Travma
• Direkt travma olmaksızın spontan kırık

Seramik femur başının kırılma direncinin bağlı olduğu parametreler;

• Materyal
• Dizayn
• Femur başı ve femur boyununun birleşme koşulları
• Çapı (geniş çapların kalınlığı daha fazla
• Boyun uzunluğu (Kısa boyunlarda ince seramik var)

Seramik başların kırılmaya karşı olan dayanıklılığı fabrikasyon tekniklerinin gelişimi ile beraber artmıştır. Bu özellik aynı zamanda materyal içinde oluşan çatlağın yayılmasının önlenmesinde de etkilidir.

Travmatik seramik baş kırıklarında semptomlar ani gelişir ve radyolojik olarak tanı konulabilir. Buna karşın liner kırıklarını, özellikle kenarları sağlam kalmış ise,  radyolojik tetkiklerle tespit etmek daha zordur. Seramik fragmanlar metal asetabulum içinde sıkışık kalabilir.

Liner kırıkları en sık uygulama sırasında meydana gelir. Linerın metal arkalık içine uygunsuz pozisyonda yerleştirilmesine bağlıdır. Genelde periferik kenarda yonga şeklinde kırık oluşur. Daha geç dönemde de femoral komponent boyunu ile liner periferik kenarının kalça hareketleri sırasında oluşan teması da kırığa sebep olabilir.

Kırık seramik parçalarının tümünün uygun debridmanı revizyon cerrahisi sırasında yapılmalıdır. Kırılmış olan seramik baş veya insert nedeniyle yapılan revizyon cerrahisinde  krom-kobalt metal baş-polietilen eklemleşmesi seçilirse yetersiz debridman ve 3. vücut bölgesindeki sert seramik partiküller nedeniyle aşırı metal debris oluşumu izlenebilir. Hatta bu durum kobalt toksitesine kadar uzanabilir. Bu tip seramik kırıklarında metal femur boynu trunnion üzerine titanyum yakalık yerleştirilerek seramik baş kullanılabilir. Bu işlem boyun uzunluğunun ayarlanmasına izin verir ve seramik başın trunnion üzerine yerleştirilmesi sonrası doğacak endişeyi önler.

Gıcırdama

TKP uygulaması sonrası kalça hareketleri ile bazen ortaya çıkan yüksek perdeli, duyulabilir bir sestir. Sıklıkla CoC eklemleşmelerde rapor edilmiştir. Yalnızca bu sese bağlı olarak revizyon ihtiyacı doğabileceğini unutmamak gerekir.

CoC TKP olgularında sıklığı >%1-%21 oranındadır.Buna karşı gıcırdamaya bağlı revizyon sıklığı çok daha azdır. CoC TKP olgularında gıcırdama multifaktöriyel bir fenomendir;

1-Hastaya bağlı faktörler - Boy, kilo vs.

2-Cerrahi faktörler - asetabuler komponent yerleşimi

3- Komponent ile ilgili faktörler - Örn. yüklenme materyali

Diğerleri ise seramik başın şerit tarzında aşınması, eklem boşluğunda olan ve yüklenme yüzeyleri arasına sıkışmış debris partikülleri, kenar yüklenmesi, mikro ayrışma, kırık baş veya linerın yonga kırığı, lumbrikasyon yetmezliğidir. Bu gıcırdama sesi zorunlu bir titreşimden kaynaklanır. Sıvı film tabakası kaybına bağlı lumbrikasyonun bozulması bunda etken olabilir. Seramik, iyonik yapısı hidrofilik bir yapı oluşturur sonuçta sıvı film lumbrikasyon meydana gelir. Diğer ortopedik polimerler veya metallere kıyasla daha fazla yüzey ıslaklığı oluşur. CoC eklemleşme, düşük sürtünme katsayısı ile sınır (boundary) yağlama koşullarında çalışır. Ancak eklem yüzleri arasındaki sıvı film tabakası kaybolduğunda sürtünme katsayısı diğer eklemleşmelere kıyasla çok daha üst düzeye çıkabilir. İşte bu sürtünme gıcırdamaya sebep olabilir. CoC TKP'de lumbrikasyon kaybı genelde kenar yüklenmesi izlendiğinde yani başın yükünün asetabulum kenarına devredildiği durumlarda izlenir (uygunsuz komponent pozisyonu!). Hem başta hem de insert kenarında aşınma meydana gelir. Bu mekanizma ile normal yürümede Anterosuperior kenar yüklenmesi, kalça 90⁰ fleksiyonda iken posterior kenar yüklenmesi izlenir.

Subluksasyon / dislokasyon

 Femur başının asetabulumdan çıkması ve tekrar yerine oturması sırasında seramik femur başı eklem yüzeyi ve metal asetabuler arkalık arasında yüksek enerjili temas oluşabilir. Başta oluşacak hasar başın hangi tip seramik materyalinden yapıldığı ile ilişkilidir. şayet baş solid seramikten yapılmış ise çıkık sonrası başın yüzeyinde görülebilen metalik şeritler ortaya çıkar. Bunun sebebi sürtünmeye bağlı oluşan metal debrisin asetabulum metal kenarından başın yüzeyine aktarılmasıdır.Bu durum anlamlı yüzey düzensizliği yaratmaz, aktarılan debris ince bir metal lekesi,bulaşığıdır ve kalınlığı 1 µ altındadır.  Ancak Oksinyum (oksidize zirkonyum) baş kullanılmışsa seramik yüzey tabakasında sürtünme alanında kayıp oluşur. Alttaki metal açığa çıkar. yüzey düzensizliği önemli oranda artar. Bu durumda eklemleşen polietilen liner aşınması artar. Bu sebeple Oksinyum başı bulunan ve instabilite izlenen TKP hastalarını daha yakın takibe almak gerekir.