Acrylcement : een wondermiddel met hindernissen : het actuele gebruik van acrylcement bij de totale heupvervanging

Acrylcement : een wondermiddel met hindernissen : het

actuele gebruik van acrylcement bij de totale heupvervanging

Citation for published version (APA):

Waal Malefijt, de, J., Slooff, T. J. J. H., & Huiskes, H. W. J. (1987). Acrylcement : een wondermiddel met

hindernissen : het actuele gebruik van acrylcement bij de totale heupvervanging. In Instituut Orthopaedie :

jubileumbundel / Ed. T.J.J.H. Slooff (blz. 64-73). (Instituut Orthopaedie : jubileumbundel / Ed. T.J.J.H. Slooff,

1987). Katholieke Universiteit, Sint-Radboudziekenhuis.

Document status and date:

Gepubliceerd: 01/01/1987

Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be

important differences between the submitted version and the official published version of record. People

interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the

DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page

numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne

Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at:

openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

ACRYLCEMENT - EEN WONDERMIDDEL MET BINDERNISSEN

Bet actuele gebruik van acrylcement bij de totale heupvervanging

J. de Waal Malefijt, Prof.Dr. T.J.J.H. Slooff, prof.Dr.lr. R. Huiskes afd. orthopaedie

Sint Radboudziekenhuis, Nijmegen.

Inleiding

uit de grote hoeveelheid literatuur die in de afgelopen jaren is ver-schenen over het gebruik van polyrnethylmethacrylaat (PMMA) bij de im-plantatie van gewrichtsprothesen, wordt weI duidelijk hoe revolutio-nair Charnley in 1960 is geweest toen hij, geadviseerd door D.C.smith, voor het eerst acrylcement ter fixatie van een heuparthroplastiek in-troduceerde (Charnley 1960). Inrniddels is veel meer inzicht verkregen in de eigenschappen en neveneffekten van acrylcement. Met de verworven kennis kunnen endoprothese-implantaties met gebruikmaking van PMMA dusdanig worden geperfektioneerd, dat in feite weer een geheel nieuw tijdperk is ingeluid. Nieuwe lange termijn follow-up studies zullen moeten leren, of aIle veranderingen ook een vooruitgang betekenen.

De verbinding tussen bot en acrylcement

De duur zaarnheid van een gecementeerde arthroplastiek is ten nauwste gerelateerd aan de kwaliteit van de verankering van het acrylcement in het implantaatbed enerzijds" en de verbinding tussen prothese en cement anderzijds.

Het acrylcement vult de ruimte tussen het grillig gevormde botbed en de relatief gladde prothese op ("macro-interlock"). Door druk op het cement uit te oefenen, kan het in de endostale bottrabekels penetre-ren, waardoor een betere verankering van het cement in het bot tot stand kan komen ("micro-interlock").

Deze interdigitatie van acrylcement en bot op macro- en micro-niveau bij het incementeren van een endoprothese, noemt men weI de primaire mechanische verankering

Met secundaire verankering wordt de evenwichtssituatie bedoeld die kan worden bereikt wanneer de reacties van de weefsels rondom het prothe-secementkomplex een stationnair karakter hebben gekregen.

De primaire mechanische verankering

De kwaliteit van de primaire verankering hangt af van: a) de viscositeit van het cement

b) de druk die op het cement wordt uitgeoefend c) de bloeddruk

d) de vorm en struktuur van het implantaatbed e) de mate van reiniging van het implantaatbed f) het ontwerp van de prothese

g) de wijze van inbrengen van de prothese h) dimensionele veranderingen van het cement

In de afgelopen jaren zijn meerdere soorten cement op de markt ge-bracht, met verschillende viscositeit tijdens de "mixing "- en "handling" fase van het polymerisatieproces.

uit een aantal studies, ook in onze kliniek gedaan, is gebleken dat er met betrekking tot de mechanische eig~nschappen uiteindelijk geen gro-te verschillen bestaan tussen de diverse cemengro-ten.

Een laag visceus cement penetreert gemakkelij ker in het trabekulaire bot; Noble en Swarts (1983) vonden tijdens een laboratoriumstudie een directe relatie tussen de viscositeit van acrylcement en de mate van penetratie in het botbed (Gruen et ale 1979).

uiteraard hangt de penetratiediepte mede af van de mate van porositeit van het botweefsel (Johnston et ale 1983). Bovendien wordt de trabeku-laire struktuur van het bot pas optimaal benut, wanneer het botbed met behulp van een pulserende waterstraal ("waterpick") grondig gereinigd en vervolgens zorgvuldig gedroogd is. In geval van een sclerotisch, glad begrensd botbed kan van een goede primaire verankering geen

spra-ke zijn.

De kritische grens met betrekking tot de penetratiediepte blijkt niet uitsluitend gerelateerd te zijn aan de mate van botnecrose ten gevolge van de polymerisatiewarmte van het cement (Lee et ale 1978). Walker et ale (1984) vonden, dat de mechanische eigenschappen van bottrabekels in de proximale tibia het gunstigst waren in de eerste millimeters van de subchondrale laag. Diepere cementpenetratie zou in dit opzicht on-gunstig kunnen zijn (Gruen et ale 1976).

In feite valt de "ideale" penetratiediepte moeilijk aan te geven en bovendien in de klinische situatie nauwelijks daadwerkelijk te stan-daardiseren. Het cement moet in elk geval voldoende visceus zijn om er

druk op te kunnen uitoefenen ("pressurisatie") (Johnston et al. 1983). Bij voorkeur moet een druk kunnen worden gehandhaafd die hoger is dan de bloeddruk in het botbed, totdat het cement is uitgehard. Op die ma-nier kan worden voorkomen dat er tussen bot en cement een haematoom ontstaat, dat de primaire verankering kan compromiteren (Waegemakers 1983). Daarbij moet de prothese zoveel mogelijk in een richting worden verplaatst: wrikkend insereren van de acetabulumcup bijvoorbeeld, geeft ongewenste verplaatsingen van het cement.

Tijdens het polymerisatieproces treedt o.a. door thermische expansie 2-5% volumevermeerdering van het cement op en tijdens afkoeling krimpt het cement 1-4% van het totale volume in longitudinale richting langs de prothesesteel. Hierdoor kan er een ongewenste ruimte ontstaan tus-sen bot en cement (Noble et al. 1983). Deze aanslag op de primaire me-chanische verankering maakt opnieuw de noodzaak tot handhaving van druk op het cement tijdens de uitharding duidelijk.

De secundaire verankering

De kwaliteit van het bot - cement-kontakt op langere termijn, wordt mede bepaald door:

- de initiele schade als gevolg van de operatie - de neveneffekten van het acyrlcement

- de positie van het implantaat in het botbed

- de mate van belasten van de pr~these door de patient

- de algemene konditie, de leeftijd en vooral het lichaamsgewicht van de patient

- traumata en/of infekties - veroudering van het cement - veranderingen in de botmantel

op enkele van deze aspekten gaan wij nader in.

I Schade aan het botbed door neveneffectenjbestanddelen van het acryl-cement, De polymerisatiewarmte

De warmte die vrijkomt bij het uitharden van het cement wordt in vrij-weI alle-publikaties hieromtrent unaniem als belangrijke oorzaak van initiele botschade beschouwd. Feith concludeerde uit dierexperimenteel onderzoek (1975), dat de necrose door de polymerisatiewarmte de sChade ten gevolge van het operatietrauma (vaatschade, opboren) verre over-trof (Markolf et al. 1976).

Huiskes (1979) vond met behulp van een mathematisch computermodel een theoretisch verband tussen de maximaal bereikte temperatuur en de dik-te van de cementlaag, de madik-te van botnecrose in het implantaatbed en de gunstige invloed van een prothesesteel in het femur, welke als zgn. "heat sink" een verlaging van de maximale temperatuur kan bewerkstel-ligen (Heyse-Moore et al. 1983).

V~~r gecementeerde plastic acetabulum-cups bleek te gelden, dat theo-retisch hogere temperaturen kunnen worden bereikt dan in het femur, door de geometrie van het acetabulum en vooral ook de mindere kapaci-teit van high density polyethyleen (HDPE) om de warmte te doen af-vloeien. "Metal backing" van acetabulum-cups zal overigens naar aIle waarschijnlijkheid weI een "heat sink"-effekt opleveren. Tenslotte concludeerde Huiskes nog, dat het cytotoxische effekt van monomeer sterker uitgesproken is bij hogere temperaturen; op die wijze zou de temperatuur dus een indirecte invloed hebben op de mate van botnecrose

(Heyse-Moore et al. 1983).

De tijdsduur van inwerking van een bepaalde temperatuur bepaalt na-tuurlijk mede de mate van botnecrose; Eriksson toonde onlangs aan, dat botnecrose kan optreden bij blootstelling aan een temperatuur van 47"C of hoger, gedurende 1 minuut of langer (Huiskes 19 •• ??).

AI eerder werd gesteld, dat het onzeker is wat in dit opzichthet ef-fekt zal zijn van de diepe penetratie van acrylcement in trabeculair bot, als gevolg van de huidige pressurisatietechnieken. Zolang hier-over geen exacte klinische informatie bestaat, blijft het raadzaam om aIle maatregelen te nemen die een verlaging van de maximale tempera-tuur kunnen bewerkstelligen (koelend effekt van reiniging van het bot-bed met de waterpick, vermijden van dikke cementmantels etc.). Het vooraf koelen van de prothesekomponenten heeft mogelijk enig gunstig effekt op de temperatuursontwikkeling ter plaatse van het bot - cement grensvlak (walker et al. 1984). De uithardingstijd van het cement neemt dan echter met enkele minuten toe, zoals ook het geval is bij het vooraf koelen van de cementkomponenten alvorens deze te mengen. Een en ander gaat ten koste van de uiteindelij ke mechanische eigen-schappen van het cement (Walker et al. 1984).

Monomeer

In het verleden werd monomeerintoxicatie vooral als oorzaak beschouwd van bloeddrukdalingen en zelfs asystolie tijdens de insertie van

gece-menteerde femurprothesen.

Tegenwoordig worden deze verschijnselen vooral toegeschreven aan (micro-)embolieen, die door druk op het cement in de bloedbaan worden geperst, zoals met transoesofagale 2-dimensionale echocardiografie is aangetoond (Seidel et al. 1977). Het reinigen van het bot bed met de waterpick blijkt een effektieve profylaxe te kunnen vormen tegen deze circulatoire problemen (Ruff et al. 1982). Over de potentiele cyto-toxiciteit van monomeer zijn inmiddels vele publicaties verschenen, naar aanleiding van studies in vitro en in vivo. Linder (1976) toonde met name aan dat monomeer cytotoxisch kan werken. De grootste afgifte monomeer vindt plaats tijdens de ui tharding van het cement, en niet tijdens de "mixing"- en "handling"-fase, het tijdstip van cementinsertie is derhalve in dat opzicht niet kritisch. Meerdere onderzoekers concludeerden, dat vr ij monomeer ter plaatse van de cement - bot interface slechts tot maximaal vier uur na de operatie in voldoende concentratie aanwezig is om een nadelige invloed op het omliggende weefsel te kunnen uitoefenen.

Dimethylparatoluidine

De katalysator Dimethylparatoluidine (DMpT) is bekend om zijn toxici-teit, zelfs in lage concentratie (remming eiwitsynthese, carcinogene werking). Bosch en Lintner (1982) schreven demineralisatieverschijnse-len in het botbed, leidende tot"de vorming van osteoid, toe aan de in-vloed van deze katalysator. Zij vonden 10 jaar na implantatie van een gecementeerde heupprothese, met behulp van gaschromatografie, nog DMpT in het acrylcement (Willert et ale 1972). Of hieraan klinische beteke-nis moet worden toegekend, is onzeker. Onderzoekingen met cement zon-der DMPT zijn thans gaande.

overige cementbestanddelen

De invloed van toegevoegde antibiotica, kleurstoffen en rontgenkon-trastmiddelen op de sterkte van het cement kan niet worden verwaar-loosd, doch de bespreking hiervan laten we in dit bestek verder ach-terwege. Theoretisch kan een stof als bariumsulfaat (rontgenkontrast-middel) tot botnecrose aanleiding geven, maar verwerkt in acrylcement wordt de invloed hiervan als gering beschouwd.

Veroudering van het cement

Door temperatuurveranderingen, vochtopname en "veroudering" kunnen de cementeigenschappen in de loop der jaren veranderen. Door diffusiepro-cessen kunnen volumeveranderingen van het cement optreden (Heyse-Moore et al. 1983). "Afbrokkeling" van het cement, in aanwezigheid van mi-crobewegingen, leidt tot aggressieve granulomateuze reacties in de weefsels rond het cement, waardoor botresorptie en een loslating ge-initieerd kunnen worden (Willert et ale 1974).

I I Andere factoren die van invloed zijn op de secundaire verankering Enkele onderzoekers beschreven de fysiologische verwijding van het proximale femur door remodellering van het bot op oudere leeftijd (Draenert 1981). De ruimte die daardoor tussen bot en cement kan ont'" staan, zou het begin kunnen vormen van een loslatingsproces.

Het is echter de vraag of dergelijke verschijnselen in dezelfde mate optreden in een implantaat-cement-botcomplex.

Ontwerp en mechanische eigenschappen van het implantaat, het lichaams-gewicht van de patient en de mate waarin het implantaat wordt belast zijn immers aIle factoren die een rol kunnen spelen bij bot-remodel-ling.

Discussie

Het acrylcement is ten gevolge van warmte-ontwikkeling, toxiciteit van cem.entbestanddelen, volumeveranderingen en beperkingen in belastbaar-heid zeker geen ideaal fixatiemiddel. Niettemin hebben andere fixatie-methoden tot op heden het gemiddelde van 90%'goede resultaten bij met acrylcement gefixeerde heupprothesen na 10 jaar, nog niet overtroffen. Bovendien vond in de afgelopen jaren een snelle ontwikkeling plaats van allerhande technieken om de resultaten van gecementeerde arthro-plastieken nog verder te verbeteren, zoals:

1. verbeteringen in het protheseontwerp 2. verbeteringen in het cement

3. verbeteringen in de cementeringstechnieken

1. Verbeteringen in het protheseontwerp

i Onder meer werd aandacht besteed aan het elimineren van scherpe hoeken en uitsteeksels aan de prothesekomponenten ("stress raisers"). Aceta-bulumcups werden voorzien van een zgn. "metal backing", waarmee een

gunstiger spanningsverdeling in het implantaat-cement-botcomplex kan worden bereikt. voorts werden acetabulum-cups voorzien van satellie-ten, die een gelijkmatige dikte van de cementmantel moe ten garanderen. Het lijkt een goede gedachte om deze satellieten van PMMA te ver-vaardigen, zodat ze dezelfde eigenschappen krijgen als de cementman-tel.

De rol van de grenslaag tussen prothese en cement met betrekking tot de duurzaamheid van de fixatie moet niet worden onderschat; deze in-terface bestaat meestal uit een dun laagje weefsel, waarin zich o.a proteoglycanen bevinden. Als er in deze grenslaag een loslating op-treedt, nemen de spanningen in het naburige acrylcement dramatisch toe

(Heyse-Moore et al. 1983).

Teneinde de nadelige inyloed van op deze grenslaag inwerkende lichaamsvloeistoffen te'beperken, wordt door meerdere onderzoekers be-pleit dat elke in te cementer en femurprothesesteel bij de fabricage reeds wordt voorzien van een PMMA-precoating, waardoor de kwaliteit van de prothese-cement verbinding sterk verbeterd zou kunnen worden.

2. Verbeteringen in het cement

Al vele jaren wordt getracht cementsoorten te ontwikkelen met een la-gere warmteproduktie, met name door de poeder/vloeistofverhouding

(p/L-ratio) te wijzigen, en/of door de toevoeging van chemische addi-tiva. Helaas werd daarbij tot o~ heden meestal tevens de sterkte nade-lig belnvloed. voorts w:rden methoden ontwikkeld om de porositeit van cement zoveel mogelijk te reduceren, teneinde de sterkte van het ce-ment te vergroten.

Dit kan onder andere worden geeffectueerd door het cementmengsel in een vroeg stadium te comprimeren, vacuUm te trekken, te centrifugeren of te mengen onder ultrasone vibraties.

Een belangrijk nadeel van het centrifugeren is, dat cementbestanddelen als bijvoorbeeld zirconiumoxyde (rontgencontraststof) naar de perife-rie van de cementmassa worden geslingerd, hetgeen ter plaatse tot ver-zwakking en afbrokkeling van het cement kan leiden (Freeman et al. 1982). Met zgn. "vacuum mixing"-technieken kan de cementporositeit met 45-70% gereduceerd, en de sterkte van het cement met 20-40% verbeterd worden (Goldring et aI, 1983).

Het succes van dergelijke technieken is mede afhankelijk van de mate van viscositeit van het cementmengsel tijdens de meng- en behande-lingsfase.

3. Verbeteringen in de cementeringstechnieken

Verschillende technieken ter verbetering van de fixatie met acrylce-ment zij n reeds ter sprake gekomen. De voorbereiding van het botbed dient zodanig te zijn, dat na plaatsing van de prothese een voldoende dikke en gelijkmatige cementmantel kan worden gecreeerd; grotere bot-defekten worden bij voorkeur met een bottransplantaat opgevuld. Het botbed moet na terdege met de waterpick te zijn gereinigd, zorgvuldig worden gedroogd. In het femur wordt gebruik gemaakt van een cementstop en een cementspuit. Het is aanbevelenswaardig de mergholte tijdens de cementinsertie tijdelijk te draineren.

Kennis van de verwerkingstijden van het gebruikte cement is onontbeer-lijk. Hoewel wordt geadviseerd het eement gezien de viscositeitsont-wikkeling in een vroeg stadium in te brengen teneinde een goede pene-tratie in het bot bed te verkrijgen, moet de viscositeit weI zodanig zijn dat er voldoende druk op het cement kan worden uitgeoefend om de bloeddruk te kunnen weerstaan.

De pressurisatietechnieken zoals beschreven door Ling, Weber en Harris verdienen navolging. Zij introduceerden methoden en instrumentarium om de druk op het cement te handhaven tot het moment van uitharding is bereikt (Radin et al. 1982, Raab et al. 1982).

Conclusies

Het belang van een primaire goede fixatie voor de lange termijnresul-taten van gecementeerde heupprothesen behoeft geen betoog. De extra operatietijd, die met de moderne cementeringstechnieken gemoeid is, valt in het niet bij de operatieduur in geval van een protheserevisie. Het is onwaarschijnlij k dat men met andere fixatiemethoden een even goede primaire verankering kan bereiken als met acrylcement het geval is. Deskundig gebruik van het acrylcement, met inachtneming van de \Terfijnde technieken, zal het aantal losrakingen van gecementeerde heupprothesen naar onze mening zeker kunnen verminderen. Het zal in-teressant zijn tijdens het \Tolgende jubileum \Tan onze kliniek nog eens terug te blikken naar aIle beschreven kennis die op dit moment onze handelwijze in de heupimplantaatchirurgie bepaalt.

Literatuur

B5sch P, Harms H, Lintner F (1982) Nachweis des Katalysatorbestand-teiles Dimethylparatoluidin imKnochenzement, auch nach mehrjahriger Implantation, Arch.Toxicol. 51, 157-166.

Charnley J (1960) Anchorage of the femoral head prosthesis to the shaft of the femur, J.Bone Joint surge 42B, 28-30.

Dipisa JA, Sik GS, Berman AT (1976) The temperature problem at the bone - acrylic cement interface of the total hip replacement, Clin.-orthop. 121, 95-98.

Eriksson AR (1984) Heat-induced bone tissue injury, thesis univ.of GBteborg, Sweden.

Feith R (1975) Side-effects of acrylic cement implanted into bone, Ac-ta orthop.Scand. Suppl.Nr. 161.

Haas SS, Brauer GM, Dickson G (1975) A characterization of polymethyl-methacrylate bone cement, J.Bone Joint Surg. 57A, 380-391.

Heinrich H, Kremer P, Winter H, WBrsdorfer 0, Ahnefeld FW (1985) Transoesofageale zweidimensionale Echokardiografie bei HUftendopro-thesen, Der Anaesthesist 34, 118-123.

Heyse-Moore GH, Ling RSM (1983) Current cement teChniques. In: procee-dings of the Essex Symposium "progress in cemented total hip surgery", edited by R.K. Marti, Excerpta Medica 1983, 71-86.

Huiskes R (1979) Some fundamental aspects of human joint replacement, Acta Orthop.Scand. Suppl.Nr. 185.

Lee AJC, Ling RSM (1981) Improved cementing techniques, in: Instructional Course Lectures, vol. XXX, chapt. 19, 407-413, edited by Murray DG, The CV Mosby Company, St. Louis, Toronto, London. Linder L, Romanus M (1976) Acute local tissue effects of polymerizing

acrylic bone cement, Cliln.Orthop. 115, 303-312.

Markolf KL, Amstutz HC (1976) penetration and flow of acrylic cement. Clin.Orthop. 121, 99-102.

Noble phC, Swarts E (1983) Penetration of acrylic bone cements into acrylic bone. Acta Orthop.scand. vol. 54, 787-789.

Noble PhC et ala (1986) Innovations in acrylic bone cement, Scientific Exhibit American Academy of orthop. surgeons, 53rd Annual Meeting, New Orleans, USA, February 1986.

Ohnsorge J, GrBtz J (1974) Kurzzeitige und langzeitige Dimensionsande-rung des aushartenden Knochenzementen, Z.Orthop. 112, 985-977.

Raab R, Ahmed AM, provan JW (1982) Thin film PMMA precoating for im-proved implant bone - cement fixation, J.Biomed.Mater.Res. 16, 679-704.

Ruff CB, Hayes

we

Sherman RMP, Byrick RJ, Kay JC, Sullivan TR, Waddell JP (1983) The role of lavage in preventing hemdynamic and blood-gas changes during cemented arthroplasty, J.Bone Joint surge 65A, 500-506.

Skinner HB, Murray WR (1985) Density gradients in bone cement after centrifugation, in: Transactions of the 31st Annual Meeting of the ORS, Las vegas, Nevada, USA, January 1985, vol. 10, 243.

Walker PS, soudry M, Ewald FC, Mcvickar H (1984) Control of cement pe-netration in total knee arthroplasty, Clin.orthop. 185, 155-164. Willert HG, Semlitsch M, Buchhorn G, Kriete U (1978)

Materialver-schleiss und Gewebereaktion bei kUnstlichen Gelenken, Der orthopade 7,62-83.