Influența polietilenei cu greutate moleculară foarte mare a substanțelor chimice, fizice și mecanice
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].
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.