the development of plasma treated biomaterials for hip implants
Plasmatechnologie helpt revisies van heupimplantaten vermijden
Met een bevolking die steeds ouder wordt en er een actievere levensstijl op nahoudt, neemt het aantal heupvervangingen jaar na jaar toe. In 2005 waren dit er 600 000 wereldwijd en tegen 2030 wordt een toename van maar liefst 174% verwacht. Mede door dit hoge aantal vervangingen, is dit een standaardingreep geworden. Maar ondanks dat er op korte termijn relatief weinig problemen ondervonden worden, ziet men dat op lange termijn er al te vaak complicaties optreden die leiden tot 1 of meerdere nieuwe operaties. Met behulp van plasmatechnologie, is het doel van dit eindwerk om de levensduur van het heupimplantaat te verlengen door het prematuur lossen van botcement en heupimplantaat te verminderen en zo verdere ingrepen te vermijden.
De meeste mensen kennen plasma onder de vorm van bliksem, maar deze mix van ionen, radicalen en elektronen wordt op aarde vooral door de mens opgewekt. Aan de Universiteit Gent specialiseert de onderzoeksgroep Plasmatechnologie (Research Unit Plasma Technology – RUPT) zich in het gebruik van plasma bij atmosfeerdruk om oppervlakken allerhande te modificeren en in samenwerking met de onderzoeksgroep polymeren voor biomedische toepassingen (Polymer Chemistry and Biomaterials Research Group – PBM) werkt men op het afzetten van nieuwe coatings met unieke eigenschappen. Met deze relatief nieuwe technologie is het de bedoeling enerzijds om een reinigingsprocedure voor titanium heupimplantaten op te zetten en anderzijds om een polymeercoating af te zetten op het gereinigde titanium die zou dienen als hechtingslaag tussen het titaniumimplantaat en het botcement. De effectiviteit van deze modificaties wordt dan getoetst via trektesten. De resultaten van deze trektesten zijn een maatstaf voor de hechtingssterkte tussen het titaniumimplantaat en het botcement en dus onrechtstreeks een maatstaf voor de levensduur van het implantaat.
In het verleden was het reinigen van titanium implantaten tijdrovend. Organische solventen werden gebruikt en het eindresultaat was vaak van inferieure kwaliteit. De nieuw ontwikkelde plasmaprocedure laat toe om betere resultaten te verkrijgen, zonder schade voor het milieu omdat het gebruik van schadelijke solventen niet meer nodig is. Al na een plasmabehandeling van een halve minuut is een groot deel van de verontreiniging verdwenen, terwijl na 5 minuten de onderliggende titaniumlaag volledig blootgesteld is. Bij de klassieke chemische methodes duurde dit al gauw enkele uren. De verontreiniging werd bovendien niet altijd homogeen verwijderd en de onderliggende laag werd gecorrodeerd door de agressieve chemische producten. Bij het uitvoeren van trektesten om de hechting tussen het gereinigd titanium en het botcement na te gaan wordt een toename van 50% vastgesteld in vergelijking met niet-gereinigde stalen. Ook nam de reproduceerbaarheid toe met een factor 2. Dit alles samen wijst er op dat de kwaliteit van het implantaat substantieel is toegenomen. Verwacht wordt dan ook dat deze nieuwe methode in de toekomst zijn weg zal vinden in de operatiekamer.
Het tweede luik van het onderzoek draait rond het ontwikkelen, karakteriseren en optimaliseren van een PMMA (polymethylmethacrylaat) coating die voor een verdere hechting moet zorgen tussen het implantaat en het PMMA botcement. PMMA staat vooral bekend als de bouwsteen van plexiglas, maar het is een veelzijdig materiaal dat vaak gebruikt wordt voor biomedische toepassingen, omdat het menselijk immuunsysteem het niet als lichaamsvreemd beschouwd. Plasma-coaten, in tegenstelling tot traditionele manieren van coaten, levert verschillende voordelen op. Ten eerste heeft men een uitmuntende controle over de dikte en atomaire samenstelling van de coating. Ten tweede, is er een uitstekende hechting aan bijna alle oppervlakken. Ten derde, het is een snel en goedkoop uit te voeren proces met een groen karakter doordat er met onverdund startmateriaal gewerkt kan worden.
In de eerste fase van het onderzoek is het gelukt om een homogene coating af te zetten met de gewenste samenstelling en dikte. Door het spelen met invoerparameters zoals de behandelingstijd, het toevoerdebiet van de grondstof en het ontladingsvermogen van het plasma kan men nog verder gaan fine-tunen.
In een tweede fase van dit onderzoek is de coating onderworpen aan een stabiliteitstest die nagaat of deze stabiel zal blijven in het menselijk lichaam voor langere periodes. In een eerste bufferoplossing worden de condities nagebootst van gezond menselijk weefsel. Na 2 weken incubatie bij 37° Celsius (=lichaamstemperatuur), zijn er geen veranderingen vastgesteld en ziet de coating er uit zoals voor de incubatie. Aangenomen wordt dat er na 2 weken geen verdere veranderingen zullen optreden. Net na een operatie heeft het omliggend weefsel vaak last van infectie. Het is dan ook van belang dat de coating stabiel is in die eerste cruciale weken. Incubatie voor 2 weken in een tweede bufferoplossing met verhoogde pH waarden, typisch voorkomend bij een infectie, resulteert eveneens in een onveranderde toestand van de coating.
In de derde en finale fase van het onderzoek wordt het titanium, ditmaal met coating, onderworpen aan een reeks trektesten om de mate van hechting tussen het behandelde implantaat en botcement na te gaan. De resultaten tonen een toename van 10% in hechtingsterkte en een toename in reproduceerbaarheid met een factor 2. Deze resultaten zijn beloftevol, maar verder onderzoek naar optimalisatie zal in de toekomst nog moeten uitgevoerd worden.
Het doel van dit eindwerk was nieuwe manieren te vinden om de levensduur van een titanium heupimplantaat te verlengen met behulp van plasmatechnologie. Met behulp van de nieuw ontwikkelde reinigingsmethode voor titanium en het plasmacoatingproces staat men vandaag al grote stap dichter in het verbeteren van de levensduur van een heupvervanging. De toename van 50% na de plasmareiniging is boven alle verwachtingen. De toename met 10% na plasmacoating is reeds een goede stap voorwaarts, maar vraagt nog verdere optimalisatie. Wanneer deze nieuwe voorbehandelingsmethodes hun weg zullen vinden naar de producenten van implantaten en de operatiekamers, zal dit onvermijdelijk resulteren in een toename van de levenskwaliteit voor duizenden mensen iedere dag opnieuw.
