Peter Griss

Five years experience with ceramic-metal-composite hip endoprostheses

SummaryClinical experience with 130 endoprostheses, entirely made of ceramic, having an average 5 year follow-up is reported. Excellent to sufficient results were seen in 84% of all cases. A number of particular matters of interest (operative technique, radiological morphology of the bone/ ceramic bone interface etc.) are discussed in detail. Complications (loosening of components: 2%; component fracture: 6%, wear phenomena etc.) are described and documented including histological observations from capsular tissue of total ceramic hip joints. The whole system has basically stood the test, during the implantation period, modifications to improve the function of the system will be described in another publication.ZusammenfassungEs wird über 5jährige klinische Erfahrungen an Hand von 130 Keramik-Keramikhüft-endoprothesen berichtet. Die sehr guten bis befriedigenden Ergebnisse machen 84% aus. Über eine Reihe von Besonderheiten (Operationstechnik, Röntgenmorphologie der Grenzfläche um Keramikimplantate etc.) wird detailliert berichtet. Es werden verschiedene Komplikationen (Lockerungen: 2%, Keramikbrüche: 6%, Abriebphänomene) dargestellt, ramikbrüche: 6%, Abriebphänomene) dargestellt, wobei auch humanhistologische Befunde aus Kapselgewebe um Keramik-Keramikgelenke beschrieben werden. Das System hat sich in den Grundzügen bewährt, Änderungen, die die Prothese quo ad functionem sicherer machen, werden in einer 2. Publikation vorgestellt.

Experimentelle Untersuchung zur Gewebsverträglichkeit oxidkeramischer (Al2O3) Abriebteilchen

SummaryWear resistivity testing of alumina ceramic initially produced discrete wear particles. After implantation of ceramic endoprostheses in man as a result of recent and future investigations in this field similar Al2O3 powder might in a low amount appear in the tissue surrounding the articulating surfaces. It seemed therefore important to have information concerning the tissue response and definite fate of Al2O3 wear products within the mamalian organism. 150 SPF swiss mice divided in three groups received an alumina ceramic granular suspension subcutaneously, into the hind pads and into both knee joints and were investigated morphologically up to 150 days after application. The three injection sites did not show any differing tissue reaction. Initial tissue oedema and granulocytic infiltration were soon replaced by mono-histiocytic cells which started with crystal phagocytosis. Simultaneously a moderate fibroblast activity surrounded the crystal depositions resulting in a discrete connective tissue encapsulation. About 30 days after the application of the material, the tissue reaction described above became stationary up to the end of the experimental time. The crystals mainly deposited in macrophages were then tolerated without signs of further inflammatory reaction. Propagation of crystals into the lymphatic and blood vessels revealed a short time deposition in the RES of the lymphatics, the liver, the spleen and the lung without foreign body reaction or progressive fibrosis in these organs. Alumina ceramic particles therefore seem to be inert, atoxic and well tolerated by the organism.ZusammenfassungDie Testung von dichter hochreiner Al2O3-Keramik hat einen minimalen corpusculären Einlaufabrieb gezeigt. Da dies auch in vivo bei künftigen Endoprothesen aus diesem Material zu erwarten ist, schien es wichtig, in Tierversuchen Informationen über Gewebereaktion und Verbleib solcher Abriebpartikel zu gewinnen. Al2O3-Keramikabrieb wurde insgesamt 150 SPF-Swiss Mäusen in drei Gruppen subcutan, in die Hinterpfoten und in die Kniegelenke gespritzt und über einen Zeitraum von 150 Tagen nach der Injektion morphologisch verfolgt. Die Gewebereaktion war standortunabhängig. Nach kurzzeitiger ödematösgranulocytärer Initialreaktion traten mono-histiocytäre Zellen auf, welche das Granulat in großen Mengen phagocytierten. Gleichzeitig proliferierende Fibroblasten bildeten eine geringe bindegewebige Abgrenzung der Kristalldepots. Um den 30. Tag nach der Injektion war diese Gewebsantwort abgeschlossen und bis Versuchsende stationär. Das vorwiegend in Makrophagen abgelagerte Keramikmaterial wurde ohne weitere morphologisch erkennbare Reaktion toleriert. Nach Verschleppung von Kristallen über die Lymph- und Blutbahn war das Granulat vorübergehend im RES von Leber, Milz und Lymphknoten sowie im Lungengerüst wiederzufinden, ohne daß Fremdkörpergranulome mit Riesenzellen und progressiv-fibroplastische Reaktionen auftraten. Aluminiumoxidkeramikabrieb kann auf Grund dieser Befunde als weitgehend inert und atoxisch bezeichnet werden.

Die Aluminiumoxidkeramik-Metall-Verbundprothese. Eine neue Hüftgelenktotalendoprothese zur teilweise zementfreien Implantation

SummaryThe favorable combination of properties of dense, pure Al2O3-ceramics as a material for endoprostheses of the high load bearing joints have been confirmed in more than 4 years of experimental work with different types of animals. During this period Al2O3-ceramic parts for total hip replacement have already been developed and tested as well as the special instrumentation and the technique of the surgical procedure concerned. Based on these experiences a new total hip endoprostheses together with its complete technique for the operation is presented with which an improved alternative for replacements of Weber-Huggler-prostheses is offered and the application of total hip replacements can be extended to patients below 60 years of age.ZusammenfassungNach mehr als 4jährigen tierexperimentellen Untersuchungen zur Ausnutzung der günstigen Eigenschaftskombination von dichter, hochreiner Al2O3-Keramik für die Endoprothetik sowie die Entwicklung und Erprobung von verschiedenen Prothesenformen und dem zugehörigen Spezialinstrumentarium kann eine Totalhüftgelenkendoprothese mit der vollständigen Operationstechnik vorgestellt werden, die einmal für die notwendig werdenden Austauschoperationen von Weber-Huggler-Prothesen wichtige Vorteile bietet, zum anderen die Indikationsstellung von Totalhüftalloarthroplastiken auch auf Patienten unter 60 Jahren zu erweitern gestattet.The favorable combination of properties of dense, pure Al2O3-ceramics as a material for endoprostheses of the high load bearing joints have been confirmed in more than 4 years of experimental work with different types of animals. During this period Al2O3-ceramic parts for total hip replacement have already been developed and tested as well as the special instrumentation and the technique of the surgical procedure concerned. Based on these experiences a new total hip endoprostheses together with its complete technique for the operation is presented with which an improved alternative for replacements of Weber-Huggler-prostheses is offered and the application of total hip replacements can be extended to patients below 60 years of age.

The effects of mechanical factors on bio-compatibility tests

Evaluation of materials for bone and joint replacement has led to contradictory results in a number of cases: some researchers have reported the formation of good load-bearing bone structures along the surface of a particular material, e.g. dense, high strength Al2O3-ceramics, others found the same material encapsulated by soft tissue. Considering the results of various animal experiments and the evaluation of clinical follow-up studies, it can be shown that many of these conflicting observations are due to different biomechanical conditions at the site of examination. Failure to consider the local load situation at the interface between the implanted specimen and the bone tissue can lead to misleading statements about the possible applications of a material.

Vergleichende experimentelle untersuchungen an Al2O3-keramik und mit mod. Bioglas (L. L. Hench) beschichteter Al2O3-keramik

This report is based on 4 comparative experimental series is sheep using a cementfree total hip replacement model. Basically a smooth stem design was compared to a step stem design for biomechanical interlocking anchorage. Both designs were implanted as pure high density Al2O3-ceramic components and as Al2O3-ceramic parts coated with Bioglass or Bioglass-ceramic (post op. follow up 13 months, 17 animals). None of the 4 stem modifications showed a tendency for permanent stabilisation or bonding in bone. Besides insufficient bonding of the glass coatings to the substrate and apparent biodegradability of the bioglass coatings in the body, insufficient biomechanical knowledge of endosteal direct anchorage of prosthetic devices is the main reason for failure in these experiments. An exclusive biochemical way of anchoring prosthetic parts in the marrow cavity is rejected. The results presented are discussed in the light of the recent literature.SummaryThis report is based on 4 comparative experimental series in sheep using a cementfree total hip replacement model. Basically a smooth stem design was compared to a step stem design for biomechanical interlocking anchorage. Both designs were implanted as pure high density Al2O3-ceramic components and as Al2O3-ceramic parts coated with Bioglass or Bioglassceramic (post op. follow up 13 months, 17 animals). None of the 4 stem modifications showed a tendency for permanent stabilisation or bonding in bone. Besides insufficient bonding of the glass coatings to the substrate and apparent biodegradability of the bioglass coatings in the body, insufficient biomechanical knowledge of endosteal direct anchorage of prosthetic devices is the main reason for failure in these experiments. An exclusive biochemical way of anchoring prosthetic parts in the marrow cavity is rejected. The results presented are discussed in the light of the recent literature.ZusammenfassungEs wird über 4 vergleichende Experimentalserien von zementfreiem Hüftgelenkersatz beim Schaf berichtet. Eine glatte markraumfüllende Schaftform wurde mit einem stufentragenden Schaft zur biomechanischen Verankerung verglichen. Beide Schaftformen wurden als refine dichte Al2O3-Keramikschäfte und nach Überzug der Verankerungsteile mit Bioglas und keramisiertem Bioglas (Glaskeramik) vergleichend implantiert (Implantationszeit bis 13 Monate, insgesamt 17 Tiere). Keine der 4 Schaftmodifikationen zeitigte dauerhafte Verankerungstendenz. Neben ungenügender Haftfestigkeit der Glasüberzüge und unzureichender Biostabilität der Beschichtungen wird vor allem die noch ungenügend erforschte Biomechanik der endostalen zementfreien Prothesenverankerung für die Fehlschläge verantwortlich gemacht. Ein rein biochemischer Verankerungsmechanismus für lastübertragende Prothesen wird abgelehnt. Die Ergebnisse wurden im Lichte der neuesten Literatur ausführlich diskutiert.

[Alumina ceramic, a new biomaterial. Properties of the material and possible clinical range of application].

SummaryThe materials and combinations of materials presently used for joint replacements are not completely satisfactory. Therefore, special types of ceramics have been studied for the application of endoprostheses of the heavy load bearing joints. High purity aluminium oxide ceramics have shown the most promising results. In a comparison between the material properties required for joint endoprostheses and the properties of dense, high purity Al2O3 ceramics particular emphasis is placed on the problems of mechanical strength of total hip endoprostheses capable of being implanted without the use of any cement as well as on the problem of friction in artifical hip joint.ZusammenfassungDa die bisher zum Gelenkersatz verwendeten Werkstoffe und Werkstoffkombinationen noch nicht voll befriedigen, wurden spezielle Arten von Keramik auf ihre Eignung für Endoprothesen der hochbelasteten Gelenke untersucht. Hochreine Aluminium-oxidkeramik erwies sich als am günstigsten. Im Vergleich zwischen den Anforderungen an einen Werkstoff für Gelenkendoprothesen und den Werkstoffeigenschaften dichter, hochreiner Al2O3-Keramik wird besonders auf Fragen der mechanischen Festigkeit von Hüftgelenktotalendoprothesen, die für die zementfreie Implantation vorgesehen sind, sowie auf die Reibungsprobleme näher eingegangen.

Was bedeutet die resorption des calcar femoris nach der totalendoprothesenoperation der Hüfte

SummaryBased on radiographs this investigation makes effort to differentiate several possible osseous reactions (resorption, apposition, remodelling) at the calcar femoris following total hip replacement. A series of patients with Charnley-Müller and McKee-Huggler type total hip replacement is compared to a series of patients with the Lindenhof-type Al2O3-ceramic hip replacement.Three different types of calcar femoris resorption as well as two types of so-called calcar adaptation could be distinguished throughout this study.Type I calcar resorption is related to post operative disturbance of vascularisation of this area, type II calcar resorption is mainly due to foreign body reaction against wear-particles and PMMA fragments, type III calcar resorption is mainly connected to stem loosening. In series 153 p.c. of all cases had calcar resorption (thereoff: 70 p.c. type I; 18 p.c. type II; 12 p.c. type III), in series 11 only 10 p.c. of all cases showed calcar resorption (4 p.c. type I; 6 p.c. type III). In series II two adaptive calcar reactions (1. atrophy of calcar femoris, 2. remodelling of calcar femoris without deficit in contour) could be distinguished. The reasons for these adaptive mainly biomechanical calcar reactions are discussed in detail reflecting the fact that in series II Charnley- and Weber-type stems were inplanted both having only a small collar. Based on this discussion consequences for a new stem design are formulated, the new design is presented.ZusammenfassungDie vorgelegte Untersuchung versucht eine Unterscheidung verschiedener ossärer Reaktionen (Resorption, Anbau, Umbau) am Calcar femoris nach Totalendoprothesenoperation aufgrund röntgenologischer Kriterien aufzulisten. Es wird hierzu ein Krankengut bestehend aus Charnley-Müller- sowie McKee-Huggler-Prothesen (Serie 1) mit Keramik-Keramik-Prothesen Typ Lindenhof (Serie 2) verglichen. Dabei können 3 distinkte Typen einer Calcar-resorption (CR) Bowie 2 Typen einer sogenannten Calcar-adaptation herausgearbeitet werden. Ursächlich wird für den Typ 1 einer Calcar-resorption die Durchblutungsstörung der Resektionsfläche, für den Typ 2 die biologische Reaktion auf im Schlammfang gesammelte Abrieb- and Zementbruchpartikel, für den Typ 3 schließlich die Resorption aufgrund einer durch Schaftlockerung entstandenen pathologischen Relativbeweglichkeit diskutiert. In Serie 1 findet sich in 53% der Fälle eine CR (Typ 1 davon in 70%, Typ 2 in 18%, Typ 3 in 12%), in Serie 2 wird nur in 10% der Fälle eine CR (Typ 1: 4%, Typ 3: 6%) gesehen. In dieser 2. Serie lassen sich jedoch bei 2 Schafttypen, die beide keine wesentliche Halsauflage haben (Charnley and Weber), 2 differente Calcaradaptationsreaktionen herausschälen (1. Atrophic des Calcar femoris und 2. Umbau des Calcar femoris bei erhaltener Außenkontur). Die biomechanischen Ursachen für these Calcaranpassungsreaktionen werden ausführlich diskutiert. Weiterhin werden wesentliche Folgerungen hieraus für eine neue Schaftform formuliert. Eine diesbezügliche eigene Neuentwicklung wird im Schlußteil vorgestellt.

The influence of fine surface structures on the osseo-integration of implants.

The availability of inert materials like dense, pure Al-2O3-ceramic or titanium allows the study of purely biomechanical influences of surface modulations or lacune on the osseo-integration of implants at different locations of the skeleton. The discovery of the «load-line-shadow» phenomenon in lacune of dental implants and the observation of the same effect in the grooves of hip sockets (Lindenhof type) indicate the general validity of the rules controlling the remodelling ability of bony tissue. Their application to the problems concerned with load transmission via surfaces which are mainly loaded by shear can contribute to achieve a well defined anchorage of implants.

Die aussagefähigkeit histologischer befunde zur beurteilung von knochenersatzwerkstoffen

SummaryDifferent groups have observed and reported deviating tissue reactions for the same material for bone replacement: for the “bioinert” Al2O3-ceramic close bone contact is mentioned, others report about a soft tissue layer adjacent to the implant; for the “bioactive” glass ceramic interfaces capable to transmit considerable shear forces are described, others found no interface bonding.—The analysis of the results of animal experiments and the evaluation of clinical follow-up studies show that these discrepancies had been caused by the differences of the biomechanical situations in the examined interfaces. It is pointed out that the negligence or not mentioning of the load pattern at the site of examination can lead to misinterpretations about the possibilities and limits of applicability of biomaterials.ZusammenfassungAm gleichen Knochenersatzmaterial haben verschiedene Arbeitsgruppen unterschiedliche Gewebereaktionen beobachtet und beschrieben: Bei der „bioinerten” Al2O3-Keramik werden einmal enger Knochenkontakt, von anderen die Existenz eines Weichgewebeinterponates erwähnt; für “bioaktive” Glaskeramiken werden einmal Scherkräfte von beträchtlicher Größe übertragende Grenzflächen beschrieben, andere fanden keine Grenzflächenhaftung. — Die Analysen tierexperimenteller Ergebnisse und die Auswertungen klinischer Nachsorgeuntersuchungen zeigen, daß these Diskrepanzen durch die Unterschiede in der biomechanischen Situation der jeweils untersuchten Grenzflächen hervorgerufen worden Bind. Es wird darauf hingewiesen, daß die Nichtbeachtung oder die Nichtnennung des Belastungs zustandes am Ort der Probeentnahme zu Fehlbeurteilungen über die Anwendungsmöglichkeiten und -grenzen von Biomaterialien führt.

Die Mannheimer Oxidkeramik-Metall-Verbundendoprothesen

SummaryPreliminary results with two alumina oxide ceramic-metal composite hip prostheses in 30 patients are presented. The indication, operative technique and postop. care as well as the postop. results are described and documented in detail.ZusammenfassungEs wird über die vorläufigen klinischen Erfahrungen mit den Mannheimer Oxidkeramik-Metall-Verbundendoprothesen an Hand von 30 operierten Fällen berichtet. Indikation, operative Technik und spezielle Nachbehandlung sowie die postoperativen Resultate werden eingehend beschrieben und dokumentiert.