L'intervento chirurgico di sostituzione dell'anca, o l'artroplastica totale dell'anca (THA), è uno dei più efficaci e mutevoli procedure ortopedici, ripristinando la mobilità e alleviando il dolore per milioni di pazienti in tutto il mondo. Il successo a lungo termine di un impianto di ippopotizzazione dipende fortemente dalla superficie del cuscinetto: l'interfaccia in cui la testa femorale si articola contro la linea acetabolare.

Che cosa è la tribologia e perché si fa la materia in Implants di Hip?

Tribologia, derivata dalla parola greca tribos] significa "rubbing", è la scienza interdisciplinare che studia attrito, usura e lubrificazione tra superfici interagenti in movimento relativo. Nel contesto degli impianti dell'anca, la tribologia si concentra sul cuscinetto della coppia, la testa femorale e il liner acetabolare, come si articolano in milioni di anno critico.

Le particelle umide, indipendentemente dalla loro composizione, possono innescare una risposta infiammatoria del corpo straniero che porta all'osteolisi (riassorbimento dell'osso), allentamento dell'impianto e all'eventuale guasto del paziente. Inoltre, i principi di attrito devono essere tenuti bassi per preservare il film di lubrificazione e ridurre la coppia sull'interfaccia dell'impianto-osso.

I parametri tribologici chiave negli impianti dell'anca includono il coefficiente di attrito, la rugosità superficiale, la tettabilità e la formazione di un regime di lubrificazione a pellicola fluida. Un cuscinetto ben lubrificante opera nel regime di lubrificazione al limite o misto, dove un sottile film fluido separa le superfici.

Cuscinetti metallici su misura: Promessa e caduta

I cuscinetti in metallo-on-metal (MoM) sono stati reintrodotti negli anni '90 come alternativa ai cuscinetti in polietilene convenzionali, in particolare per i pazienti più giovani e attivi che hanno richiesto alta durata e grandi dimensioni della testa per ridurre il rischio di dislocazione.

Come i cuscinetti MoM funzionano Tribologicamente

In un cuscinetto MoM ben funzionante, un sottile film fluido del fluido sinoviale separa parzialmente le due superfici metalliche, creando un regime di lubrificazione misto. La rugosità superficiale dei moderni cuscinetti MoM è estremamente bassa (Ra < 0,05 μm), e l'elevata durezza delle leghe CoCrMo resiste all'usura abrasiva. Le superfici cuscinetto subiscono un processo noto come "bedding-in gocce", dove le asperità iniziali sono portate diminuite.

L'usura bassa volumetrica dei cuscinetti MoM rispetto al polietilene convenzionale è stata inizialmente elargita come un vantaggio importante. Tuttavia, i detriti di usura generati sono particelle metalliche prevalentemente nanometriche, che hanno un alto rapporto superficie-area-volume e sono biologicamente attive. Queste particelle possono dissolversi in ioni metallici, tra cui cobalto e cromo, che entrano nel flusso sanguigno e possono accumulare nei tessuti locali.

Vantaggi dei cuscinetti MoM

  • Alta resistenza all'usura[]: Dopo il biancheria da letto, i cuscinetti MoM presentano tassi di usura estremamente bassi, potenzialmente durati 20-30 anni o più in condizioni ottimali.
  • Diametri della testa grande[[]: I disegni metallici su metallo consentono di ottenere teste femorali più grandi (36 mm a 48 mm o più), che aumentano significativamente la distanza di salto e riducono il rischio di dislocazione—una preoccupazione importante nei pazienti ad alto rischio.
  • Durability in pazienti attivi[[]: L'elevata durezza e resistenza delle leghe CoCrMo rendono i cuscinetti MoM adatti a persone più giovani e ad alto carico che pongono maggiore stress sull'impianto.
  • Nessun rischio di frattura ceramica[[]: A differenza dei cuscinetti ceramici, i componenti metallici sono duttili e non si frantumano catastroficamente, offrendo un margine di sicurezza in termini di integrità meccanica.

Svantaggi dei cuscinetti MoM

  • L'ion rilascio di metal[: Gli ioni cobalto e cromo vengono rilasciati nel corpo, con potenziali effetti sistemici, tra cui neurotossicità, cardiomiopatia e disfunzione tiroidea. L'esposizione a lungo termine rimane una preoccupazione, soprattutto nei pazienti con alterazione renale.
  • Metallosis e ALTRs[[[]: L'accumulazione dei detriti metallici nei tessuti periprotetici può causare infiammazione locale, formazione pseudotumorale e osteolisi, spesso richiedenti la chirurgia di revisione. L'incidenza di ALTRs è stata riportata fino al 5–10% in alcuni disegni MoM a 10 anni di follow-up.
  • Rifiuto regolamentare e clinico[[[]: A causa di elevati tassi di revisione e problemi di sicurezza, diversi progetti MoM sono stati ritirati dal mercato.U.S. Food and Drug Administration (FDA) ha rilasciato più comunicazioni di sicurezza, e l'uso di cuscinetti MoM di grande diametro è diminuito bruscamente dal 2010.
  • Sensibilità di progettazione ottimale[]: I cuscinetti MoM sono altamente sensibili al posizionamento degli impianti. Gli angoli di inclinazione della tazza acetabolare subottili (sopra 50°) possono portare a carichi di bordo e usura accelerata, aumentando notevolmente i livelli di ione metallico.

Risultati clinici e lezioni imparate

I dati del Registro di sistema dell'Australia Ortopedia Nazionale di Sostituzione congiunta e del Registro Nazionale delle Giunzioni per l'Inghilterra e il Galles hanno costantemente mostrato tassi di revisione più elevati per i cuscinetti MoM rispetto alle alternative in ceramica-on-ceramica e altamente cross-linked in polietilene.

Cuscinetti ceramici su ceramica: il marchio di qualità per la tribologia Hard-on-Hard

I cuscinetti in ceramica-on-ceramica (CoC) sono emersi come alternativa per affrontare le preoccupazioni di usura e rilascio di ioni associati ai cuscinetti metallici. Utilizzando ceramiche ultra-duree come l'allumina (Al2O3) o l'allumina zirconia-toughened (ZTA, ad esempio, Biolox® Delta), i cuscinetti CoC offrono i più bassi tassi di usura di qualsiasi coppia di cuscinetti utilizzato in fase di artrox

Come funziona il CoC Bearings Tribologicamente

I cuscinetti ceramici-ceramica raggiungono un regime di lubrificazione unico noto come "lubrificazione a pellicola fluida", dove un film sottile continuo di fluido sinoviale separa le due superfici durante la maggior parte del ciclo di gait. Questo è facilitato dall'eccellente tettabilità delle superfici ceramiche (angolo di contatto inferiore a 20°), che promuove la diffusione dei fluidi e la formazione di film.

I detriti di usura dei cuscinetti CoC sono costituiti principalmente da particelle ceramiche nanometri-militriche generalmente considerate biologicamente inerte rispetto ai detriti metallici o polietilene. Queste particelle sono spesso incorporate nel tessuto sinoviale senza suscitare una forte risposta infiammatoria. Tuttavia, le prestazioni tribologiche dei cuscinetti CoC dipendono in modo critico dalla qualità di fabbricazione, dalla sfericità e dalla finitura superficiale del cemento.

Vantaggi dei cuscinetti di coC

  • Extremely low wear rate[[]: i cuscinetti CoC dimostrano costantemente l'usura lineare e volumetrica più bassa di qualsiasi coppia di cuscinetti, con alcuni studi che riportano i tassi di usura 4.000 volte più bassi del polietilene convenzionale.
  • Reattività biologica minima[[[]: I detriti in ceramica sono relativamente inerti e non innescano la stessa cascata osteolitica come detriti in polietilene o metallo. L'incidenza dell'osteolisi è estremamente bassa nei cuscinetti in CoC con un corretto posizionamento.
  • Nessun rilascio di ioni metallici[[[]: Le ceramiche non corrodono o rilasciano ioni metallici, eliminando i rischi di tossicità metallica, metallosi e ALTRs. Ciò rende i cuscinetti CoC particolarmente adatti per i pazienti con allergie metalli o alterazioni renali.
  • Eccellente biocompatibilità[[]: L'allumina e la ZTA hanno una lunga storia di utilizzo sicuro nell'ortopedia e dimostrano una stabile integrazione biologica.
  • Low frizione[]: Il basso coefficiente di attrito riduce la coppia applicata all'interfaccia implantare-bone, riducendo potenzialmente il rischio di allentamento asettico.

Svantaggi dei cuscinetti di coC

  • Rischio di frattura ceramica[[]: Sebbene raro nella produzione moderna – con tassi di incidenza inferiori allo 0,02% per il Delta del Biolox – i componenti ceramici possono fratturare catastrofe sotto trauma o malposizione elevata.
  • Squeaking[[]: Il squeaking udibile è una complicazione unica dei cuscinetti CoC, che si verifica in circa 1–5% dei casi.
  • Costo più elevato[]: I cuscinetti CoC sono generalmente più costosi rispetto alle alternative metal-on-polietilene o MoM, che possono influenzare la selezione degli impianti nei sistemi sanitari a costi contenuti.
  • Stripe wear[[]: In caso di microseparazione (quando la testa subluce durante la fase di oscillazione del gait), una zona localizzata di usura accelerata nota come usura della striscia può verificarsi sulla testa di ceramica, producendo particelle di detriti più grandi e potenzialmente aumentando il tasso di usura.
  • Opzioni di revisione limitate[[]: Se un componente ceramico si fratture o fallisce, la revisione può richiedere la rimozione di frammenti ceramici ben fissati, e il chirurgo deve spesso convertire in una coppia di cuscinetti diversi (ad esempio, ceramica-on-polietilene) per evitare ulteriori complicazioni.

Materiali ceramici moderni: Delta del Biolox e Oltre

L'introduzione del Delta del Biolox (un cuscinetto di etilico-assottigliato composito) nei primi anni 2000 ha migliorato significativamente la resistenza alla frattura dei cuscinetti in ceramica.

Analisi comparativa: MoM vs. Cuscinetti CoC

Per confrontare i cuscinetti MoM e CoC, devono essere considerati diversi parametri tribologici e clinici chiave, il seguente riassunto evidenzia le differenze più importanti.

Caratteristiche dell'usura e del debito

I cuscinetti CoC producono ordini di grandezza meno particelle di usura rispetto ai cuscinetti MoM. L'usura volumetrica annuale del CoC è generalmente inferiore a 0,1 mm3, mentre i cuscinetti MoM producono 1-5 mm3 all'anno dopo l'oblio. Più criticamente, l'attività biologica dei detriti è profondamente diversa. I detriti metallici sono reattivi, promuove il rilascio di citochine infiammatorie e possono causare la maggiore osteolisi anche a bassa.

Frizione e lubrificazione

I cuscinetti CoC dimostrano costantemente un coefficiente di attrito inferiore (0.02–0.05) rispetto ai cuscinetti MoM (0.10–0.15) sotto carico fisico simulato. L'elevata bagnabilità e lubrificazione delle pellicole fluide delle ceramiche provocano una coppia di attrito inferiore, che può ridurre lo stress sull'interfaccia ossea-impianto.

Rischio di dislocazione

Tuttavia, l'adozione storica di teste di grande diametro è stata più prominente con i cuscinetti MoM. Oggi, i cuscinetti CoC sono disponibili in grandi dimensioni (32-40 mm) e, quando combinato con i moderni design di tazze e foderato, offrono tassi di dislocazione comparabili a MoM. Inoltre, l'assenza di problemi di detriti metallici in CoC permette di rilasciare più aggressivo la selezione delle dimensioni della testa senza.

Tassi di sopravvivenza e di revisione

I dati del Registro di sistema mostrano una sopravvivenza più povera per i cuscinetti MoM rispetto ai cuscinetti CoC. Il tasso di sopravvivenza di 10 anni per il THA primario MoM è di circa 85-90% nella serie moderna, mentre i cuscinetti CoC raggiungono la sopravvivenza del 95-98% allo stesso tempo. Il numero necessario per trattare per prevenire una revisione scegliendo il Cd sopra MoM è stimato tra 10 e 20 pazienti sotto i 65 anni di età.

Costo-efficacia

I cuscinetti CoC hanno un costo più elevato (circa 500–$1,000 in più per impianto rispetto a MoM). Tuttavia, data la minore velocità di revisione e l'evitabilità delle complicazioni relative alla tossicità dei metalli, diversi analisi economiche della salute[]] hanno trovato che il CoC sarebbe conveniente nelle popolazioni dei pazienti più giovani quando modellato su un orizzonte di 20 anni.

Risultati clinici e prestazioni a lungo termine

Gli studi a lungo termine dei cuscinetti CoC hanno dimostrato un'eccellente durata, con tassi di usura così bassi sono spesso inosservabili utilizzando l'analisi radiostereometrica convenzionale (RSA). Uno studio del 2015 di Vendittoli et al. ha riferito un'usura lineare media di 0,002 mm/anno per cuscinetti CoC oltre 10 anni, senza casi di osteolisi.

Il registro svedese dell'artroplastica dell'anca e il registro australiano segnalano entrambi un rischio significativamente più elevato di revisione per MoM rispetto al CoC dopo la regolazione per età, sesso e impianto. Il rischio di revisione per MoM è due o tre volte superiore rispetto al CoC a 10 anni.

Selezione dei pazienti e gestione delle decisioni condivisa

La scelta tra cuscinetti MoM e CoC deve essere individualizzata in base a fattori di paziente, esperienza del chirurgo e disponibilità degli impianti.

Giovani, pazienti attivi

Per i pazienti di età inferiore ai 60 anni con livelli di attività elevati (ad esempio, atleti, lavoratori manuali), i cuscinetti CoC sono l'opzione preferita a causa dei loro bassi tassi di usura, biocompatibilità e dati di sopravvivenza a lungo termine. Il rischio teorico della frattura ceramica (ora estremamente bassa) è superato dall'evitare tossicità e osteolisi metalliche.

Pazienti più vecchi e bassi

Nei pazienti con età superiore ai 75 anni con attività limitata, i cuscinetti MoM possono ancora essere considerati, in particolare se una grande dimensione della testa è desiderata per la stabilità e le preoccupazioni dei costi sono fondamentali. Tuttavia, anche in questa popolazione, la necessità di monitoraggio ion lungo la vita e il rischio di ALTRs rendono MoM meno attraente dei moderni cuscinetti in polietilene altamente collegati, che offrono un'eccellente resistenza all'usura e nessun rilascio di ioni metallici.

Pazienti con disturbi renali

Poiché l'alloggiamento dei metalli dipende dalla funzione renale, i cuscinetti MoM sono relativamente controindicati nei pazienti con malattia renale cronica (stadio 3 o peggio). I cuscinetti CoC sono l'opzione più sicura hard-on-hard in questo scenario, in quanto non producono alcun onere ione metallico sistemico.

Pazienti con Priore non riuscita MoM

I pazienti che hanno già sperimentato un impianto idizzato MoM fallito a causa di ALTR o metallosi dovrebbero ricevere un cuscinetto in CoC o ceramica-on-polietilene nella chirurgia di revisione.

Le direzioni future nella tecnologia di cuscinetti Hip

La ricerca sulla tribologia dei cuscinetti continua ad evolversi, con diverse innovazioni promettenti all'orizzonte. I cuscinetti ceramici-on-metal (CoM)[[] tentano di combinare il basso usura della ceramica con la durezza del metallo, ma i risultati iniziali hanno mostrato un aumento del rilascio di ioni metallici a causa delle interazioni di asperità della ceramica con la superficie metallica.

I rivestimenti di superficie avanzati, come il carbonio simile a quello del diamante (DLC) o il nitruro del titanio (TiN), sono stati esplorati per migliorare le prestazioni tribologiche dei cuscinetti metallici. Tuttavia, i dati clinici sulle teste femorali rivestite DLC hanno mostrato risultati misti, con alcuni rapporti di delaminazione del rivestimento e aumento dell'usura.

Inoltre, la lubrificazione biomimetica[[]] si avvicina, come l'incorporazione di acido ialuronico o altri lubrificanti di confine nella superficie dell'impianto, studiando per migliorare la formazione del film fluido e ridurre l'attrito anche in condizioni marginali.

Conclusioni

Le proprietà tribologiche dei cuscinetti in metallo-on-metal e ceramica-on-ceramica influenzano fondamentalmente i risultati clinici dell'artroplastica totale dell'anca. I cuscinetti MoM, offrendo elevata resistenza all'usura iniziale e grandi dimensioni della testa, sono gravati da rilascio di ioni metallici, reazioni dei tessuti avverse e maggiori tassi di revisione, che portano al loro declino nell'uso di routine.

Per la maggior parte dei pazienti sottoposti a THA oggi, i cuscinetti ceramici-on-ceramici (o ceramica-su-highly-cross-linked-polietilene) offrono il miglior equilibrio di durata, sicurezza e funzione a lungo termine.

Per ulteriori informazioni sulla tribologia dei cuscinetti e sui risultati clinici, consultare la [[American Academy of Orthopaedic Surgeons (AAOS) paziente educazione biblioteca[[[]] o rivedere la seminale 2015 recensione di Massin et al.] sulla tribologia dell'artroplastica totale dell'anca.