Acta chirurgiae orthopaedicae et traumatologiae Cechoslovaca

Acta chirurgiae orthopaedicae et traumatologiae Cechoslovaca

Souborný referát / Current concepts review

ACTA CHIRURGIAE ORTHOPAEDICAE ET TRAUMATOLOGIAE ČECHOSL.,
77, 2010, p. 463 - 469

Polyetheretherketon (PEEK) - I. část: Perspektivní materiál pro ortopedickou a  traumatologickou praxi

Polyetheretherketone (PEEK). Part I: Prospects for Use in Orthopaedics and Traumatology

Z. HORÁK1, D. POKORNÝ 2, P. FULÍN3, M. ŠLOUF4, D. JAHODA2, A. SOSNA2
1 Ústav makromolekulami chemie AV ČR, skupina vývoje recyklace polymerních materiálů, Praha
2 I. ortopedická klinika 1. LF UK, FN Motol, Praha
3 1. lékařská fakulta UK, PGS, Praha
4 Ústav makromolekulami chemie AV ČR, skupina morfologie polymerů, Praha
SUMMARY

On the basis of current studies, polyaryletherketone (PAEK) polymers appear to be materials with great prospects for medical application. The most important member of this family of semi-crystalline thermoplastics is polyetheretherketone (PEEK) with its composites. The excellent properties of this material find their use in the treatment of various disorders of the skeletal system. At present they are used with advantage to construct spinal implants, and replacements for other orthopaedic applications and for dental and trauma medicine are at advanced stages of clinical testing.

Key words: PAEK, PEEK, polyetheretherketone, joint replacement, total hip arthroplasty

ÚVOD

Využití polymerů ke konstrukci implantátů v ortopedii, traumatologii či spondylochirurgii představuje zásadní přínos v léčbě degenerativních chorob i  traumat. V současné době lze pozorovat dva trendy ve výzkumu zaměřeném na uvedené aplikace. Jedna cesta je zlepšování vlastností stávajících polymerních materiálů - jako příklad může sloužit UHMWPE využívaný pro kluzné části umělých kloubů (8,14,15,20,33), jehož vlastnosti se do značné míry mohou řídit modifikací jeho struktury (síťování, tepelné úpravy apod.) (18, 25, 30). Druhým směrem výzkumu je hledání nových polymerů, které by vykazovaly lepší užitné vlastnosti pro danou aplikaci a delší životnost. Jde hlavně o vyšší odolnost vůči otěru (wear), vyšší stabilitu vůči oxidativní degradaci (oxidative degradation), a vyšší odolnost vůči dlouhodobému tlakovému namáhání (creep). Z komerčně vyráběných syntetických polymerů se pro uvedené účely ukazují jako perspektivní polyaryletherketony (PAEK) a z nich především polyetheretherketon (PEEK) (16, 24, 27, 37).

Polymery PAEK, především nejčastěji používaný PEEK, vykazují vynikající mechanické vlastnosti. Přibližně od roku 1980 jsou proto používány pro konstrukci dílů ve strojírenství a elektrotechnice (16, 24).

Kromě toho se polymery PAEK začaly uplatňovat při vývoji implantátů užívaných ve spondylochirurgii i aloplastice kyčelního kloubu, kde se využívá jejich srovnatelných mechanických vlastností s kostí (29). Tyto polymery vykazují modul pružnosti 3-4 GPa a navíc může být jejich tuhost zvýšena několikanásobně inkorporací vhodného ztužujícího prostředku. V několika následujících létech se prokázalo, že tyto polymery jsou dobře tolerovány živou tkání a jsou resistentní vůči degradaci in vivo (4). Zdálo se tedy, že jejich využití pro skeletální náhrady je otázkou krátké doby. I když některé práce prokazovaly vhodnost tohoto polymeru pro zmíněné účely (22,23), z ne zcela známých důvodů se jejich aplikace zabrzdila.

Až v roce 1998 se PEEK objevil jako materiál cílený na konstrukci implantátů; pod názvem PEEK-OPTIMA jej začala vyrábět anglická firma Invibio Ltd., když převzala od ICI výrobu technického typu Victrex PEEK. Dostupnost velmi čistého komerčního produktu umožnila provést rozsáhlé studie vlastností tohoto polymeru a otevřela tak cestu k jeho využití v medicíně (36).

Od té doby bylo publikováno množství informací, z nichž některé byly už prakticky využity především pro konstrukci implantátů pro spondylochirurgii (19). V našem příspěvku jsme se pokusili stručně shrnout základní informace o  struktuře a vlastnostech polymeru PEEK včetně příbuzných polyaryletherketonů a  jejich kompozitu a zároveň i možnosti použití tohoto materiálu v lékařství.

STRUKTURA
ACHOT 6/2010

Polyaryletherketony (PAEK) se komerčně vyrábějí polykondenzací halogenovaných benzofenonů s alkalickými solemi hydrochinonu (1). Existují i další postupy (13, 25, 28) syntézy polymerů, které ve svém řetězci mají aromatická jádra vázané mezi sebou střídavě přes kyslík nebo ketoskupinu. Nejznámější z těchto polymerů je právě polyetheretherketon (PEEK):

Jsou známy i další polymery PAEK, které mají podobnou strukturu (1, 13, 16, 19, 24, 27-28). Molární hmotnost těchto komerčně vyráběných polymerů se obvykle pohybuje kolem 100 000 g/mol. Uvedené struktury obsahují málo ohebné ketoskupiny a benzenová jádra, což přispívá k značné tuhosti řetězců; naopak etherová vazba tuhost řetězců snižuje. Počet, řazení a poměr kyslíkových a CO spojení jednotlivých benzenových jader ovlivňuje hlavně mechanické a tepelné vlastnosti příslušného polymeru, kterými se jednotlivé PAEK polymery liší. Velmi stabilní aromatické strukturní jednotky udělují také polymeru vysokou chemickou odolnost. Vedle chemické struktury je chování těchto polymerů ovlivněno nadmolekulárním uspořádáním, především poměrem krystalické a amorfní fáze. Řetězce v krystalické fázi se uvolní a začnou se pohybovat při tzv. teplotě tání 7m, zatímco řetězce v amorfní fázi se uvolní při tzv. teplotě skelného přechodu T . Charakteristickým rysem těchto semikrystalických polymeruje vysoká teplota tání (330-440° C), přičemž teplota skelného přechodu se pohybuje v rozmezí (143-160° C).

PEEK, jako nejvýznamnější z těchto polymerů, má hustotu 1320 kg/m2 (při krystalinitě 35 %) a teplotu tání krystalické fáze 335° C. Obsah krystalické fáze kolísá v závislosti na tepelné historii polymeru (tj. na způsobu, jakým finální výrobek nakonec vychladne na laboratorní teplotu), a to v širokém rozmezí od 0 % (prakticky amorfní forma) až do asi 40 % (semikrystalický polymer) u velmi pomalu chlazeného materiálu (16). Ortorombické krystaly PEEK vytváří jemné lamely o tloušťce několika mikronů, které mohou být organizovány do řádově větších sférolitů (17).

MECHANICKÉ VLASTNOSTI
ACHOT 6/2010

V důsledku nepříliš rozdílné struktury na molekulární i nadmolekulární úrovni vykazují polyaryletherketony podobné vlastnosti (19). Pro konstrukci implantátů se převážně využívá PEEK a je tedy z praktického hlediska nejvýznamnější. Omezíme se proto dále především na tento typ, příp. na jeho kompozity. Pro představu o mechanických vlastnostech tohoto materiálu jsou v  tabulce 1 uvedeny vybrané mechanické charakteristiky čistého polymeru PEEK a  jeho kompozitu se skleněnými a uhlíkovými vlákny.

Jak je zřejmé z tabulky 1, tuhost PEEK lze významně zvýšit, přičemž houževnatost je možné udržet na přijatelné úrovni - což se při konstrukci implantátů také využívá. Z porovnání hodnot houževnatosti měřené při různě ostrém vrubu je však zřejmé, že tento materiál je poměrně citlivý na tzv. vrubový efekt. Se snížením houževnatosti materiálu účinkem lokální koncentrace mechanického napětí je tedy také nutné počítat již při konstrukci výrobků. Citlivost na vrub je u ztužených typů PEEK nižší než u samotného polymeru. Na grafu 1 vidíme modul pružnosti PEEK ve srovnání s jinými materiály.

CREEP CHOVÁNÍ

PEEK se vyznačuje při teplotách pod bodem svého skelného přechodu (145 °C) vysokou odolností vůči creepu (19, 24). Spolu s dobrými ohybovými a tahovými charakteristikami představují creepové vlastnosti PEEK vyvážený komplex vlastností pro aplikace vyžadující dlouhodobou odolnost vůči vysokému zatížení bez trvalé deformace, což je jedním ze základních požadavků pro většinu implantátů a je to jedna z výhod tohoto materiálu oproti UHMWPE. Ztužení skleněnými nebo uhlíkovými vlákny pak vede k dalšímu zlepšení odolnosti materiálů na bázi PEEK proti creepu.

Vzhledem k aplikační sféře polyaryeterketonů a jejich kompozitu lze soudit, že odolnost vůči únavě těchto materiálů je velmi dobrá. Únavové studie konkrétních implantátů nejsou četné, a pokud existují, jsou prováděny spíše na kompozitních materiálech s matricí PEEK.

TEPELNÉ VLASTNOSTI
ACHOT 6/2010

Na tepelné vlastnosti materiálu pro funkčnost implantátů nejsou prakticky žádné speciální požadavky, nicméně z konstrukčního hlediska, a hlavně pro režim jejich výroby standardními zpracovatelskými postupy jsou jejich hodnoty nepostradatelné. V tabulce 2 jsou proto uvedeny základní údaje o tepelných vlastnostech.

ODOLNOST VŮČI OTĚRU

Značným problémem u ortopedických implantátů, především u kluzných částí náhrad velkých kloubů, je odolnost vůči otěru. Tato vlastnost zásadně ovlivňuje výběr materiálu a je jedním z hlavních limitujících faktorů životnosti implantátů umělých kloubů vyráběných z UHMWPE. V případě PEEK a  jeho kompozitu byla prokázána výrazně vyšší odolnost vůči otěru. Bylo provedena řada testů otěru PEEK proti kovovým slitinám, keramickým materiálům jakož i proti stejnému materiálu a bylo shodně konstatováno, že materiály na bázi PEEK vykazují řádově nižší otěrovou rychlost nežli v případě UHMWPE (5, 34). Tak např. kompozit s uhlíkovými vlákny (CFR-PEEK) měřený standardní metodou pin-on-disk (někdy se metoda nazývá též pin-on-plate) vykázal hmotnostní úbytek při artikulaci s kovovým protikusem 0,129 mm3 zatímco UHMWPE za stejných podmínek téměř desetkrát více - 1,1 mm3 (11). Výsledky otěrových testů ukazuje graf 2.

CHEMICKÁ ODOLNOST

Chemická struktura uděluje PEEK výbornou chemickou odolnost vůči většině organických i anorganických kapalin (16, 19, 24). Rozpouští se pouze v  koncentrované kyselině sírové a podléhá degradaci účinkem koncentrované kyseliny dusičné. Odolnost vůči hydrolýze je vynikající. PEEK trvale odolává i působení přehřáté vodní páry (výhoda pro tepelnou sterilizaci). V tabulce 3 jsou uvedeny změny důležitých mechanických vlastností charakterizující odolnost PEEK vůči nejčastěji užívaným chemikáliím (16).

VLIV IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ

Na rozdíl od UHMWPE je PEEK vysoce rezistentní vůči ionizujícímu záření (21, 31, 32), které se používá při úpravách vlastností a někdy též při sterilizacích komponent kloubních náhrad. Aromatické struktury jsou mnohem odolnější vůči štěpení než alifatické řetězce polyolefinů. Navíc pokud aplikací - paprsků nebo urychlených elektronů nějaké volné radikály vzniknou, tak velice rychle rekombinací v důsledku velké mobility elektronů podél polymerního řetězce. Měření ESR (elektronová spinová rezonance; výsledkem ESR měření je v tomto případě koncentrace radikálů v materiálu) prokázala, že žádný vzniklý radikál nemá životnost delší než 20 min a že tedy případnou degradaci iniciovanou radikály s dlouhou životností lze vyloučit (21). V  souvislosti s aplikací PEEK v atomových reaktorech a leteckém průmyslu byl tento materiál testován radiačními dávkami o několik řádů vyššími, než jsou hodnoty používané pro sterilizaci a přesto nedošlo k významnější degradaci. Publikované údaje ukazují, že výrobky z PEEK lze takto sterilizovat na vzduchu, a to dokonce opakovaně, beze změn užitných vlastností. Radiační odolnost PEEK tedy umožňuje širší použití sterilizačních technik pro implantáty vyrobené z  tohoto polymeru ve srovnání s UHMWPE.

BIOKOMPATIBILITA

Když se počátkem osmdesátých let ukázala možnost využití polyaryletherketonů pro implantáty, rozběhl se výzkum zaměřený na interakci těchto materiálů s  živou tkání (12, 26, 35, 37) s cílem postihnout jejich případné toxické vlivy, imunitní odezvu jakož i adhezi ke kostní tkáni. Výsledky rozsáhlých testů založených na dlouhodobém kontaktu s buněčnými kulturami jakož i četné studie na zvířatech potvrdily, že materiály na bázi PEEK se dobře snáší s živou tkání. Nebyl nalezen mutagenní ani karcinogenní vliv těchto materiálů ani jiné toxické efekty. PEEK je v biologickém slova smyslu v podstatě inertní, aproto existují snahy zlepšit jeho spojení s kostí - tedy zlepšit jeho bioaktivitu. Toho lze dosáhnout přídavkem vhodných komponent jako jsou fosfáty vápníku (hydroxyapatit, trikalciumfosfát), se kterými jsou již v klinické praxi velké zkušenosti (7,20). Takto modifikovaný PEEK údajně vykazuje vyšší adhezi ke kostní tkáni a zvyšuje se i modul pružnosti, ale kompozit vykazuje horší pevnost i houževnatost, protože na rozdíl od skleněných či uhlíkových vláken je mezi polymerem a částicemi fosfátů malá adheze. Potvrzuje se známá zkušenost, že u polymerních kompozitu hraje podstatnou roli povaha částic použitého aditiva (velikost částic a jejich distribuce, povrchová úprava atd.) a hlavně jeho koncentrace. Existují informace o kompozitech PEEK-HA s obsahem hydroxyapatitu do 40 %, o úpravách složek kompozitu aplikací plazmatu zahrnující různé strukturování povrchu včetně nanášení kovů (Ti). Lze konstatovat, že optimální složení kompozitu a technologie jejich přípravy je předmětem intenzivního výzkumu.

KLINICKÉ APLIKACE
ACHOT 6/2010

Páteřní implantáty

Materiály na bázi polyaryletherketonů byly poprvé použity v klinické praxi na počátku 90. let (2, 3) jako prvky užívané při stabilizaci páteře. Tyto implantáty byly vyvinuty americkou firmou DePuy Spine a měly nahradit původní vyrobené z titanu. Titan jako konstrukční materiál má pro tento účel dvě nevýhody - má příliš vysoký modul pružnosti a je rtg kontrastní. Vysoká tuhost fixačního zařízení z titanu může jednak podporovat stress shielding a  inhibovat regeneraci kosti, jednak jeho nepropustnost pro rentgenové záření může omezovat kontrolní diagnostiku. Použitím materiálů na bázi PAEK, které jsou radiolucentní a vykazují modul pružnosti bližší okolní kosti, se tato omezení vyloučí.

Pro páteřní implantáty bylo zkoušeno několik typů polyarylethetketonů jako PEK, PEEK, PEKEKK jakož i jejich kompozity (19). Klinicky byly ověřovány v zásadě dva typy těchto kompozitu. U prvního typu kompozitu šlo o zvýšení tuhosti kompozitu, u druhého se jednalo o zvýšení bioaktivity. Do polymerní matrice se vnášela jako ztužující složka obvykle uhlíková vlákna, která udělovala finálnímu kompozitu lepší mechanické charakteristiky, nebo se do polymeru dispergovaly fosfáty vápníku (hydroxyapatit, trikalciumfosfát) zlepšující nebo urychlující spojení s kostí, ale bez výrazných efektů na ostatní užitné vlastnosti materiálu.

Úspěšné klinické ověření těchto materiálů umožnilo konstrukci implantátů, spacerů a osteosyntetických prvků, které jsou komerčně vyráběny (19). Vedoucí firma v produkci materiálů na bázi PEEK je již zmíněný britský výrobce Invibio Ltd. Z jeho komerčního typu PEEK-OPTIMA bylo od roku 1999 vyrobeno jen v USA více než dva milióny implantátů (6). Díky možnosti řízení důležitých vlastností přídavkem různých typů a množství ztužujících vláken lze získat materiály v širokém rozsahu vlastností vhodných pro celou škálu výrobků. Modul pružnosti lze údajně nastavit od 4 do 150 GPa, výrazně je také možné ovlivnit pevnost, odolnost vůči otěru či získat materiál o specifické radioopacitě. Příklad implantátů pro spondylochirurgické aplikace vyráběných z PAEK polymerů je uveden na obrázku 1.

Prakticky všechny klinické studie konstatují úspěšné použití materiálu při stabilizaci páteře. O jeho výhodách svědčí skutečnost, že po patnáctiletých zkušenostech s klinickou aplikací PAEK přední výrobci uvažují o dalším použití těchto materiálů v konstrukci implantátů.

Kloubní náhrady

Materiály na bázi PEEK nejsou při výrobě implantátů pro kloubní aloplastiku, navzdory prokázané vhodnosti tohoto materiálu, standardně využívány. Tradiční slitiny kovů, různé typy keramiky aUHMWPE jsou většinou odborníků považovány, do značné míry oprávněně, za úspěšné konstrukční materiály pro kloubní náhrady s přijatelnou průměrnou životností. Z tohoto hlediska se aplikace dlouhodobě klinicky nevyzkoušených typů může jevit jako potenciální riziko. Nicméně v  posledním desítiletí se nashromáždila řada informací zahrnující studie na pokusných zvířatech i klinické údaje z humánní medicíny, které dostatečně demonstrují výhody materiálů na bázi PAEK (10). V 90. letech bylo testováno několik typů dříku k protéze kyčelního kloubu s cílem, mimo jiné, omezit tzv. stress shielding (9) (obr. 2, 3). Je to především kompozit PEEK ztužený uhlíkovými vlákny (CFR-PEEK), který byl porovnáván s různě modifikovaným UHMWPE (18). Bylo zjištěno, že odolnost tohoto kompozitu vůči otěru je ve všech případech výrazně vyšší.

Implantáty v traumatologii

K osteosyntéze se používají v traumatologii ztužené syntetické polymery od 80. let. Jsou to tzv. reaktoplasty (většinou epoxidy) ztužené přídavkem vhodných aditiv. Nevýhodou těchto materiálů je jejich obtížnější tvarové formování do požadovaného tvaru. Mnohem snadnější formování termoplastů by odstranilo uvedený problém. Byly proto provedeny studie s řadou termoplastických polymerů včetně PEEK (6) a potvrdilo se, že především PEEK ztužený uhlíkovými vlákny vykazuje výhodnou kombinaci mechanických vlastností jakož i vysokou odolnost proti únavě materiálu. Navzdory této skutečnosti, analogicky jako v případě kloubních náhrad, se tento materiál nedostal do stadia klinického využívání.

Výzkum nadále pokračuje a je pravděpodobné, že se PEEK, resp. kompozity najeho bázi, nakonec díky svým vlastnostem prosadí jako materiál pro výrobu osteosyntetických implantátů pro traumatologickou praxi.

ZÁVĚR

Polyaryletherketony (PAEK), se na základě dosavadních studií ukazují jako perspektivní materiály pro různé aplikace v medicíně. Nejvýznamnější z této skupiny polymerů je polyetheretherketon (PEEK) a jeho kompozity. Vynikající užitné vlastnosti těchto materiálů jsou výhodné pro řešení různých onemocnění skeletu. V současné době se využívají s úspěchem pro konstrukci páteřních implantátů a v pokročilém stadiu klinických zkoušek jsou i náhrady pro využití v ortopedii, stomatologii a v traumatologii. Vedle přímého užití při výrobě implantátů se PEEK užívá už řadu let ve výrobě operačních instrumentů, katétrů, komponent k pacemakerům a laparoskopickým instrumentům, stentům atd.

Polyaryletherketony mají oproti stávajícím materiálům následující výhody:

- umožňují lepší tvarování a snižují výrobní náročnost implantátů, poněvadž lze použít relativně jednoduchých výrobních postupů pro zpracování termoplastů;

- snadno a bez nebezpečí degradace se sterilizují ionizujícím zářením, chemicky i tepelně;

- vykazují výrazně vyšší odolnost vůči otěru ve srovnání s ostatními polymery a redukují tak nebezpečí osteolýzy;

- snižují stress shielding, protože jejich tuhost je mnohem blíže k hodnotám tuhosti kostí než v případě kovových či keramických materiálů;

- zlepšují možnosti kontroly průběhu kostního hojení a okolních tkání pomocí zobrazovacích metod, protože např. při rentgenových vyšetřeních jsou patrné a  současně "průhledné", nezkreslují obraz;

- nemalé možnosti se otvírají i při léčbě nádorových onemocnění skeletu, kde po implantaci komponent z uvedených materiálů by bylo možné pokračovat v  aktinoterapii patologického procesu.

Literatura

Práce vznikla v rámci řešení grantových projektů: MŠMT ČR 2B06096 a Eureka-Osteosynt.

Barevná obrazová dokumentace byla dotována z grantových prostředků.

Zpět


Nabídka nakladatelství:

 

Peter Wendsche, Radek Veselý et al.
Traumatologie

Traumatologie

Druhé, přepracované a rozšířené vydání

 

Jan Lebl, Zdeněk Šumník, Ondřej Souček, Hana Malcová, Klára Maratová, Jana Plešková, Štěpánka Průhová, Jan Štulík, Lukáš Wagenknecht
Onemocnění skeletu u dětí

Onemocnění skeletu u dětí

Motolské pediatrické semináře 4

 

Jiří Skála-Rosenbaum, Valér Džupa, Martin Krbec et al.
Zlomeniny proximálního femuru

Zlomeniny proximálního femuru

 

Jiří Kříž et al.
Poranění míchy

Poranění míchy

Příčiny, důsledky, organizace péče