Biohajoavat magnesiumpohjaiset interferenssiruuvit polven eturistisiteen kiinnitykseen

Abstract

Polven eturistiside on yksi kuudesta polvea tukevasta nivelsiteestä. Se estää sääriluun liiallista liikettä polvilumpion etupuolelle ja tukee polvea sen koko liikelaajuudella. Eturistisiteen vamma on oheisvammoineen polvivammoista yleisin ja eturistisiteen täysi repeämä vaatii poikkeuksetta leikkaushoitoa. Leikkaushoidossa revennyt eturistiside korvataan kudossiirrännäisellä, joka kiinnitetään luuhun erilaisilla metodeilla. Yleisin käytössä olevista kiinnitysmetodeista on interferenssiruuvikiinnitys, jossa kudossiirrännäinen kiilataan luuhun porattavan tunnelin seinämää vasten eri materiaaleista valmistetuilla ruuveilla. Työn tavoitteena on selvittää, että miten uudenlaiset magnesiumpohjaiset ruuvimateriaalit eroavat nykyisin käytössä olevista ruuvimateriaaleista, mitä etuja ja haasteita niillä on ja miten niitä tulisi kehittää tulevaisuudessa.

Työ jakautuu kolmeen osaan. Ensimmäisessä osassa käydään läpi eturistisiteen rakennetta, funktiota ja vammautumista sekä sen funktion korvaavia kudossiirrännäisiä. Toisessa osassa käydään läpi nykyisin käytössä olevia interferenssiruuvimateriaaleja, niiden tunnistettavia materiaaliominaisuuksia ja kunkin materiaalivalinnan hyötyjä ja haittoja. Kolmannessa osassa käydään läpi uusia magnesiumseoksiin pohjautuvia ruuvimateriaaleja keskittyen erityisesti Mg-Zn-Ca-seoksiin. Työssä käydään läpi magnesiumin ominaispiirteitä alkuaineena ja ihmiskehon osana sekä magnesiumseosten mekaanisia ominaisuuksia ja niiden tunnusomaisia lujittumismenetelmiä. Lisäksi työssä käsitellään yksityiskohtaisesti magnesiumseosten korroosiokäyttäytymistä ja biohajoamista ihmiskehon olosuhteiden vaikutuksesta sekä biohajoamisen kontrollointia.

Kirjallisuuskatsauksena suoritettu tutkimus osoittaa, että uudenlaisilla magnesiumruuveilla on monia etuja verrattuna nykyisin käytössä oleviin ruuvimateriaaleihin. Magnesiumruuveissa yhdistyvät lujuus, biohajoavuus ja osteokonduktiivisuus, joten magnesiumruuvit mahdollistavat leikatun eturistisiteen nopean parantumisen ja ruuvin poistumisen kehon omilla prosesseilla. Magnesiumpohjaisten ruuvimateriaalien haasteeksi osoittautuu kuitenkin korroosioreaktion nopeudesta johtuva mekaanisten ominaisuuksien liian nopea heikkeneminen. Lisäksi hajoamisen sivutuotteena syntyy vetykaasua, joka voi aiheuttaa ruuvin kiinnityspaikalla lukuisia ongelmia. Kyseisiä ruuvimateriaaleja ei olla vielä kaupallistettu, mutta kliiniset kokeet ovat osoittaneet lupaavia alustavia tuloksia. Pinnoite- ja seostustekniikkojen kehittyessä magnesiumin korroosio on saatu paremmin hallittavaksi, joten tuotteiden kaupallistaminen on jo mahdollista. Edistyksistä huolimatta magnesiumseokset tarvitsevat lisää tutkimusta saadakseen markkinoilla valta-aseman interferenssiruuvimateriaalina. Saadut tutkimustulokset näyttävät kuitenkin lupaavilta tulevaisuuden hoitojen kehittämisen kannalta.

The anterior cruciate ligament, ACL, is one of six ligaments supporting the knee. It prevents excessive movement of the tibia to the front of the kneecap and supports the knee in its entire range of motion. The injury of the ACL is the most common of knee injuries and a full tear of the ACL always requires surgical treatment. In the surgery the torn ACL is replaced with a tis-sue graft, which is attached to the bone by various methods. The most common of these methods is an interference screw fixation, where the tissue graft is wedged against the wall of the tunnel to be drilled into the bone with screws made out of various materials. This work aims to find out how the new kind of magnesium-based screw materials differ from the screw materials currently in use, what advantages and challenges they have and how they should be developed in the future.

The work is divided into three parts. The first part goes through the structure, function and injury of the ACL together with the tissue transplants that replace its function. The second part goes through the screw materials currently in use, their identifiable material properties and the advantages and disadvantages of each material choice. The third part goes through new mag-nesium-based screw materials focusing especially on Mg-Zn-Ca-alloys. This work goes through the characteristics of magnesium as an element and as a part of human bodies together with mechanical properties of magnesium alloys and their characteristic strengthening methods. Additionally, the work goes through in detail the corrosion behaviour of magnesium, the biodegrading under the influence of human body conditions and controlling the biodegradation.

This research conducted as a literary review shows that new magnesium screws have various advantages over the screw materials currently in use. Magnesium screws combine strength and biodegradability together with osteoconductivity and thus allow rapid healing of the operated ACL and the removal of the screw by the body’s own processes. The challenge of magnesium-based screws proves to be too rapid weakening of the screw’s mechanical properties caused by rapid corrosion. In addition, hydrogen gas is generated as a by-product of the biodegrading and it can lead to various problems at the fixation site. These screw materials have not been yet commercialized, but the clinical trials have shown promising preliminary results. Developments in coating and alloying techniques have made the corrosion of magnesium better controlled, which has already made the commercializing of the products possible. Regardless of the developments, magnesium alloys need more research to gain market dominance as an in-terference screw material of choice. However, the obtained research results look promising in terms of development of future therapies.