Bioabsorboituvat polymeerit ACL-rekonstruktion interferenssiruuveissa

Abstract

The anterior cruciate ligament, or ACL, is a ligament which is in the anterior part of the knee. It prevents the tibia from sliding out of position and it plays a key role in stabilizing the knee joint. When there is an ACL rupture, surgical reconstruction is the only way to restore its function. The reconstruction requires a graft that mimics the native ACL. The graft is fixed into drilled bone tunnels using interference screws. This thesis examines the properties of bioabsorbable polymer screws and the biological, thermal and mechanical requirements that the screw imposes on material selection. Also, the interaction between the screw and the surrounding tissue is investigated, as well as how bioabsorbable screw can be optimized to function as an effective implant in ACL reconstruction. The study is done as a literature review.

At the beginning of the work, the functions and principles of ACL is presented to clarify the environment of the screw. In addition, the manufacturing process and sterilization of the screw are discussed. Then three polymers that are commonly used in medical applications, PLA, PGA and PLGA, are examined in more detail. The properties of these polymers are compared with the requirements defined for bioabsorbable screws. From there, the most optimal properties are identified. The end of the thesis focuses on how bioabsorbable screws affect the surrounding tissues during the initial phase after implantation as well as during degradation. It studies what must happen in the surrounding tissues for successful implantation and how bone tissue should respond to make sure that the graft remains stable even after the screw has degraded.

The literature review showed that PLA, PGA and PLGA each have properties that make them suitable as screw materials. However, each of them also possesses characteristics that may prevent the best possible outcome for interference screws. For example, PLA provided long-term mechanical support, which was favourable outcome for the screws however, it had slow degradation that could potentially have negative effects for the bone tissue. PGA degrades fast so it wouldn’t have the same issues as PLA, but the rapid degradation leads to sudden and significant changes in local pH which can lead to irritation of the tissues. On the other hand, it was found that PLGA can be tailored through compositional adjustment, allowing the develop-ment of a polymer that degrades at a moderate rate while still maintaining the required me-chanical properties. Therefore, an optimal bioabsorbable screw has a controlled degradation rate, sufficient mechanical stability and good biocompatibility.

It was also observed that an optimal bioabsorbable screw should not cause inflammatory or foreign body reactions after the implantation. It should promote osteoconductivity to allow natural bone regrowth and ensure that there is a stable fixation of the graft. However, the literature review demonstrated that pure polymer screws might not support osteoconductivity as well as composite screws containing ceramic components. Therefore, further research is needed on bioabsorbable screws.

Anterior cruciate ligament eli ACL on polven etuosassa sijaitseva nivelside, joka estää sääriluuta liukumasta eteenpäin suhteessa reisiluuhun ja osallistuu polvinivelen vakauden ylläpitämiseen. Kun ACL repeää, kirurginen rekonstruktioleikkaus on ainoa vaihtoehto, jolla se saadaan korjattua. Rekonstruktioon tarvitaan alkuperäistä ACL-jännettä vastaava siirre, joka kiinnitetään porattuihin luukanaviin interferenssiruuveilla. Tämä työ pohtii erilaisten bioabsorboituvien polymeeriruuvien ominaisuuksia ja ruuvin asettamia biologisia, mekaanisia ja termisiä vaatimuksia materiaalivalinnalle. Se myös tarkastelee ruuvin ja sen ympäristön vaikutusta toisiinsa sekä sitä miten bioabsorboituvasta ruuvista saataisiin mahdollisimman hyvä ja toimiva implantti ACL-rekonstruktioon. Työ on tehty kirjallisuuskatsauksena.

Työn alussa esitellään ACL:n toimintaa ja rekonstruktion periaatteita ruuvin toimintaympäristön selventämiseksi sekä käydään läpi ruuvin valmistusprosessi ja sterilointi. Sen jälkeen tarkastellaan lähemmin kolmea yleisesti lääketieteen sovelluksissa käytettyä polymeeriä: PLA:ta, PGA:ta ja PLGA:ta. Näiden polymeerien ominaisuuksia vertaillaan bioabsorboituville ruuveille määritettyihin vaatimuksiin ja selvennetään niiden pohjalta mitkä ominaisuudet ovat eduksi interferenssiruuville. Työn lopussa perehdytään siihen miten bioabsorboituva ruuvi vaikuttaa ympäröivään luukudokseen implantaation alussa sekä hajoamisen aikana. Siinä selvitetään mitä kudoksille tulee tapahtua, jotta implantaatio voi onnistua ja mitä luukudoksen tulee tehdä, jotta siirre pysyy vakaasti paikallaan ruuvin hajoamisen jälkeenkin.

Kirjallisuuskatsauksessa havaittiin, että PLA:lla, PGA:lla ja PLGA:lla on ominaisuuksia, joiden puolesta kyseiset polymeerit sopisivat ruuvin materiaaliksi mutta jokaisella on myös ominaisuuksia, jotka eivät takaisi parasta mahdollista lopputulosta. Esimerkiksi PLA:n pitkä mekaaninen tuki havaittiin hyvänä ominaisuutena ruuville mutta sen hidas hajoaminen aiheuttaisi mahdollisesti negatiivisia vaikutuksia luukudokselle. PGA taas hajoaa nopeasti mutta sen seurauksena alueelle syntyisi äkillinen ja merkittävä pH-arvon lasku, jolloin kudosärsytys olisi todennäköisempää kuin PLA:ssa. Havaittiin, että PLGA:ssa ominaisuuksia voidaan räätälöidä toiveiden mukaan, jolloin voidaan saada polymeeri, joka hajoaa maltillisella nopeudella mutta säilyttää silti vaadittavat mekaaniset ominaisuudet. Optimaalinen bioabsorboituva ruuvi omaa hallittavan hajoamisnopeuden, riittävän mekaanisen stabiliteetin ja hyvän bioyhteensopivuuden.

Havaittiin myös, että optimaalinen bioabsorboituva ruuvi ei aiheuta tulehdus- tai vierasesinereaktioita implantoinnin jälkeen. Sen tulisi myös tukea osteokonduktiota, jotta luu kasvaisi luonnollisesti takaisin ja siirre pysyy paikallaan. Kirjallisuuskatsaus kuitenkin osoitti, että puhdas polymeeriruuvi ei tue osteokonduktiota yhtä hyvin kuin komposiittiruuvi, joka sisältää keraamia. Sen takia tutkimusta tulisi jatkaa esimerkiksi komposiittirakenteisista bioabsorboituvista ruuveista