Timantinkaltainen pinnoite parantaa ortopedisten ruuvien ominaisuuksia

Väitös lääketieteellisen fysiikan alalta

Väittelijä FM Arto Koistinen

Väitösaika ja -paikka 30.11.2012 klo 12.00, L22, Snellmania, Kuopion kampus

FM Arto Koistisen väitöskirjatyössä osoitettiin, että timantinkaltaisella hiilipinnoitteella voidaan vähentää luun murtumien korjaukseen käytettävien ortopedisten ruuvien asentamisessa tarvittavia voimia. Laboratoriokokeissa lisäksi osoitettiin, etteivät pinnoitettujen ruuvien poisvetolujuus tai kitkaominaisuudet muuttuneet merkitsevästi.

Erityyppiset ruuvit ovat yleisimmin käytettyjä implantteja ortopediassa ja hammaslääketieteessä. Yleisiä syitä ruuvikiinnityksen pettämiseen ovat huono luun laatu ja infektiot, jotka molemmat vähentävät stabiliteettia luun ja ruuvin rajapinnalla aiheuttaen jopa ruuvien irtoamista. Toisaalta huonosti kehon olosuhteisiin soveltuvat, korrosoituneet ruuvit on hankala irrottaa poistoleikkauksen yhteydessä, mikä puolestaan aiheuttaa ruuvien katkeamisia ja luun vaurioita.

Fysikaalisella höyrystysmenetelmällä tuotettava timantinkaltainen pinnoite on erittäin yhteensopiva ihmiskudosten kanssa ja pinnoitteella on aiemmissa tutkimuksissa osoitettu olevan erittäin hyvät liukuominaisuudet ja kulutuksen kesto.

Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin timantinkaltaisen pinnoitteen soveltumista ortopedisten ruuvien ominaisuuksien parantamiseen. Laboratoriokokeissa vertailtiin tyypillisiä ruuvikiinnityksen arviointiin soveltuvia parametreja, kuten ruuvin kierteytysmomentti ja poisvetolujuus. Lisäksi tutkittiin pinnoitteen kitkaominaisuuksia ja testikappaleen mekaanisten ominaisuuksien vaikutuksia ruuvikiinnityksen lujuuteen. Materiaalien analysointiin kehitettiin uusia menetelmiä soveltaen esim. mikrotomografialaitteistoa (µCT) ja pyyhkäisyelektronimikroskooppia (SEM).

Tuloksina havaittiin, että timantinkaltainen pinnoite vähensi ruuvin sisäänkiertämiseen tarvittavaa vääntömomenttia jopa 50 prosentilla luuhun kierrettäessä. Ruuvin poisvetolujuuteen, kitkaan tai luuhun aiheutetun vaurion laajuuteen pinnoitteella ei ollut merkittävää vaikutusta. Tutkimuksessa lisäksi selvisi, että ruuviin kohdistuvat voimat riippuvat materiaalin mekaanisista ominaisuuksista, kuten luun mineraalitiheydestä ja elastisuudesta.

Tutkimuksen perusteella timantinkaltaisella pinnoitteella on mahdollisesti kliinisesti merkittäviä sovelluskohteita, sillä se voi nopeuttaa luun paranemista tai erityyppisten implanttien kitkaominaisuuksia. Uudentyyppisten pinnoitteiden ja funktionaalisten pintarakenteiden kehittäminen voi jatkossa estää implanttien ennenaikaista irtoamista ja edistää luun murtumien korjauksen stabiliteettia.

Lehden toimituskunta valitsi FM Koistisen väitöskirjan osajulkaisun vuoden 2011 parhaaksi artikkeliksi Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part H: Journal of Engineering in Medicine -lehdessä.

FM Arto Koistisen väitöskirja Improvement of orthopaedic bone screws by DLC coatings - In vitro methods for testing of screw fixation strength (Ortopedisten ruuvien kehittäminen timantinkaltaisella pinnoitteella - Ruuvikiinnityksen lujuuden testaus laboratorio-olosuhteissa) tarkastetaan Itä-Suomen yliopiston Luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa. Vastaväittäjänä on professori Carina B. Johansson, Göteborgin yliopisto ja kustoksena professori Reijo Lappalainen, Itä-Suomen yliopisto.