Ensimmäiset raportit biohajoavien implanttien

Transkriptio

1 Biomateriaalit RIITTA SUURONEN JA ANTTI ASIKAINEN Biohajoavat materiaalit luun kiinnitysvälineinä kasvo- ja leukakirurgiassa Biohajoavia materiaaleja alettiin kokeilla luunmurtumien hoidossa ja osteotomioiden kiinnittämisessä kasvo- ja leukakirurgian alalla. Pitkä kehitystyö oli kuitenkin tarpeen, ennen kuin nämä materiaalit hyväksyttiin yleisesti kliiniseen käyttöön. Ensimmäisenä käyttöalueena ei yllättävää kyllä ollut kuitenkaan kasvojen tai leukojen alueen osteotomian tai murtuman kiinnittäminen vaan ortopedian sovellukset, lähinnä nilkkamurtumien hoito. Ahkera kehitystyö johti kuitenkin siihen, että nykyisin etenkin länsimaissa biohajoavien materiaalien käyttö on hyväksytty vaihtoehto monissa kliinisissä tilanteissa, varsinkin lasten ja nuorten hoidossa. Yleisimmin käytetyt materiaalit ovat olleet maito- ja glykolihapon polymeerejä ja kopolymeerejä. Joitakin raportteja on julkaistu myös polydioksanonin käytöstä. Ensimmäiset raportit biohajoavien implanttien käytöstä ihmisen luunmurtumien fiksoinnissa olivat lähinnä tapausselostuksia leukojen ja kasvojen murtumien hoidosta (Roed-Petersen 1974, Vert ym. 1984). Suomessa materiaalien kehitystyö alkoi professoreiden Pertti Törmälän ja Pentti Rokkasen patentoitua uuden valmistusmenetelmän ns. itselujittamistekniikan (self-reinforcing, SR), joka mahdollisti vahvojen polymeerilevyjen ja -ruuvien kehittämisen (Törmälä ym. 1988). Materiaalina käytettiin polyglykolihappoa (PGA) ja poly-l-maitohappoa (PLLA). Materiaaliyhdistelmävaihtoehdot ovat tärkeitä, sillä näin voidaan valita lujuudeltaan ja hajoamisnopeudeltaan sopivin materiaali käyttötarkoituksen mukaan. Leukojen alueella näitä uusia SR-PLLA-levyjä ja -ruuveja (kuva 1) testattiin ensin lampaiden osteotomioiden kiinnittämisessä (Suuronen 1992). Koska tulokset olivat hyvin lupaavia, siirryttiin vähitellen käyttämään SR-PLLA-ruuveja alaleuan ortognaattisessa kirurgiassa sagittaalisen osteotomian kiinnittämiseen vuonna Vuonna 1998 materiaali vaihdettiin maitohapon kahden enantiomeerin (L- ja D- muotojen) ko po lymeeriksi SR-PLDLA:ksi, josta valmistettiin erikokoisten ruuvien lisäksi myös taivuteltavia levyjä (kuva 2). SR-tekniikan vuoksi levyjen taivuttelu ei edellyttänyt lämmitystä, joten kirurgit ottivat ne helppokäyttöisyytensä vuoksi mielellään käyttöönsä. Lisäksi mm. levyjen hajoamisnopeutta voidaan säätää L- ja D- osien määräsuhteella. Biohajoavien materiaalien edut Biohajoavan materiaalin suurin etu on, että sitä ei tarvitse poistaa. Myöskään metallisia (useimmiten titaanisia) levyjä ja ruuveja ei poisteta rutiinimaisesti, elleivät ne aiheuta potilaalle oireita, koska myös leikkaus ja anestesia ovat potilaalle aina riski. Poistoon johtavia syitä voi olla useita. Erityisesti kasvojen alueella kylmän talven on todettu lisäävän epämiellyttävää tunnetta, jonka takia levy usein joudutaan poistamaan. Metallinen levy voi myös tuntua ihon alta häiritsevästi, esimerkiksi silmälasien alla (Iizuka ja Lindqvist Duodecim 2004;120: R. Suuronen ja A. Asikainen

2 KUVA 1. Biohajoavien SR-PLLA-levyjen ja ruuvien ensimmäisiä prototyyppejä. KUVA 2. Nykyaikaisia SR-PLDLA-levyjä, joiden taivutus on yksinkertaista huoneenlämmössä. 1992). Kasvavilla lapsilla ja nuorilla biostabiilit osteofiksaatiomateriaalit saattavat häiritä normaalia kasvua ja ne joudutaan poistamaan luun parannuttua (Peltoniemi 2000). Toinen leikkaus on potilaalle aina myös infektioriski, ja se lisää hoidon kestoa ja kustannuksia (Peltoniemi 2000, St John ym. 2003). Levyjä ja ruuveja poistettaessa joudutaan koskemaan toistuvasti luukalvoon, mikä voi lisätä resorptiota leukojen ja kasvojen luissa ja mahdollisissa luusiirteissä (Stoffel ym. 2000). Tämä puolestaan voi vaikeuttaa optimaalisen hoitotuloksen saavuttamista. Biohajoava materiaali ei haittaa eikä näin ollen estä vauriokohdan tarkkaa seurantaa (kuva 3). Tutkimuksissa on osoitettu, että magneettikuvauksella pystytään jopa arvioimaan mahdollisia levyjen murtumia (Lohman ym. 1999). Myös kaikututkimukset ovat mahdollisia biohajoavien materiaalien läheisyydessä (Heidemann ja Gerlach 2002). Biohajoavat materiaalit luun kiinnitysvälineinä kasvo- ja leukakirurgiassa 2003

3 Biohajoaviin osteofiksaatiomateriaaleihin liittyvät ongelmat Käytettäessä biohajoavia fiksaatiomateriaaleja ongelmaksi on usein muodostunut niiden heikompi lujuus metalleihin nähden. Tämä on saattanut johtaa fiksaation pettämiseen materiaalin murtuessa ennen kuin luu on riittävästi parantunut. Biohajoavien materiaalien soveltuvuutta etenkin kasvojen alueen murtumien hoitoon on epäilty (Rohner ym. 2002). Kasvavien luiden fiksoinnissa on huomattu myös biohajoavan implantin fyysisten ominaisuuksien olevan tärkeitä. Käytettäessä liian paksua ja hitaasti hajoavaa implanttia voivat haittavaikutukset olla samanlaisia kuin metallisten fiksaatiomateriaalien aiheuttamat ongelmat (Eppley ja Sadove 1992). Yleisimmin raportoitu biohajoaviin kiinnitysmateriaaleihin liittyvä ongelma on turvotus ja fistelinmuodostus materiaalin kohdalla (Bergsma ym. 1995). Tämän on oletettu johtuvan kudosten metabolointikynnyksen ylittymisestä ja hajoamistuotteiden kertymisestä kudoksiin (Törmälä 1992). Ongelmat ovat kuitenkin olleet paikallisia ja rajoittuneet implanttien ympärille. Useimmat raportoidut haitalliset kudosreaktiot ovat liittyneet hitaasti hajoavaan ja helposti kiteytyvään puhtaaseen PLLA-homopolymeeriin. Kliininen käyttö KUVA 3. Biohajoava materiaali ei häiritse röntgenkuvan tulkitsemista. Ortopantomogrammissa näkyy alaleuan murtuma, joka on korjattu biohajoavilla levyillä. Levyn kiinnittämiseen käytettyjen ruuvien porakanavat erottuvat alaleuan etuosassa. Biohajoavien materiaalien laaja kliininen käyttö leukojen ja kasvojen alueella alkoi Suomessa ja muuallakin länsimaissa kymmenisen vuotta sitten. Aluksi näitä materiaaleja käytettiin tilanteissa, joissa hoidettavaan alueeseen kohdistunut fyysinen rasitus oli vähäistä. Tällaisia kohteita olivat mm. keskikasvojen ja kallon murtumat ja myöhemmin myös yläleuan siirto eli ortognaattinen kirurgia. Kliinisessä käytössä olevat biohajoavat materiaalit voidaan jakaa valmistustavan mukaan kahteen ryhmään, itselujitettuihin ja -lujittamattomiin. Itselujittamisella voidaan lisätä materiaalin mekaanista kestävyyttä ilman implantin koon merkittävää kasvua. Itselujittaminen mahdollistaa levyjen taivuttelun metallisten vas taavien levyjen tapaan huoneenlämmössä ilman erillisiä lämmittimiä. Itselujittaminen näyttää myös lisäävän ainakin maitohappopolymeerien hajoamisaikaa elimistössä. Käyttämällä erilaisia maitohappopolymeerien ja polyglykolihapon yhdistelmiä voidaan vaikuttaa implanttien hajoamisaikaan ja mekaaniseen kestävyyteen. Esimerkiksi puhdas L-maitohappopolymeeri hajoaa erittäin hitaasti. Käyttämällä L- ja D-maitohapon raseemista polymeeriä voidaan hajoamisaikaa lyhentää (Kulkarni ym. 1971). Erilaisten käyttöaiheiden vuoksi kaikki markkinoilla olevat biohajoavat implantit eivät ole samanlaisia. Pienemmälle rasitukselle altistuvien alueiden fiksoinnissa ei ole myöskään tarvetta käyttää mekaaniset ominaisuutensa pitkään säilyttävää implanttia. Itselujitetut materiaalit. Vuonna 1991 Suomessa aloitettiin SR-PLLA-ruuvien käyttö myös mekaanisesti suuremmalle rasitukselle joutuvassa alaleuassa, lähinnä ortognaattisten osteotomioiden kiinnittämisessä. Ensimmäinen sekä ylä- että alaleukaan kohdistuva toimenpide (bimaksillaariosteotomia) yhdistettynä leuan kärjen siirtoon (genioplastiaan) kuvattiin vuonna 1998 (Haers ym. 1998). Kiinnitykset tehtiin SR-PLD- LA-minilevyillä ja -ruuveilla. Kallela ym. (1999b) seurasivat 47:ää potilasta, joille oli tehty alaleuan sagittaalinen osteotomia ja luut oli kiinnitetty sen jälkeen uudelleen yhteen SR-PLLA-ruuveilla. Keskimääräinen seuranta-aika oli 2,1 vuotta. Kliinisesti ja radiologi R. Suuronen ja A. Asikainen

4 KUVA 4. Kliininen kuva ortognaattiskirurgisesta toimenpiteestä, jossa SR-PLDLA-levy kiinnittää alaleuan siirtoa eteenpäin. Levy on kiinnitetty luuhun yhdellä ruuvilla ja neljällä nastalla. sesti todennettu paraneminen oli lähes ongelmatonta. Joka neljännellä potilaalla oli kuitenkin nähtävissä ruuvien ympärillä lieviä osteolyyttisiä muutoksia, jotka todennäköisesti liittyivät materiaalin hajoamiseen. Muutoksista huolimatta nämä potilaat olivat oireettomia, eivätkä muutokset johtaneet toimenpiteisiin. Kallela työryhmineen on myös raportoinut yhdentoista SR- PLLA-vetoruuveilla hoidetun potilaan tuloksia. Kuuden kuukauden seurannan aikana ei havaittu komplikaatioita (Kallela ym. 1999a). Laineen ym. (2004) tutkimuksen aineisto koostui 204:stä vuosina PLLA- ja SR-PLDLA-levyillä ja ruuveilla hoidetusta ortognaattisesta potilaasta. Yhdellätoista potilaalla todettiin materiaaliin tai metodiin liittyvä lievä komplikaatio, joista suuri osa oli teknisiä. Toisessa laajassa, 194 osteotomiaa käsittävässä aineistossa irrotetut luunosat kiinnitettiin takaisin yhteen korjattuun asentoon SR-PLDLA-levyillä ja -ruuveilla (Turvey ym. 2002). Vain kolmella potilaalla ilmeni ruuvien löystymistä heti leik kauksen jälkeen, ja materiaalin todettiin sopivan hyvin ortognaattiseen kirur giaan. Ulkomaisessa kirjallisuudessa on julkaistu useita raportteja SR-PLDLA-kopolymeeristä valmistettujen minilevyjen ja ruuvien käytöstä. Haers ja Sailer (1998) totesivat tähän mate riaaliin liittyvien teknisten ongelmien olevan hyvin vähäisiä ja kuvailivat materiaalin olevan verrattavissa titaaniin eli nykyiseen»kultaiseen standardiin». Kim ja Kim (2002) raportoivat seurantatulokset 69 potilaan alaleuan murtuman fiksoimista SR-PLDLA-levyillä ja -ruuveilla. Kuudella potilaalla esiintyi komplikaatioita, mutta vain yksi luokiteltiin merkittäväksi. Yerit ym. (2002) seurasivat 22 potilaan alaleuan paranemista kun murtumat oli hoidettu SR-PLDLA-levyillä. Seurannan aikana ilmenneet ongelmat olivat vähäisiä, ja tutkimuksen perusteella biohajoavaa fiksaatiomateriaalia on pidetty hyvänä vaihtoehtona metallisille kiinnitysmateriaaleille. Itselujittamattomat materiaalit. Myös itselujittamattomia biohajoavia materiaaleja on käytetty melko paljon. Weisberger ja Eppley (1997) raportoivat tulokset 105 synnynnäisen Y D I N A S I A T Biohajoavat materiaalit ovat osoittautuneet erityisen käyttökelpoisiksi lapsilla ja nuorilla. Yleisimmin käytössä olevat materiaalit ovat maito- ja glykolihapon polymeerejä ja niiden yhdistelmiä. PLLA = poly-l-laktidi PLDLA = poly-l-dl-laktidi PGA = polyglykolidi Biohajoavan materiaalin mekaanisiin ominaisuuksiin ja hajoamisaikaan voidaan vaikuttaa muuttamalla materiaalin koostumusta. Biohajoavat materiaalit luun kiinnitysvälineinä kasvo- ja leukakirurgiassa 2005

5 kraniofasiaalisen epämuodostuman, 45 maksillofasiaalisen trauman, kymmenen kraniotomian ja viiden laryngotrakeaalisen fiksaation hoitamisesta PLLA/PGA-kopolymeeristä valmistetuilla levyillä ja ruuveilla. Materiaali näytti sopivan hyvin näihin tarkoituksiin. PLLA/PGA-kopolymeeristä valmistettujen minilevyjen ja -ruuvien mekaaninen kestävyys on osoittautunut riittäväksi ortognaattisessa kirurgiassa, ellei kyseessä ole suuri siirto (Edwards ym. 2001). Keskikasvojen alueella materiaalia on käytetty poskiluun murtumien hoitoon (Enislidis ym. 1998). Materiaalin biosopeutuvuutta pidettiin hyvänä, mutta levyjen suuri koko, vaikeudet levyn asettamisessa luun päälle, ruuvien heikkous ja materiaalin hidas hajoavuus tuottivat alkuaikoina kuitenkin pettymyksen (Champy ym. 1992). Luisen silmäkuopan seinämän rekonstruointiin on käytetty lähinnä polydioksanonivalmisteita (Iizuka ym. 1991, Enislidis ym. 1997). Kontio (2001) on kuitenkin osoittanut, että nykyään markkinoilla olevat polydioksanoni materiaalit hajoavat liian nopeasti. Niinpä tähän tarkoitukseen sopii todennäköisesti parhaiten luusiirre tai bioaktiivinen lasi (Kontio ym. 2004, Aitasalo ym., tässä numerossa). Polydioksanonin kliininen käyttö rajoittuukin lähinnä ommellankoihin ja hyvin pienten kudospuutosten rekonstruoimiseen ohuilla kalvoilla (Baumann ym. 2002). Lopuksi Biohajoavien materiaalien käyttö on nykyisin laajaa lähinnä lasten ja nuorten murtumien hoidossa ja ortognaattisessa kirurgiassa. Kliinistä käyttöä rajoittavat materiaalien kalleus ja jonkin verran huonompi käsiteltävyys metallisiin kiinnikkeisiin verrattuna. Yhtenä ratkaisuna käsiteltävyyden lisäämiseksi on kehitetty bio hajoavia nastoja, jotka voidaan asettaa näppärästi leikkauksessa porattavaan reikään (kuva 4). Tämä nopeuttaa toimenpidettä. Tulevaisuudessa tutkimus suuntautuu uusiin biomateriaaleihin, jotka ovat entistä biosopeutuvampia, tarkoituksenmukaisempia ja helpom min käsiteltäviä. Kuitenkin maitohapon ja glykolihapon (ko)polymeerit ovat vielä usean vuoden ajan parhaita biomateriaaleja kasvojen alueen luiden kiinnittämiseen. Kirjallisuutta Baumann A, Burggasser G, Gauss N, Ewers R. Orbital floor reconstruction with an alloplastic resorbable polydioxanone sheet. Int J Oral Maxillofac Surg 2002;4: Bergsma JE, de Bruijn WC, Rozema FR, Bos RR, Boering G. Late degradation tissue response to poly(l-lactide) bone plates and screws. Biomaterials 1995;1: Champy M, Blez P, Kahn JL. Osteosynthesis using resorbable plates in maxillofacial surgery: hopes and disappointments. Chirurgie 1992;10: Edwards RC, Kiely KD, Eppley BL. Fixation of bimaxillary osteotomies with resorbable plates and screws: experience in 20 consecutive cases. J Oral Maxillofac Surg 2001;3: Enislidis G, Pichorner S, Kainberger F, Ewers R. Lactosorb panel and screws for repair of large orbital floor defects. J Craniomaxillofac Surg 1997;6: Enislidis G, Pichorner S, Lambert F, ym. Fixation of zygomatic fractures with a new biodegradable copolymer osteosynthesis system. Preliminary results. Int J Oral Maxillofac Surg 1998;5: Eppley BL, Sadove AM. Effects of resorbable fixation on craniofacial skeletal growth: a pilot experimental study. J Craniofac Surg 1992;4: Haers PE, Suuronen R, Lindqvist C, Sailer H. Biodegradable polylactide plates and screws in orthognathic surgery: technical note. J Craniomaxillofac Surg 1998;26: Haers PE, Sailer HF. Biodegradable self-reinforced poly-l/dl-lactide plates and screws in bimaxillary orthognathic surgery: short term skeletal stability and material related failures. J Craniomaxillofac Surg 1998;6: Heidemann W, Gerlach KL. Imaging of biodegradable osteosynthesis materials by ultrasound. Dentomaxillofac Radiol 2002;3: Iizuka T, Lindqvist C. Rigid internal fixation of mandibular fractures. An analysis of 270 fractures treated using the AO/ASIF method. Int J Oral Maxillofac Surg 1992;2:65 9. Iizuka T, Mikkonen P, Paukku P, Lindqvist C. Reconstruction of orbital floor with polydioxanone plate. Int J Oral Maxillofac Surg 1991;2:83 7. Kallela I, Iizuka T, Salo A, Lindqvist C. Lag-screw fixation of anterior mandibular fractures using biodegradable polylactide screws: a preliminary report. J Oral Maxillofac Surg 1999(a);2: Kallela I, Laine P, Suuronen R, Ranta P, Iizuka T, Lindqvist C. Osteotomy site healing following mandibular sagittal split osteotomy and rigid fixation with polylactide biodegradable screws. Int J Oral Maxillofac Surg 1999(b);3: Kim YK, Kim SG. Treatment of mandible fractures using bioabsorbable plates. Plast Reconstr Surg 2002;1: Kontio R, Suuronen R, Salonen O, Paukku P, Konttinen YT, Lindqvist C. Effectiveness of operative treatment of internal orbital wall fracture with polydioxanone implant. Int J Oral Maxillofac Surg 2001;4: Kontio R, Salo A, Lindqvist C, Suuronen R. Early reconstruction of internal orbital wall fracture with iliac crest bone graft. Plast Reconstr Surg 2004 (painossa). Kulkarni RK, Moore EG, Hegyeli AF, Leonard F. Biodegradable poly(lactic acid) polymers. J Biomed Mater Res 1971;5: Laine P, Kontio R, Lindqvist C, Suuronen R. Are there any complications with bioabsorbable fixation devices? 10 years of experience in orthognathic surgery. Int J Oral Maxillofac Surg 2004 (painossa). Lohman M, Partio EK, Vehmas T, Kivisaari A, Kivisaari L. MR imaging in biofix-osteosynthesis. Acta Radiol 1999;4: Peltoniemi H. Biocompatibility and fixation properties of absorbable 2006 R. Suuronen ja A. Asikainen

6 miniplates and screws in growing calvarium. Väitöskirja. 2000, Helsingin yliopisto, Helsinki. Roed-Petersen B. Absorbable synthetic suture material for internal fixation of fractures of the mandible. Int J Oral Surg 1974;3: Rohner D, Tay A, Meng CS, Hutmacher DW, Hammer B. The sphenozygomatic suture as a key site for osteosynthesis of the orbitozygomatic complex in panfacial fractures: a biomechanical study in human cadavers based on clinical practice. Plast Reconstr Surg 2002;6: St John TA, Vaccaro AR, Sah AP, ym. Physical and monetary costs associated with autogenous bone graft harvesting. Am J Orthop 2003;1: Stoffel K, Klaue K, Perren SM. Functional load of plates in fracture fixation in vivo and its correlate in bone healing. Injury 2000;S- B Suuronen R. Biodegradable self-reinforced polylactide plates and screws in the fixation of osteotomies in the mandible. An experimental study. Väitöskirja. 1992, Helsingin yliopisto, Helsinki. Turvey TA, Bell RB, Tejera TJ, Proffit WR. The use of self-reinforced biodegradable bone plates and screws in orthognathic surgery. J Oral Maxillofac Surg 2002;1: Törmälä P, Rokkanen P, Laiho J, ym. Material for osteosynthesis devices. US Patent 1988;4:743, 257. Törmälä P. Biodegradable self-reinforced composite materials; manufacturing structure and mechanical properties. Clin Mater 1992;1 2: Weisberger EC, Eppley BL. Resorbable fixation plates in head and neck surgery. Laryngoscope 1997;107: Vert M, Christel P, Chabot F, Leray J. Bioresorbable plastic materials in bone surgery. Kirjassa: Macromolecular biomaterials. Boca Raton: CRC, 1984, s Yerit KC, Enislidis G, Schopper C, ym. Fixation of mandibular fractures with biodegradable plates and screws. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod 2002;3: RIITTA SUURONEN, professori, erikoislääkäri, erikoishammaslääkäri, ylilääkäri Tampereen yliopisto ja Kudosteknologiakeskus Regea PL 2000, Tampere ANTTI ASIKAINEN, HLK Helsingin yliopisto, hammaslääketieteen laitos, suu- ja leukakirurgian osasto PL 41, Helsingin yliopisto PL 263, HUS Biohajoavat materiaalit luun kiinnitysvälineinä kasvo- ja leukakirurgiassa 2007