Analisi microscopica della superficie articolare degli inserti in polietilene delle protesi di ginocchio

Introduction and aim of the study. Total knee arthroplasty (TKA) involves the reconstruction of the femoro-tibial and femoro-patellar joint. One of the main factors affecting the long-term survival of total knee arthroplasty is the wear of the polyethylene insert. Polyethylene wear causes the release of small particles inside the knee joint; these particles are phagocytised by the mononuclear phagocyte system which, in turn, releases pro-inflammatory factors that activate osteoclastic cells determining osteolysis. The primary objective of the study is to evaluate, as part of the TKA reviews, the possible presence of certain areas of the articular surface of the explanted polyethylene inserts most subject to wear. Materials and methods. From 1 January 2021 to 30 June 2021 at the P.O. CTO of Turin, all HXLPE polyethylene inserts were collected from patients, who previously underwent surgery of total knee arthroplasty on primary osteoarthritis, and who performed a review of the first implant. The samples were subsequently transferred to the electron microscopy laboratory. The microscopic analysis was aimed at looking for signs of wear, the presence of oxides on the surface and differences in wear between the medial and lateral components. Results and discussion. On the basis of the results obtained from the present study, several considerations can be made. The presence of aluminum oxide is probably due to the material that covers the femoral component of the knee prosthesis or surgical instrumentation. Aluminum oxide (or alumina) increases the expression and secretion of IL-6 by osteoblastic cells; this cytokine is implicated in the osteolytic reaction. The results obtained from the analysis of the articular surfaces of the polyethylene inserts have confirmed the data already known in the literature: the medial component of the polyethylene inserts is more subject to wear than the lateral one. Lastly, the different direction of the streaks was analyzed: it was observed that many of them are not oriented antero-posteriorly, corresponding to the direction of the main movement of the knee joint due to flexion-extension; the horizontal streaks could be due to the lift-off of the lateral femoral condyle that determines an increase in the load on the medial compartment and an increase in the medium-lateral displacement atheral medial condyle. Conclusion. The following study addresses the problems related to the wear of polyethylene inserts in knee arthroplasty were taken into account. It would be useful to conduct studies with larger samples in order to validate the result obtained, by deepening the tribological analysis, in order to better define which movement determines a certain type of lesion and in which direction it occurs, and the origin of aluminium oxide.

Introduzione e obiettivo dello studio. L’intervento chirurgico di protesizzazione totale del ginocchio (TKA) prevede la ricostruzione dell’articolazione femoro-tibiale e femoro-rotulea. Uno dei principali fattori che influenzano la sopravvivenza a lungo termine dell'artroplastica totale del ginocchio è l’usura dell’inserto in polietilene. L'usura del polietilene provoca il rilascio di piccole particelle all'interno dell'articolazione del ginocchio; queste particelle vengono fagocitate dal sistema fagocitario mononucleare che, a sua volta, rilascia fattori pro-infiammatori che attivano le cellule osteoclastiche determinando l’osteolisi. Obiettivo primario dello studio è valutare, nell’ambito delle revisioni di TKA, l’eventuale presenza di determinate zone della superficie articolare degli inserti in polietilene espiantati maggiormente soggette ad usura. Materiali e metodi. Dal 1 Gennaio 2021 al 30 giugno 2021 presso il P.O. CTO di Torino sono stati raccolti tutti gli inserti in polietilene HXLPE da pazienti, sottoposti precedentemente a protesi totale di ginocchio su artrosi primaria, che hanno eseguito una revisione del primo impianto. I campioni sono stati successivamente trasferiti nel laboratorio di microscopia elettronica. L’analisi microscopica è stata finalizzata alla ricerca di segni di usura, presenza di ossidi in superficie e di differenze di usura tra componente mediale e laterale. Risultati e discussione. In base ai risultati ottenuti dal presente studio si possono fare diverse considerazioni. La presenza di ossido di alluminio è probabilmente dovuta al materiale che riveste la componente femorale della protesi di ginocchio o alla strumentazione chirurgica. L’ossido di alluminio (o allumina) aumenta l’espressione e la secrezione di IL-6 da parte delle cellule osteoblastiche, citochina implicata nella reazione osteolitica. I risultati ottenuti dall’analisi delle superfici articolari degli inserti in polietilene hanno confermato i dati già noti in letteratura: la componente mediale degli inserti in polietilene è maggiormente soggetta ad usura rispetto alla componente laterale. Infine, è stata analizzata la differente direzione delle striature: è stato osservato che molte di esse non sono orientate antero-posteriormente, corrispondente alla direzione del movimento principale dell’articolazione del ginocchio dovuto alla flessione-estensione; le striature orizzontali potrebbero essere dovute al lift-off del condilo femorale laterale che determina un aumento del carico sul compartimento mediale e un aumento dello spostamento medio-laterale del condilo mediale. Conclusione. Attraverso il seguente studio sono state prese in considerazione le problematiche correlate all’usura degli inserti in polietilene nelle protesi di ginocchio. Sarebbe utile condurre studi con campioni più numerosi al fine di validare il risultato ottenuto, approfondendo l’analisi tribologica, per poter definire al meglio quale movimento determina un certo tipo di lesione e in quale direzione essa si presenta, e l’origine dell’ossido di alluminio.