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On the establishment of number-size distributions of wear debris from artificial hip joints with aerosol physics techniques
Karoline Mühlbacher
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physik
Betreuer*in
Georg Reischl
DOI
10.25365/thesis.35090
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29943.15521.851970-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Der Hauptgrund für die Auswechslung eines künstlichen Gelenkes - sei es ein Knie oder Hüftgelenk - ist aseptic loosening, also die aseptische Auflockerung des Gewebes und der Knochen rund um das künstliche Gelenk. Diese Auflockerung wird durch Ab- riebpartikel hervorgerufen, welche das Gelenk unter Belastung von sich gibt. Es ist essenziell bestimmen zu können, welches Trägermaterial wie viele Partikel in welcher Größenordnung abgibt. Die Bestimmung dieser Parameter ist ausschlaggebend in der Forschung bezüglich der Interaktion mit dem menschlichen Immunsystem - insbesonde- re mit Makrophagen. Das Ziel dieser Studie ist es, eine effiziente Methode zur Erstellung einer Verteilung von Größe und Anzahl der Abriebpartikel zu entwickeln. Zu diesem Zwecke wurden metallische Abriebpartikel einem Hüftsimulator entnommen. Dieser hat einen Hüftgelenkskopf sowie eine Gelenkspfanne (beides aus CoCrMo) 5 Millionen Durchgänge lang bearbeitet. Die jeweiligen Proben wurden mit Ethanol aufbereitet und verdünnt. Die so erzeugten Proben wurden anschließend von einer Kombination aus ei- nem Elektrospray und einem Analysator für Teilchenmobilität, mit einem Messbereich zwischen einigen Nanometern und 1μm, vermessen. Diese Methode wurde zuvor noch nie angewandt, um Abriebpartikel künstlicher Gelenke zu vermessen. Die Messungen zeigten einen charakteristischen Höchstwert der Metall-Gelenke bei 15 nm. Zur Über- prüfung der Ergebnisse wurden standardisierte Polystren-Partikel mit einer definierten Größe von 102 nm erfolgreich durch den selben experimentellen Aufbau geschickt. Die vorliegende Studie zeigt, dass erstmals ein Elektrospray Aufbau, welcher sich normaler Weise nur in der Aerosolphysik und deren Anwendungsgebieten findet, erfolgreich ver- wendet wurde, um Abriebpartikel von künstlichen Gelenken zu vermessen. Die Vorteile dieser Methode, im Gegensatz zur herkömmlichen, sind ihre hohe Zeit- und Kosten- Effizienz, der geringe Verbrauch von Test-Flüssigkeit (z.B.: Gelenksflüssigkeit) und die Tatsache, dass sie verwendet werden kann, um diverse Materialien zu vermessen.
Abstract
(Englisch)
Aseptic loosening is the major cause for revision surgery of knee and hip arthroplasties, whereat wear is a common cause. The characterization of wear particles in terms of number and size is essential for the study of their biological effects on cells and indica- tion the need for possible revision surgery of artificial joints. The purpose of this study was to develop an efficient automated diagnostic method for number-size distribution of wear debris.
In order to do so, metal debris was extracted from a hip simulator with a femoral head and acetabular cup (both CoCrMo) after 5 million cycles. The fluid samples were prepared and diluted with pure ethanol. The samples were analyzed by the electrospray method combined with a differential mobility analyzer, allowing particle detection ranging from several nanometers up to 1μm. This method was first intro- duced for measuring wear particles.
Wear particles originating from metal-on-metal articulations were identified with a characteristic peak at 15 nm, using the electrospray setup. For calibration purposes of the method the same setup of aerosol particle characterization was used with de- fined polystyrene spheres of 102 nm diameter, which were successfully detected and measured in size.
The presented electrospray-DMA setup - an automated counting and sizing method commonly applied in aerosol physics - was successfully used and validated for the first time to characterize wear debris from total joint replacement. The advantages of this diagnostic method over the conventional methods are its time and financial efficiency, low requirement of testing fluid (e.g. synovial fluid), and its suitability for the testing of different materials.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Aseptic loosening artificial hip joint metallic wear debris macrophage differential mobility analyzer electrospray number-size distribution
Schlagwörter
(Deutsch)
Aseptische Lockerung künstliches Hüftgelenk metallische Abriebpartikel differentialer Mobilitätsanalysator Elektrospray Anzahl-Größe Verteilung
Autor*innen
Karoline Mühlbacher
Haupttitel (Englisch)
On the establishment of number-size distributions of wear debris from artificial hip joints with aerosol physics techniques
Paralleltitel (Deutsch)
Über die Erstellung von Anzahl-Größen Verteilungen von Abriebpartikeln von künstlichen Hüftgelenken mit Aerosol-physikalischen Techniken
Publikationsjahr
2014
Umfangsangabe
75 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Georg Reischl
AC Nummer
AC12247540
Utheses ID
31111
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |