Kobalt-Chrom-Legierungen werden in der orthopädischen Chirurgie und Traumatologie beispielsweise in der zementierten Knie- und Hüftendoprothetik oder bei Metall-Metall-Gleitpaarungen überwiegend in der zementfreien Hüftendoprothetik verwendet. Metall-Metall-Gleitpaarungen enthalten klassische Kontaktallergene wie Nickel, Chrom oder Kobalt [31].

Dass Legierungskomponenten durch Korrosion oder über Abriebpartikel freigesetzt werden und beispielsweise in Blut und Urin detektierbar sind, ist seit langem bekannt [21]. Zu den möglichen biologischen Effekten gehören auch spezifische lymphozytäre Überempfindlichkeitsreaktionen. Diese können entweder bei neu einsetzender Sensibilisierung auftreten oder in Folge bereits bestehender Kontaktallergie. Allerdings sind im Vergleich zu den Sensibilisierungsraten von bis 12% der Bevölkerung gegen Nickel und bis zu 5% gegen Kobalt und Chrom [10, 31] nur wenige Patienten mit Allergien gegen Implantatwerkstoffe publiziert.

In Kasuistiken werden als allergische Reaktionen gegen Metallimplantate lokalisierte oder generalisierte Ekzeme, Urtikariaschübe, persistierende Schwellungen, sterile Osteomyelitis und Fälle von aseptischer Implantatlockerung beschrieben [4, 5, 11, 12, 14, 19, 23, 25]. Auch wenn zunehmend Berichte über (allergische) Reaktionen auf Abriebpartikel von Metall-Metall-Gleitpaarungen erscheinen, so ist die Inzidenz allergievermittelter Implantatunverträglichkeiten noch nicht abschätzbar [7, 20, 22, 31, 32, 33].

Bestandteile von Kobalt-Chrom-Legierungen wie Nickel, Kobalt und Chrom können allergische Reaktionen beim Menschen hervorrufen [10, 16, 19, 20, 21, 22, 24, 27, 28]. Über die Häufigkeit solcher Reaktionen gibt es bisher keine genauen Angaben. Zu Mechanismen, Auslösesituation und Häufigkeit kutaner Nickelkontaktallergie-bedingter Erkrankungen liegen viele Untersuchungen vor, die u. a. zu Prophylaxemaßnahmen geführt haben. So gibt es die „Nickel-Direktive“ der EU und in Deutschland die 1992 überarbeitete Gebrauchsgegenständeverordnung, die die Höchstmenge von Nickelfreisetzung für nickelhaltige Gegenstände mit längerem Hautkontakt festlegen [15]. Da Nickel seit Jahren die Allergiehitliste für Kontaktallergien anführt, gibt es auch ergänzende Untersuchungen zu Auslöseschwellen für allergische Reaktionen an der Haut [1, 9].

Bei Allergiepatienten können schon kleine Mengen von Nickel Kontaktekzeme hervorrufen [3, 7], sodass dem Nickelanteil in Kobalt-Chrom-Legierungen eine wichtige Rolle als möglicher implantatassoziierter Allergieauslöser zugeschrieben wird. Ziel dieser Arbeit ist das Problem unterschiedlicher Zusammensetzungen von genormten Kobalt-Chrom-Legierungen an einigen Beispielen darzustellen.

Material und Methode

Nomenklatur der Legierungsbezeichnungen

In der deutschsprachigen Werkstoffkunde bezeichnet man die Metalllegierungen z. B. auf Basis von Titan oder Kobalt durch Anfügen des Legierungselements und seines Gewichtsanteils an das Basismetall (Gew.-%) gegenüber anderen Schreibweisen (At.-%, Gehaltanteil nach dem Legierungselement tiefgestellt).

Für die Implantatwerkstoffe gelten weltweit 2 Normenwerke parallel, die weitestgehend identisch sind. Das ISO-Normenwerk gilt international in allen Ländern, die die jeweilige singuläre Norm ratifiziert haben. Vornehmlich in den USA gilt das Normenwerk ASTM mit dem Kapitel „F“ (medical devices), das alle zugelassenen Implantatwerkstoffe enthält. In der Praxis hat sich das ASTM F-Werk bewährt, weil die meisten Implantatwerkstoffe nach diesen ASTM F-Normen hergestellt und somit in den Handel gebracht werden.

In dieser Arbeit werden die in den jeweiligen Normen festgelegten Eigenschaften und Legierungsbestandteile der folgenden Legierungen vergleichend analysiert:

  • Gusslegierung CoCr28Mo6 nach ASTM F 75 (cast Co28Cr6Mo-alloy for surgical implant applications) und nach ISO 5832-4 (ISO 5832: surgical implant materials, metals. ISO 5832-4: metals for surgery, cast CoCrMo-alloy for surgical implant applications) und

  • Schmiedelegierungen CoCr20W15Ni10, CoNi35Cr20, FeCo40Cr20Ni10 und CoCr20Ni20 nach ISO 5832 (surgical implant materials, metals) und

  • Schmiedelegierung CoCr28Mo6 nach ASTM F 799 (Co28Cr6Mo alloy for forged surgical implant applications) sowie IS0 5832-12 (ISO 5832: surgical implant materials, metals. IS0 5832–12: metals for surgery, forged CoCrMo-alloy for surgical implant applications).

Ergebnisse

Die mit dem Handelsnamen „Vitallium“ 1935 in der Medizin eingeführte Legierung CoCr30Mo5 setzt sich aus Kobalt (Balance) und 30 Gew.-% Chrom, 5 Gew.-% Molybdän und einem geringen, nicht namentlich spezifizierten Anteil Nickel sowie Beimengungen zusammen (die Spuren anderer Elemente von <1 Gew.-% werden im Legierungsnamen nicht extra erwähnt). Das Basiselement Kobalt ist immer Balance zu 100 Gew.-%. Unterschiede zur Nomenklatur zeigen, dass z. B. bei der Legierung CoCr28Mo6 der Nickelgehalt zwischen 0,3 und 3,0 Gew.-% variieren kann, ohne dass sich dies im Namen ausdrückt.

Der Gehalt an Nickel schwankt in der Gusslegierung CoCr28Mo6 zwischen ≤0,3 und ≤1,0 Gew.-% und ist nur aufwändig auf Werte um ≤0,1 Gew.-% einzustellen (Einzelheiten sind Tabelle 1 zu entnehmen).

Tabelle 1 CoCr28Mo6-Gusslegierungen. (Nach ASTM F 75 und ISO 5832)
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Die Schmiedelegierungen nach ISO 5832 und ASTM F-Normen weisen einen Nickelgehalt zwischen 1 und 37 Gew.-% auf (Einzelheiten sind den Tabellen 2 und 3 zu entnehmen). Der ebenfalls weite Bereich des Chromgehalts beträgt 18,5–30,0 Gew.-%, die anderen Werte sind den Tabellen 1, 2, 3 zu entnehmen.

Tabelle 2 Co-Basisschmiedelegierungen I. (Nach ISO 5832)
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Tabelle 3 CoCr28Mo6-Schmiedelegierungen II. (Nach ASTM F 799 und ISO 5832)
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Diskussion

In Entsprechung zu der Allgemeinbevölkerung ist auch bei Patienten in der Orthopädie mit Nickelkontaktallergien zu rechnen. Während für Hautreaktionen entweder Auslösemechanismen und Prophylaxeempfehlungen (bei entsprechender allergologischer Abklärung) bis hin zur „Nickel-Direktive“ existieren, ist die Datenlage für Implantat assoziierte allergische Reaktionen teils unklar [10, 16, 19, 20, 21, 22, 24, 27, 28]. Es gibt Publikationen über das Auftreten von Sensibilisierungsreaktionen auf Osteosynthesematerialien in der Frakturbehandlung. Die meisten Reaktionen wurden im Zusammenhang mit rostfreien Stahlimplantaten beschrieben [2, 6, 17, 20, 21, 22] oder Kobalt-Chrom-Legierungen [13, 17, 18, 22].

Auch existieren zahlreiche Publikationen über partikelassoziierte periimplantäre Fremdkörperreaktionen sowie metallbedingte Entzündungsreaktionen und deren Effekt auf die klinische Funktion von orthopädischen Implantaten [17, 20, 21, 22, 26]. Allergische Reaktionen auf die orthopädischen Implantate können so auch zur Notwendigkeit der Entfernung der Implantate führen.

Durch Legierungselemente können T-Lymphozyten durch Antigene aktiviert werden. Entsprechend konnten Lymphozyteninfiltrate in periprothetischem Gewebe als Hinweis auf eine Immun- bzw. allergische Reaktion gefunden werden [30, 32, 33].

In ihrer Arbeit im orthopädisch-chirurgischen Krankengut über 242 Patienten berichten Swiontkowski et al. [29] über eine Sensibilisierungsrate auf Chrom von 0,2%, auf Nickel von 1,3% und auf Kobalt von 1,8%. Nach Implantation von orthopädischen Implantaten betrug die Sensibilisierungsrate für Chrom 2,7%, für Nickel 3,8% und für Kobalt 3,8%.

Oft genügen kleine Mengen von Nickel zur Auslösung von Kontaktekzemen [1, 9, 10]. In Bezug auf metallimplantatassoziierte allergische Reaktionen sind allerdings Auslösesituationen, Schwellenwerte für hierfür nötige Metallexposition und die Rolle von Abriebpartikeln erst teilweise hinterfragt. Schon die vergleichende Gegenüberstellung von unterschiedlichen Normen moderner Kobalt-Chrom-Legierungen belegt, dass in einem unterschiedlich hohen Prozentsatz Elemente wie das hoch allergene Nickel vorhanden sein dürfen. Dementsprechend wäre zunächst zu klären, welches Ausmaß von Legierungskomponentenfreisetzung unter physiologischen Bedingungen erfolgt und wie sich dies bei Vorhandensein von Abriebpartikeln ändert. So sind dringend weitere Arbeiten erforderlich, die einen umfassenden Überblick über alle im deutsprachigen Raum verwendeten Kobalt-Chrom-Legierungen geben.

Des Weiteren ist von Implantatherstellern entsprechend den Vorgaben der EU-Richtlinie 93/42/EWG für Medizinprodukte zu fordern, eine exakte reproduzierbare Werkstoffangabe bereits auf der Verpackung zu dokumentieren, beispielsweise den Nickelgehalt in Kobalt-Chrom-Legierungen exakt anzugeben und — soweit technologisch möglich — deutlich zu minimieren. In Ergänzung dazu ist auf eine standardisierte Diagnostik bei Patienten mit Verdacht auf Implantatallergie wünschenswert. In Zusammenarbeit zwischen dem Arbeitskreis „Implantatallergie“ (in der DGOOC) und der Deutschen Kontaktallergiegruppe werden derzeit Vorgehensempfehlungen erarbeitet.

Fazit für die Praxis

Im Rahmen von Nachuntersuchungsstudien über Patienten mit einem Kobaltimplantat muss die genaue Zusammensetzung der in Patienten eingesetzten Implantatwerkstoffe mit Angabe der zugrunde gelegten Werkstoffnorm beachtet werden. Angaben wie Kobaltlegierung oder Kobaltgusslegierung sind aus Gründen fehlender Informationen zur chemischen Zusammensetzung und hier speziell bezogen auf allergen wirkende Elemente unzulänglich. Deshalb ist es empfehlenswert respektive muss es von Seiten der Operateure zur Pflicht erhoben werden, dass Medizinproduktehersteller die Werkstoffangabe Ihrer Implantate auf der Verpackung und auf dem Patientenlabel exakt und mit Angabe der Normen vermerken. Genaue Angaben über tatsächlich eingesetzte Legierungen lassen genaue Schlüsse über die Wirkung der aus den Legierungen freigesetzten Stoffe zu.