Trace element burdening of human tissues due to the corrosion of hip-joint prostheses made of cobalt-chromium alloys

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Abstract
Using instrumental neutron activation analysis, the concentrations of 18 elements were studied in human articular capsule and fascia lata before and after application of total endoprostheses of the hip joint made of cobalt-chromium alloys. Tissues from the vicinity of the implant showed extreme burdening by corrosion products (Co, Cr, Ni), as well as by Zr, Hf, and Ba from the bone cements. Tissues more distant from the implants exhibited lower, but still significant burdening. Moreover, some essential trace elements not contained in the implant materials were changed in the tissues after implantation. In order to clarify the dissolution of alloy constituents in biological media, the passivation of cobalt-chromium alloy was investigated by tracer techniques using Ringer's solution as a simple model of the body fluids. The passivation process lasted for more than 1 month and was accompanied by a selective dissolution of the alloys constituents in the order Ni > Co ≈ Fe > Mo > Cr. A comparison of the tissue analyses with the corrosion experiments demonstrates that the distribution patterns of the corrosion products in the tissues are influenced by both the corrosion process and the biochemical properties of the corrosion products. Für 18 Elemente wurde die Spurenelementzusammensetzung menschlicher Gewebe (Gelenkkapsel des Hüftgelenks und Fascia lata) mit Hilfe instrumenteller Neutronenaktivierungsanalyse vor and nach Anwendung von Totalendoprothesen des Hüftgelenks aus Kobalt-Chrom-Legierungen untersucht. Die Gewebe aus der Umgebung der Implantate zeigten extreme Belastungen mit Korrosionsprodukten der Metalle (Co, Cr, Ni) sowie mit Zr, Hf und Ba aus den Knochenzementen. Die Gewebe aus größer Entfernung zum Implantat zeigten niedrigere, jedoch noch signifikante Belastung. Sogar nich in den Implantat-Materialen enthaltene essentielle Spurunelemente ware in ihrer Häufigkeit nach Implantation verändert. Um die korrosive Auflösung der Liegerungsbestandteile in biologischen Medien zu untersuchen, wurde die Passierung von Co-Cr-Legierungen mit Hilfe der Trace-Technik untersucht. Dabei wurde Ringer-Lösung als einfaches Modell für die Körperflüssigkeiten gewählt. Der Passivierungsprozeß dauerte mehr als 2 Monat und war von einer selektiven Auflösung der Legierungsbestandtiele in der Reihenfolge Ni > Co ∼ Fe > Mo > Cr begleitet. Ein Vergleich der Gewebeanalysen mit den Korrosionsexperimente zeigte, daß die Verteilung der Korrosionsprozeß, als auch durch die biochemischen Eigenschaften der Legierungsbestandteile bestimmt werden.