AT511944A4 - Knochenschraube - Google Patents

Abstract

Bolzen mit Außengewinde und einem zylindrischen Bolzenschaft aus allogenem, kortikalen Knochenmaterial für die chirurgisch operative Osteosynthese, wobei das Knochenmaterial mit Havers-Kanälen (6) durchzogen ist und erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Havers-Kanäle (6) schräg zur Längsachse (L) desBolzenschaftes verlaufen. Die erfindungsgemäßen Knochenschrauben (1) werden nach deren Einsetzen im Zuge einer chirurgisch operativen Osteosynthese rascher in den umgebenden Knochen integriert und in eigenen Knochen umgewandelt, sodass auf diese Weise der Heilungserfolg beschleunigt werden kann.

Description

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Die Erfindung betrifft einen Bolzen mit Außengewinde und einem zylindrischen Bclzenschaft aus allogenem, kortikalen Knochenmaterial für die chirurgisch operative Osteosynthese, wobei das Knochenmaterial mit Havers-Kanälen durchzogen ist, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Sofern sich das Außengewinde eines solchen Bolzens üoer die gesamte Längserstreckung des Bolzens erstreckt, kann auch von einem Gewindestift gesprochen werden. Ist der Bolzen ferner mit einem gewindelcsen Kopf versehen, kann auch von einer Knochenschraube gesprochen werden. Im Folgenden wird vorzugsweise von Knochenschrauben gesprochen, wobei von dieser Bezeichnung auch A.usfüxnrungen in Form eines Gewindestifts umfasst sein sollen.

Knochenschrauben für die chirurgisch operative Osteosynthese werden in herkömmlicher Weise aus Metall bzw. Metalllegierungen gefertigt. Ferner sind Knochenschrauben aus resorbierbarem Material, etwa Pclygiykolid und Polylaktid, bekannt, sowie Schrauben aus xenogenem Knochen. Knochenschrauben dieser Art weisen in der chirurgischen Praxis allerdings mehrere Nachteile auf. So müssen etwa Schrauber, aus Metall bzw. Metalllegierungen einerseits durch eine Zweitoperation wieder entfernt werden, und unterliegen andererseits Veränderungen durch Korrosion. Damit erhöhen sich die Kosten in Gesundheitssystem. Außerdem besteht ein zusätzliches gesundheitliches Risiko für jeden Patienten durch eine neuerliche Operation, das bei Schrauben aus allogenem Knochen nicht besteht. Sämtliche resorbierbaren Materialien im menschlichen oder tierischen Körper wiederum bilden zwar je nach Material eine mehr oder weniger feste Brücke zwischen den zu osteosynthetisierenden Knochen, werden aber aufgelöst, was die Festigkeit der Osteosynuhese der betroffenen Knochen negativ beeinflusst. Des Weiteren führen manche resorbierbare Synthesemateriaiien während ihres Abbaus zu großen Osteolysen in dem umgebenden Knochen, also zu einem Wegweichen des Empf är.gerknochens von der Schraube. Xenogene (speziesfremde) Materialien wiederum führen zu Abstoßungsreaktionen und sind für die Osteosynthese auch deshalb ungeeignet, weil sie in den umgebenden Empfängerknochen nicht eingebaut, sondern 2: * * • * • · abcestoßen und abgebaut werden, auch wenn das Eiweiß im Knochen vorher durch Hitze denaturiert wurde. Weiters trägt auch der unterschiedliche Elastizitätsmodul von boviner Corticalis und humaner Corticalis (Mensch ca. 16.000 N/mm2, Rind ca. 22.000 ois 24.000 N/rrnn2) dazu bei, dass humanes Material wesentlich Dessen einheilen kann. Formfestigkeit und Elastizitätsmodul des ccrticalen Knochens sind dabei speziesabhängig.

Schrauben aus allogenem Knochen (Femur und Tibia-Corticalis) verfügen hingegen über mehrere Vorteile. Sie werden ohne Abstoßungsreaktion vaskularisiert und umgebaut, und sind vor allem für Osteosynthesen dort geeignet, wo kleine Knochenfragmente zusammengefügt werden müssen, da durch die Schraube bereits bei der Operation eine tragende Knochenbrücke entsteht, die sich vom Zeitpunkt der Operation an verbessert, indem sie sich umbaut und voll in den lebenden Knochen integriert und eingebaut wird. Im Gegensatz dazu stellen Metallschrauben eher ein Hindernis für die Knochenneubilcur.g dar, insbesondere verringern sie durch deren bloße Präsenz die zur Verfügung stehende Oberfläche, die für die Knocnenheilung vorhanden wäre. Abbaubare Materialien wiederum haben ihre maximale Festigkeit zum Zeitpunkt der Operation. Für sie gelten dieselben Nachteile wie für die Metallschrauben, des Weiteren nimmt die Festigkeit rapide ab, sobald der Abbauprozess eir.tritt, wodurch die zu osteosynthetisierende Knochenstelle zumindest vorübergehend wieder eine Schwächung erfährt.

Des Weiteren kann bei Knochenschrauben aus allogenem Knochen eine Zweitoperaticn zur Entfernung des Osteosynthesematerials entfallen, da der Knochen vollständig in eigenen Knochen umgewandelt (nicht resorbiert!) wird. Für den Patienten verringert sich somit das Operationsrisiko, für das Gesundheitssystem verringern sich gezwungenermaßen die Kesten. Schrauben aus allogenem Knochen stören auch nicht bei der Anwendung biidgebender Verfahren, im Gegensatz zu Metallschrauben, die störende Artefakte im MRI und CT hinterlassen. Auch Nachuntersuchungen sind problemlos möglich, und lassen eine bessere Beurteilung des Heilungserfolges zu. • • · • • ·

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Die Umwandlung der Knochenschraube in eigenen Knochen dauert mehrere Wochen. Schrauben mit einem Durchmesser von 3-4 mm etwa werden innerhalb von 2 Monaten vollständig mit Gefäßen durchwachsen. Eei zunehmendem Durchmesser der Knochenschraube erfordert dieser Vorgang entsprechend mehr Zeit. Eine rasche Integration der Knochenschraube und deren Umwandlung in eigenen Knochen wären im Interesse eines beschleunigten Heilungsprozesses aber sehr vorteilhaft, da nicht nur der Patient eine raschere Genesung erfährt, sondern auch die Kosten der postoperativen Behandlung des Patienten gesenkt werden können.

Es ist daher das Ziel der Erfindung, Schrauben aus aiiogenem, kortikalen Knochen so auszuführen, dass sie nach deren Einsetzen im Zuge einer chirurgisch operativen Osteosynthese rascher in den umgebenden Knochen integriert und in eigenen Knochen umgewandelt werden, um auf diese Weise den Heilungserfolg zu beschleunigen.

Dieses Ziel wird durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht. Anspruch 1 bezieht sich auf einen Bolzen mit Außengewinde und einem zylindrischen Bolzenschaft aus alloger.em, kortikalen Knochenmaterial für die chirurgisch operative Osteosynthese, wobei das Kr.ochenmaterial mit Havers-Kanälen durchzogen ist. Ein Havers-Kanai ist der zentrale Knochenkanal in der Mitte eines Osteons, das das Grundbauelement der Kortikalis ist. Ein Osteon besteht dabei aus konzentrisch angeordneten Lamellen, die auch als Speziallamellen bezeichnet werden, einem zentral gelegenen Havers-Kanai und den, zwischen den Lamellen liegenden Osteozyten. Im Havers-Kanai verlaufen Blutgefäße, Bir.degewebszeiien und -fasern sowie einzelne Nervenfasern. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Havers-Kanäle schräg zur Längsachse des Bolzenschaftes verlaufen. sodass die

Osteone und Havers-Kanäle kommen nur in der Kortikalis langer Röhrenknochen vor, wobei die Havers-Kanäle im Wesentlichen in Längsrichtung des Knochens verlaufen. Beim Zuschnitt von Knochenschrauben wird in herkömmlicher Weise der Symmetrie des Knochenaufbaus gefolgt und die Knochenschraube in Längsrichtung des Spenderknochens geschnitten, • « * · Längsachse des Bolzenschaftes im Wesentlichen in Längsrichtung des Spenderknochens verläuft. Somit verlaufen aucri die Havers-Kanäle im Bolzenschaft im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Boizenschaftes. Sin solcher Zuschnitt wird auch deshalb gewählt, da einerseits die Festigkeit der so geschnittenen Knochenschrauben am größten ist, und andererseits eine ökonomische Verwertung des Spenderknochenmaterials möglich ist. Erfindungsgemäß wird jedoch vorgeschlagen, den Zuschnitt der Knochenschraube so zu wählen, dass die Havers-Kar.äle schräg zur Längsachse des Bolzenschaftes verlaufen, und insbesondere in einem Winkel zwischen 5° und 15° zur Längsachse des Bolzenschaftes. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich vermehrt Öffnungen von Havers-Kanälen entlang der Mantelfläche des Bolzenschaftes befinden. Es wurde nämlich vom Anmelder festgestellt, dass die Integration der Knochenschraube zum beträchtlichen Teil über die Havers-Kanäle verläuft, die aber bei einem Zuschnitt der Knochenschraube, die parallel zur Längsachse des Spenderknochens verläuft, kaum zugänglich sind. Wird der Zuschnitt jedoch so gewählt, dass die Havers-Kanäle schräg zur Längsachse des Bolzenschaftes verlaufen, münden die Havers-Kanäle in der Mantelfläche des Bolzenschaftes und werden somit für einen Stoffwechselaustausch mit dem Empfängerkncchen zugänglich. Auf diese Weise wird die Integration der Knochenschraube wesentlich verbessert und der Heilungsvorgang beschleunigt.

Wird jedoch der Zuschnitt mit zunehmendem Winkel zwischen der Längsachse des die Knochenschraube optimaler Winkel der zur Längsachse des Längsachse des Bolzenschaftes und Spenderknochens gewählt, verliert zunehmend an Festigkeit, sodass ein Havers-Kanäle zwischen 5° und 15° Bolzenschaftes vorgeschlagen wird.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mithilfe der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen hierbei die

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Knochenschraube 5;:

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Bruchstelle eines Knochens mit einem eingesetzten Bolzen gemäß der Erfindung im Rahmen einer operativen Osteosynthese,

Fig. 3 ein Ausschnitt eines Querschnittes quer zur Längsachse eines Spenderknochens zur Illustration des Aufbaus eines Osteons und seines Havers-Kanal,

Fig. 4a eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Bolzens im Empfängerknochen mit eingezeichnetem Verlauf der Havers-Kanäle, und die

Fig. 4b eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bolzens im Empfängerkrochen mit eingezeichnetem Verlauf der Havers-Kanäle.

Die vorliegende Erfindung betrifft die Optimierung von Knochenschrauben 1 ans allogenem Knochen, wie sie schematisch in der Fig. 1 dargesteilt ist, hinsichtlich ihrer Eigenschaften im Rahmen der operativen Osteosynthese, insbesondere in Bezug auf die raschere Integration der Knochenschraube im Empfängerknochen. eine

Vorzugsweise sind hierfür Knochenschrauben mit symmetrischem Spitzgewinde vorgesehen, um keine Kompression auf die zu verbindenden Knochenteile auszuüben. Da außerdem die Festigkeit der Kncchenverbindung im Wesentlichen von der Anzahl der Gewindegänge in der Kortikalis 3 des Empfängerknochens abhängt (siehe Fig. 2), und der Beitrag der Verschraubung entlang des spongiösen Knochens 4 nur gering ist, werden die Knochenschrauben vorzugsweise so ausgeführt, dass sie eine möglichst hohe Anzahl an Gewindegänger- pro Millimeter entlang des gesamten Bolzenschaftes aufweisen um sicherzustellen, dass die Kortikalis 3 in Verbindung mit einer entsprechend hohen Zahl an Gewindegängen steht. Bei einem Verhältnis von Gewindetiefe zu Gewindedurchir.esser zwischen 0.10 und 0.15 ist hierzu etwa ein Produkt von dieser Verhältniszahl und der Anzahl der Gewindegänge pro Millimeter von 0.10 bis 0.30 vorgesehen. Das symmetrische Spitzgewinde wird außerdem über die gesamte Länge des Bolzenschaftes mit konstantem Gewindedurchmesser geführt, sodass sich 6::

Knochenschraube 1 wie in der Fig. 1 dargesuellt ergibt. Die Knochenschraube 1 selbst kann einen Vierkant, Sechskant oder Sternkopf als Schraubenkopf 2 aufweisen (siehe Fig. 1), der aber lediglich dem Einbringen von Drehmoment im Zuge des Einschraubens dient, und nach Platzierung der Knochenschraube 1 abgeschnitten wird, sodass eine Konfiguration gemäß Fig- 2 erreicht wird.

Im Zuge der operativen Osteosynthese wird zunächst die Fixierung und Kompression der zu verbindenden Knochenteile durch entsprechende chirurgische Instrumente sichergestellt. In weiterer Folge wird eine Kernbohrung gesetzt, in das ein Gewinde geschnitten wird. Die erfindungsgemäße Knocher.schraube 1 kann nun etwa mit einem Steckschraubenschlüssel mit Drehmoment eingebracht werden, wobei die Knochenschraube 1 die Knochenteile entlang des spongiösen Knochens 4 und der Kcrtikalis 3 quert, und in einem stabilen Zustand mit vorgegebener Distanz hält, ohne dabei eine Kompression auszuüben, da ein symmetrisch ausgeführtes Spitzgewinde kaum Zugbelastungen zulässt (siehe Fig. 2) . Die dargestellte Knochenschraube 1 stellt daher keine Zugschraube dar. Aufgrund der hohen Gewindezahl· und der damit verbundenen Reibungskräfte ist aber dennoch hohe RotationsStabilität der Knochenschraube 1 gegeben.

Zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Merkmale wird nun zunächst auf die Fig. 3 Bezug genommen. Die Fig. 3 zeigt ein Ausschnitt eines Querschnittes quer zur Längsachse eines Spenderknochens zur Illustration des Aufbaus eines Osteons 5 und seines Havers-Kanal 6. Ein Ostecn 5 besteht dabei aus konzentrisch angeordneten Lamellen, die auch als Speziallamellen bezeichnet werden, dem zentral gelegenen Havers-Kanal 6 und den, zwischen den Lamellen liegenden Osteozyten. Im Havers-Kanal 6 verlaufen Blutgefäße, Bindecewebszellen und -fasern sowie einzelne Nervenfasern. Die einzelnen Osteone 5 sind wiederum durch sogenannte Schaltlamellen 7 miteinander verbunden, wobei die Havers-Kanäle 6 der einzelnen Osteone 5 durch, ebenfalls Blutgefäße enthaltende Querkanäle untereinander verbunden sind, die auch

als Volkmann-Kanäle bezeichnet werden {in der Fig. 3 nicht ersichtlich).

Osteone 5 und Havers-Kanäle 6 kommen nur in der Kortikslis 3 langer Röhrenknochen vor, wobei die Havers-Kanäle 6 im Wesentlichen in Längsrichtung des Spenderknochens verlaufen. Beim Zuschnitt von Kncchenschrauben 1 wird in herkömmlicher Weise der Symmetrie des Knochenaufbaus gefolgt und die Knochenschraube i in Längsrichtung des Spenderknochens geschnitten, sodass die Längsachse L des Bolzenschaftes im Wesentlichen in Längsrichtung des Spenderknochens verläuft. Somit verlaufen auch die Havers-Kanäle 6 im Bolzenschaft der Knochenschraube 1 im Wesentlichen parallel zur Längsachse L des Bolzenschaftes, wie anhand der Fig. 4a gezeigt ist.

Erfindungsgemäß wird jedoch vorgeschlagen, den Zuschnitt der Knochenschraube 1 so zu wählen, dass die Havers-Kanäle 6 schräg zur Längsachse L des Bolzenschaftes der Knochenschraube 1 verlaufen, und insbesondere in einem Winkel zwischen 5° und 15° zur Längsachse des Bolzenschaftes, wie in der Fig. 4b gezeigt ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich vermehrt Öffnungen von Havers-Kanalen 6 entlang der Mantelfläche des Bolzenschaftes befinden, sodass sie für einen Stoffwechselaustausch mit dem Empfängerknochen zugänglich sind, wie anhand der kleinen Pfeile normal auf die Mantelfläche des Bolzenschaftes in der Fig. 4b angedeutet wird. Die Inregration der Kncchenschraube 1 im Empfängerknochen wird dadurch wesentlich beschleunigt, da die Integration der Knochenschraube 1 in den Empfängerknochen und ihre Umwandlung in eigenen Knochen zum beträchtlichen Teil über die Havers-Kanäle 6 verläuft.

Wird jedoch der Zuschnitt der Knochenschraube 1 mir zunehmendem Winkel zwischen der Längsachse L des Bolzenschaftes und den Havers-Kanalen 6 gewählt, verliert die Knochenschraube 1 zunehmend an Festigkeit, sodass ein optimaler Winkel der Havers-Kanäle 6 zwischen 5° und 15° zur Längsachse L des Bolzenschaftes der Knochenschraube 1 vorgeschlagen wird. • «

Die Hävers-Kanäle 6 sind mithilfe eines Mikroskops leicht zu beobachten und zu bestimmen. Sie verlaufen freilich nicht entlang perfekter Gerader. und in perfekter Parallelität zueinander. Die geometrische Ausrichtung der Havers-Kanäle 6 gemäß der Erfindung ist vielmehr so zu verstehen, dass der Verlauf eines Kavers-Kanais 6 mit einer Geraden approximiert werden kann, die erfindungsgemäß schräg zur Längsachse L des Bolzenschaftes der Knochenschraube 1 verläuft, und zwar vorzugsweise in einem Winkelbereich zwischen 5° und 15°. Dieses Kriterium kann auch sc formuliert werden, dass der gemittelte Richtungsvektor aller Havers-Kanäle 6 einen Winkel zwischen· 5° und 15° zur Längsachse L des Bolzenschaftes aufweist. Der gemittelte Richtungsvektor kann etwa so ermittelt werden, indem für die Richtungsvektoren einzelner Havers-Kanäle 6 alle Komponenten parallel zur Längsachse L des Bolzenschaftes addiert und durch die Anzahl der Summanden dividiert wird, um einen mittleren Parallelvektor zu erhalten. In weiterer können alle Komponenten senkrecht zur Längsachse L des Bolzenschaftes addiert und durch die Anzahl der Summanden dividiert werden, um einen mittleren Normalvektor zu erhalten. Der mittlere Parallelvektor und der mittlere Ncrmaivektor bilden schließlich den mittleren Richtungsvektor aller Havers-Kanäle 6.

Mithilfe der Erfindung gelingt es Schrauben aus allogenem, kortikalen Knochen so auszuführen, dass sie nach deren Einsetzen im Zuge einer chirurgisch operativen Osteosynthese rascher in den umgebenden Knochen integriert und in eigenen Knochen umgewandelt werden, um auf diese Weise den Keilungserfoig zu beschleunigen.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Beizen mit Außengewinde und einem zylindrischen Bolzenschaft aus allogenem, kortikalen Knochenmaterial für die chirurgisch operative Osteosynthese, wobei das Knochenmaterial mit Havers-Kanälen (6) durchzogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Havers-Kanäle (6) schräg zur Längsachse (L) des Bolzenschaftes verlaufen.
2. 2. Bolzen mit Außengewinde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Havers-Kanäle (6) in einem Winkel zwischen 5° und 15° zur Längsachse (L) des Bolzenschaftes verlaufen. Wien, am Kliment & Henhapel Patentanwälte CG