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PATENTANSPRÜCHE
1. Knochenzement auf der Basis von autopolymerisierenden Kunststoffen, dadurch gekennzeichnet, dass er die mineralische Komponente des natürlichen Knochengewebes, Apatit, in Partikelform vermischt enthält.
2. Knochenzement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zf c-llnet, dass der Apatit zwischen 1-30 Gewichtsprozent c-nzachl.
9 . . ¯ nochenzement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeitz :legt, des er sowohl synthetisch hergestellten als auch aus na- id1en Knochen gewonnenen Apatit vermischt enthält.
4. Knochenzement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeic.lnet, dass er ferner Röntgenzusätze wie Bariumsalze enthält.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Knochenzement auf der Basis von autopolymerisierenden Kunststoffen.
in der orthopädischen Chirurgie spielt heute der Ersatz zelr torter Gelenke mit Hilfe von Kunststoffen, die sog. Allo plastik, eine bedeutende Rolle. Die künstlichen Gelenkteile werden aus verschiedenen Werkstoffen hergestellt. Bei der zunächst unmittelbaren Einpflanzung im Knochen ergaben sich jedoch vielfache Verankerungsschwierigkeiten. Seit etwa 1960 hat es sich deshalb, vor allem unter dem Einfluss von Charnley, eingebürgert, die Kunstgelenke mittels autopo lymerisierenden Knochenzementen, vor allem Polymethylmetacrylat, im Knochen zu befestigen. Der in der plastischen Polymerisationsphase eingebrachte Zement passt sich einerseits den Prothesenteilen, andererseits der Rauhigkeit des Knochens ideal an.
Nach Abschluss des Polymerisationsvorganges und Aushärten des Knochenzementes besteht eine feste mechanische Verzahnung der eigentlichen Prothesenkörper mittels des Zementmantels im Knochengewebe. Der Knochenzement hat auch den Vorteil, dass infolge seines niedrigen Elastizitäts-Moduls die bei der Belastung auftretenden Verformungen und Relativbewegungen zwischen der Prothese und dem Knochengewebe reduziert werden.
Dennoch kommt es im Laufe der Zeit meistens zu einer bindegewebigen Abgrenzung des Knochengewebes vom Knochenzement. Dafür sind neben mechanischen Momenten vor allem auch die Hitzeschädigung des Knochengewebes infolge der Polymerisationswärme und eine chemisch-toxische Fremdkörperreaktion infolge Abgabe von Restmonomeren und Oligomeren verantwortlich. Sie lösen am Körpergewebe eine abgrenzende Fremdköperreaktion aus, die sich durch Abwehrzellen und Bindegewebe ausdrückt. Eine direkte chemische Verbindung zwischen den Knochen und den Prothesen mit ihren Zementhüllen kommt damit nicht zustande.
Es handelt sich deshalb nur um eine mechanische Veranke ring, die nach bisherigen Erfahrungen im Laufe der Zeit vieifach versagt. Die Ursache ist teils darin zu sehen, dass die biologische Abgrenzung zu einer Verringerung der tragenden Oberiläche und damit zu einer Erhöhung der spezifischen Knochenbelastung führt, da die Prothesenlast dann auf ein kleineres Knochenlager trifft, so dass es zum Abbau des Knochengewebes infolge Überlastung kommt. Zum anderen ist die Dauerschwingfestigkeit des Knochenzementes besonders bei dünner, unregelmässiger Zementhülle oft unzureichend, so dass es zum Bruch der Zementhülle kommt.
In der Folge tritt gewöhnlich eine Prothesenlockerung auf, welche zu erheblichen Beschwerden Anlass gibt und schliesslich zur
Prothesenentfernung mit Hinterlassung eines erheblichen, vielfach schmerzhaften Defektes führt. Offenbar kommt es im Körpermilieu auch zu einer Zementalterung mit Abbau der Polymerketten und Reduzierung der anfänglichen Zementfestigkeit.
Um die Zementprobleme bei der Alloplastik zu vermeiden, zeigt sich in den letzten Jahren ein Trend, zur zementfreien Verankerung zurückzukehren, wobei insbesondere auf das Prinzp der Oberflächenvergrösserung mit entsprechender Lastverteilung und Druckreduzierung am Knochenlager zurückgegriffen wird, beispielsweise gemäss CH-PS 568753.
Da hierbei das Knochengewebe der vergrösserten Prothesenoberfläche primär jedoch nicht überall anliegt, sind hiefür Anpassungsprozesse des Knochens erforderlich, welche viele Monate benötigen und eine anfängliche Teilentlastung der Gliedermassen durch Krückengehen, Schonung etc. erfordern.
Bei älteren Menschen, welche infolge von Abnützungserscheinungen in besonders hohem Masse eines Gelenkersatzes bedürfen, ist die Reaktions- und Anpassungsfähigkeit des Knochens oftmals biologisch gestört, insbesondere bei der im Alter häufigen Osteoporose. Alte Menschen sind auch oft nicht in der Lage, ihre Gliedmassen konsequent zu entlasten.
Aus diesem Grund hat bei ihnen die zementfreie Verankerung auch mit oberflächenvergrösserten Prothesen ihre Grenzen. Bei ungenügender Knochenanpassung und frühzeitiger Vollbelastung kann es dann nämlich gleichfalls zu Prothesenlockerungen kommen. Bei älteren Menschen ist deshalb die Zementverankerung trotz ihren Nachteilen nicht zu vermeiden.
Zur Behebung der dabei entstehenden, eingangs erwähnten Problemen erscheint es daher notwendig, die Eigenschaften des Knochenzements zu verbessern, um einerseits eine Erhöhung der mechanischen Festigkeit, insbesondere Dauerschwingfestigkeit, zu erzielen und andererseits die Körperverträglichkeit zu erhöhen, möglichst so, dass ein Anwachsen des Knochens an die Zementoberfläche möglich ist.
Diese Probleme werden dadurch gelöst, dass der Knochenzement die mineralische Komponente des natürlichen Knochengewebes, Apatit, in Partikelform enthält. Beim Apatit handelt es sich chemisch um
Cas (P04)3 (OH)
Dabei ist es sinnvoll, das Apatit in feinkörniger Form beizumischen, um im Zement eine gewisse Wabenstruktur zu erreichen. Einesteils ist der Knochen selbst ein Verbundwerkstoff zwischen Faserstrukturen, Kollagenen und feinstkörnigem Apatit; andererseits werden auch in der Werkstoff Technik wabenförmige Strukturen verwendet, teils um Substanz zu sparen, teils um eine ausreichende Festigkeit zu erhalten. Eine grobe Porosität erscheint dabei nicht sinnvoll, da sie zur Festigkeitsminderung führt. Da das Apatit mit dem Zement offenbar keine chemische Bindung eingeht, ist eine Festigkeitsminderung des Zementes durch chemische Beeinflussung unwahrscheinlich.
Die Apatitbeimengung führt aber zweifellos dazu, dass Apatitpartikel auch an der Kontaktfläche des Zement/Apatitgemisches mit dem Knochengewebe vorliegen. Auf diese Weise wird die Oberflächentoxizität des Knochenzementes vermindert. Auch kann der Knochen in diesem Bereich mit den Apatitpartikelchen eine Bindung eingehen, welche die Befestigung der Prothese am Knochen verbessert. Ausserdem ist eine Verminderung der Polymertemperatur und damit der Hitzeschädigung und eine grössere Härte zu erwarten. Es ist auch denkbar, dass es im Laufe der Zeit an der Zementoberfläche zu einer teilweisen Eluierung der Apatitpartikel kommt, so dass eine feine zusätzliche Oberflächenporosität der Zementhülle entsteht, welche erwartungsgemäss zum Einwachsen neugebildeten Knochens und damit zur Vergrösserung der tragenden Oberfläche mit
Reduzierung des Knochendruckes führt. Der erfindungsgemässe, mit Apatit vermischte Zement kann neben der Prothesenverankerung natürlich auch bei den sog. Verbundosteosynthesen Verwendung finden, d. h. bei der Stabilisienng von Knochen in Verbindung mit sonstigen Osteosynthese mitteln - Platten, Schrauben oder Drähte.
Versuche haben ergeben, dass je nach Anwendungszweck, das heisst Einsatzort und Alter des Patienten, Beimengungen von Apatit zwischen 1-30 Gewichtsprozente gute Resultate liefern, während die Partikelgrössen in einem weiten Bereich zwischen 2 pm und 3 mm schwanken können.
Es ist sehr vorteilhaft, wenn dem Knochenzement ferner Röntgenzusätze, wie beispielsweise Barium salze, beigefügt werden, während Zusätze von sonstigen natürlichen Mineralien nützlich sein können.
Es kann sowohl synthetisch hergestellter Apatit als auch - patit verwendet werden, der aus natürlichen Knochen ewonnen wurde.
Der Knochenzement mit den Apatitzusätzen kann dem Operateur auf verschiedene Weise zur Verfügung gestellt werden. Es ist denkbar, dass reines, herkömmliches Knochenzement genommen wird, welches mit monomerer Mischflüssigkeit, in irgendeinem dem Fall angemessenen Verhältnis, vermengt wird, oder dass organisches Kunststoffpulver und der Apatitanteil in einem bereits bestimmten Mischverhältnis vorliegt, oder dass beide Anteile in Pulverform getrennt vorliegen und in einem gewollten Verhältnis gemischt werden.
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PATENT CLAIMS
1. Bone cement based on autopolymerizing plastics, characterized in that it contains the mineral component of the natural bone tissue, apatite, mixed in particle form.
2. Bone cement according to claim 1, characterized zf c-llnet that the apatite between 1-30 weight percent c-nzachl.
9. . ¯ Still cement according to claim 1, characterized in that it contains apatite which is both synthetically produced and mixed from natural bone.
4. Bone cement according to claim 1, characterized in that it also contains X-ray additives such as barium salts.
The present invention relates to a bone cement based on autopolymerizing plastics.
In orthopedic surgery, the replacement of cellular joints with the help of plastics, the so-called allo plastic, plays an important role. The artificial joint parts are made of different materials. When it was initially implanted in the bone, however, there were multiple anchoring difficulties. It has therefore become common practice since around 1960, especially under the influence of Charnley, to fix the artificial joints in the bone using autopolymerizing bone cements, especially polymethyl methacrylate. The cement introduced in the plastic polymerization phase adapts to the prosthesis parts on the one hand and to the roughness of the bone on the other.
After completion of the polymerization process and hardening of the bone cement, the actual prosthesis body is firmly mechanically interlocked by means of the cement jacket in the bone tissue. The bone cement also has the advantage that, due to its low modulus of elasticity, the deformations and relative movements between the prosthesis and the bone tissue that occur during loading are reduced.
Nevertheless, over time there is usually a separation of the connective tissue of the bone tissue from the bone cement. In addition to mechanical moments, this is primarily due to the heat damage to the bone tissue due to the heat of polymerization and a chemically toxic foreign body reaction due to the release of residual monomers and oligomers. They trigger a delimiting foreign body reaction on the body tissue, which is expressed by defense cells and connective tissue. This means that there is no direct chemical connection between the bones and the prostheses with their cement casings.
It is therefore only a mechanical anchoring ring, which according to previous experience has failed many times over time. The reason is partly to be seen in the fact that the biological delimitation leads to a reduction in the supporting surface and thus to an increase in the specific bone load, since the prosthesis load then hits a smaller bone bed, so that the bone tissue is broken down as a result of overloading. On the other hand, the fatigue strength of the bone cement is often inadequate, particularly in the case of thin, irregular cement shells, so that the cement shell breaks.
As a result, loosening of the prosthesis usually occurs, which gives rise to considerable complaints and ultimately to
Removal of the prosthesis leads to the leaving of a considerable, often painful defect. Apparently, there is also a cement aging in the body environment with degradation of the polymer chains and reduction of the initial cement strength.
In order to avoid the cement problems in alloplasty, there has been a trend in recent years to return to cementless anchoring, in particular using the principle of increasing the surface area with a corresponding load distribution and pressure reduction on the bone bearing, for example according to CH-PS 568753.
However, since the bone tissue of the enlarged prosthesis surface does not primarily fit everywhere, this requires bone adaptation processes, which take many months and require an initial partial relief of the limbs by walking, walking, etc.
In older people who, due to wear and tear, require a particularly large amount of joint replacement, the ability of the bone to react and adapt is often biologically disturbed, especially with osteoporosis, which is common in old age. Older people are also often unable to consistently relieve their limbs.
For this reason, cement-free anchoring has its limits, even with enlarged prostheses. With insufficient bone adjustment and early full loading, prosthesis loosening can also occur. In older people, cement anchoring cannot be avoided despite its disadvantages.
In order to remedy the problems mentioned at the outset, it therefore appears necessary to improve the properties of the bone cement, on the one hand to achieve an increase in mechanical strength, in particular fatigue strength, and on the other hand to increase body tolerance, if possible in such a way that the bone grows the cement surface is possible.
These problems are solved in that the bone cement contains the mineral component of the natural bone tissue, apatite, in particle form. Apatite is chemically
Cas (P04) 3 (OH)
It makes sense to mix the apatite in fine-grained form in order to achieve a certain honeycomb structure in the cement. The bone itself is partly a composite material between fiber structures, collagens and fine-grained apatite; on the other hand, honeycomb structures are also used in material technology, partly to save substance and partly to maintain sufficient strength. A coarse porosity does not seem to make sense, since it leads to a reduction in strength. Since the apatite apparently does not form a chemical bond with the cement, a reduction in the strength of the cement due to chemical influences is unlikely.
The addition of apatite undoubtedly leads to the fact that apatite particles are also present on the contact surface of the cement / apatite mixture with the bone tissue. In this way the surface toxicity of the bone cement is reduced. The bone in this area can also bind to the apatite particles, which improves the attachment of the prosthesis to the bone. In addition, a reduction in the polymer temperature and thus the heat damage and greater hardness can be expected. It is also conceivable that in the course of time there will be a partial elution of the apatite particles on the cement surface, so that a fine additional surface porosity of the cement shell arises which, as expected, contributes to the ingrowth of newly formed bone and thus to the enlargement of the supporting surface
Reduction of bone pressure leads. In addition to anchoring the prosthesis, the cement according to the invention mixed with apatite can of course also be used in so-called composite osteosynthesis, i. H. in the stabilization of bones in connection with other osteosynthesis means - plates, screws or wires.
Tests have shown that, depending on the application, i.e. the place of use and the age of the patient, admixtures of apatite between 1-30 percent by weight give good results, while the particle sizes can vary within a wide range between 2 pm and 3 mm.
It is very advantageous if X-ray additives such as barium salts are also added to the bone cement, while additions of other natural minerals can be useful.
Both synthetically produced apatite and patit, which has been extracted from natural bones, can be used.
The bone cement with the apatite additives can be made available to the surgeon in various ways. It is conceivable that pure, conventional bone cement is used, which is mixed with monomeric mixed liquid, in any ratio appropriate to the case, or that organic plastic powder and the apatite portion are in a predetermined mixing ratio, or that both portions are in powder form separately and to be mixed in a desired ratio.