CH686341A5

CH686341A5 - The orthopedic implant.

Info

Publication number: CH686341A5
Application number: CH72390A
Authority: CH
Inventors: Howard C Price; Jack E Parr; Michael E Hawkins; Carl H Jacobs
Original assignee: Bristol Myers Squibb Co
Priority date: 1989-03-09
Filing date: 1990-03-07
Publication date: 1996-03-15
Also published as: IT1241681B; CA2011724A1; DE4006714B4; IT9019594A1; FR2644057B1; ES2021966A6; AU5076290A; GB2231800B; DE4006714A1; AU632095B2; IT9019594A0; GB2231800A; JP3103088B2; FR2644057A1; GB9005261D0; JPH02297360A; CA2011724C

Description

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CH 686 341 A5 CH 686 341 A5

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Beschreibung description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein orthopädisches Implantat zur Verwendung bei der chirurgischen Wiederherstellung und/oder Rekonstruktion von humanen Gelenken. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine einzigartige Konstruktion für eine Tibia-Lagerfläche für die Verwendung in der totalen Kniearthroplastie und alternativ für andere Lagerkomponenten in orthopädischen Implantaten. The present invention relates to an orthopedic implant for use in the surgical restoration and / or reconstruction of human joints. In particular, the invention relates to a unique construction for a tibial bearing surface for use in total knee arthroplasty and alternatively for other bearing components in orthopedic implants.

Es war während vielen Jahren in der Kniearthroplastie üblich, die Kniegelenke zu rekonstruieren, indem eine femorale Komponente am distalen Ende einer Femur und eine tibiale Komponente am proximalen Ende der Tibia befestigt wurden. Die Ti-biakomponente bildet eine Lagerfläche mit einer ineinandergreifenden Oberfläche, welche mit der femoralen Komponente eine Gelenkverbindung bildet. Bisher wurde die Lagerfläche aus Polymerflocken oder Polymerpulver konstruiert, welche unter Druck in die gewünschte geometrische Form der Lagerplatte gebracht wurde, hergestellt. Zusätzlich war es möglich, einen Block von geformtem oder extru-diertem Polymer zur gewünschten geometrischen Form zu bearbeiten. Mit Polymerflocken wurden die Polymermoleküle in zufälliger Weise in solcher Art orientiert, dass einige Moleküle, die sich in der Richtung der Gleitbewegung zwischen der femoralen Komponente und der Lagerplatte ausdehnten, während andere Moleküle die verbindende Oberfläche in einem rechten Winkel zur Gleitrichtung durchschneiden. Es wird angenommen, dass die Orientierung der Moleküle in rechtwinkliger Richtung zur Gleitrichtung einen Widerstand der Gleitbewegung bewirkt und dieser Widerstand als Reaktion auf die Gleitbewegung der femoralen Komponente bezüglich der Lagerfläche zu Abnützungsmaterial führt. It has been common in knee arthroplasty for many years to reconstruct the knee joints by attaching a femoral component to the distal end of a femur and a tibial component to the proximal end of the tibia. The Ti-bia component forms a bearing surface with an interlocking surface, which forms a joint connection with the femoral component. So far, the bearing surface was constructed from polymer flakes or polymer powder, which was brought under pressure into the desired geometric shape of the bearing plate. In addition, it was possible to machine a block of molded or extruded polymer into the desired geometric shape. With polymer flakes, the polymer molecules were randomly oriented in such a way that some molecules expanded in the direction of sliding movement between the femoral component and the bearing plate, while other molecules cut through the connecting surface at a right angle to the direction of sliding. It is believed that the orientation of the molecules in a direction perpendicular to the direction of sliding causes resistance to the sliding movement and this resistance results in wear material in response to the sliding movement of the femoral component with respect to the bearing surface.

Die vorliegende Erfindung hat die im Patentanspruch 1 definierte orthopädische Implantatkomponente zum Gegenstand. The subject of the present invention is the orthopedic implant component defined in claim 1.

Die Implantatkomponente enthält eine tibiale Lagerfläche aus Polymerfasern mit einer vorbestimmten Orientierung, wobei die vorbestimmte Orientierung im wesentlichen parallel zur Gleitbewegungsrichtung im Kniegelenk ausgerichtet ist. Die vorbestimmte Orientierung wird durch die Verwendung von in Längsrichtung ausgedehnten Polymerfasern bewirkt, welche gewoben oder in Schichten angeordnet werden und jede Faser aus Molekülen gebildet ist, welche in Längsrichtung ausgedehnt sind. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Mehrzahl von Lagen schichtweise aufeinander-gestapelt, wobei die Fasern jeder gewobenen Schicht in einer vorbestimmten Richtung orientiert sind. Danach verbindet eine Verdichtung die Fasern miteinander und eine Form, die während der Verdichtung verwendet wird, verleiht der äusseren Oberfläche die endgültige Struktur. Insbesondere wird die tibiale Lagerplatte dadurch gebildet, dass eine Vielzahl von geschichteteten ultrahochmolekular-gewichtigen Polyethylenfasern (UHMWPE) zusammengeklebt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird jede Schicht mit einem feinen The implant component contains a tibial bearing surface made of polymer fibers with a predetermined orientation, the predetermined orientation being oriented essentially parallel to the direction of sliding movement in the knee joint. The predetermined orientation is accomplished through the use of longitudinally extended polymer fibers which are woven or layered and each fiber is formed from molecules which are longitudinally extended. In a preferred embodiment, a plurality of layers are stacked on top of one another, the fibers of each woven layer being oriented in a predetermined direction. Then a compaction connects the fibers together and a shape used during the compaction gives the outer surface the final structure. In particular, the tibial bearing plate is formed by gluing together a multiplicity of layered, ultra-high molecular weight polyethylene fibers (UHMWPE). In a preferred embodiment, each layer is fine

Gewebe gebildet und das UHMWPE ist vorzugsweise Spectra 900, das von der Allied Signal Corporation angeboten wird. Das Verdichtungsverfahren umfasst vorzugsweise das Formpressen, es ist jedoch ebenfalls Pultrusion, isostatisches Pressen oder Extrusion zur Verdichtung der Fasern zu verwenden. Fabric formed and the UHMWPE is preferably Spectra 900, which is offered by the Allied Signal Corporation. The compression process preferably includes compression molding, but pultrusion, isostatic pressing or extrusion is also used to compress the fibers.

In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die tibiale Lagerfläche aus einer Kombination von Polymerflockenmaterial und/ oder zerhackten Polymerfasern mit Schichten von gewobenen längsgedehnten Fasern gebildet. Die Schichten werden mit den gehackten Fasern und/ oder dem Flocken material in solcher Weise pressgeformt, dass die ineinandergreifende Oberfläche der tibialen Lagerfläche durch die Schichten von längs ausgedehnten Fasern gebildet wird und die gehackten Fasern und/oder die Polymerflocken als Unterlage der geschichteten längs gedehnten Fasern dienen und von der verbindenden Oberfläche entfernt bleiben. In an alternative embodiment of the present invention, the tibial bearing surface is formed from a combination of polymer flake material and / or chopped polymer fibers with layers of woven longitudinally stretched fibers. The layers are press molded with the chopped fibers and / or the flake material in such a way that the interlocking surface of the tibial bearing surface is formed by the layers of elongated fibers and the chopped fibers and / or the polymer flakes as a base for the layered elongated fibers serve and stay away from the connecting surface.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die tibiale Lagerfläche aus Längsfasern gebildet wird, welche die molekulare Orientierung in Längsrichtung nach dem Pressformen beibehalten. Demzufolge sind die Fasermoleküle in einer Ebene orientiert, welche im wesentlichen parallel zum Zwischenraum zwischen der femoralen Komponente und der Lagerplatte orientiert sind, wobei der Bewegungswiderstand der Grenzfläche reduziert wird. Mit weniger Widerstand wird angenommen, dass das Abnützungsmaterial ebenfalls reduziert wird, wobei die Freisetzung von solchem Abnützungsmaterial in das, das rekonstruierte Kniegelenk umgebende Gewebe reduziert wird. An advantage of the present invention is that the tibial bearing surface is formed from longitudinal fibers which maintain the molecular orientation in the longitudinal direction after the press molding. As a result, the fiber molecules are oriented in a plane which is oriented essentially parallel to the space between the femoral component and the bearing plate, the resistance to movement of the interface being reduced. With less resistance, it is believed that the wear material is also reduced, reducing the release of such wear material into the tissue surrounding the reconstructed knee joint.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein Kniegelenk von vorne, wobei die tibiale Lagerfläche der vorliegenden Erfindung ersichtlich ist. 1 schematically shows a section through a knee joint from the front, the tibial bearing surface of the present invention being evident.

Fig. 2 ist eine Oberansicht der tibialen Lagerfläche und der tibialen Schale gemäss Fig. 1. FIG. 2 is a top view of the tibial bearing surface and the tibial shell according to FIG. 1.

Fig. 3 ist ein Schnitt entlang der Linie 3-3 von Fig. 1. FIG. 3 is a section along line 3-3 of FIG. 1.

Fig. 4 ist eine schematische Illustration des Verfahrens, das für die Konstruktion der tibialen Lagerfläche der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Figure 4 is a schematic illustration of the method used to construct the tibial bearing surface of the present invention.

Fig. 5 ist eine ähnliche Ansicht wie Fig. 3, wobei jedoch eine alternative Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist. FIG. 5 is a view similar to FIG. 3, but showing an alternative embodiment of the invention.

Eine Kniegelenkprothese 10 in Fig. 1 umfasst eine femorale Komponente 12 aus metallischem Material und eine tibiale Komponente 14, welche eine metallische Schale 16 und eine tibiale Lagerfläche 18 enthält. Die femorale Komponente 12 ist an der distalen Femur eines eine Kniegelenkprothese empfangenden Patienten durch ein zweckmässiges Mittel gesichert, wie durch Knochenzement oder durch Einwachsen in den Knochen über eine poröse Oberfläche an der Seite der Komponente im engsten Kontakt mit dem Knochen. In ähnlicher Weise wird die tibiale Komponente 14 an die proximale Tibia durch irgendein zweckmässiges Mittel gesichert, damit die tibiale Schale 16 an der Tibia sicher befestigt ist. Es können gegebenenfalls Stifte A knee joint prosthesis 10 in FIG. 1 comprises a femoral component 12 made of metallic material and a tibial component 14, which contains a metallic shell 16 and a tibial bearing surface 18. The femoral component 12 is secured to the distal femur of a patient receiving a knee prosthesis by an appropriate means, such as by bone cement or by ingrowth into the bone through a porous surface on the side of the component in closest contact with the bone. Similarly, the tibial component 14 is secured to the proximal tibia by any convenient means to secure the tibial cup 16 to the tibia. Pens may be used

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20 eingesetzt werden, um die Fixierung der Tibia zu verbessern. 20 are used to improve the fixation of the tibia.

Die tibiale Schale 16 weist einen umfassenden Rand 22 auf, welcher zusammen mit der Bodenoberfläche 14 die Vertiefung 26 bildet. Die tibiale Lagerfläche 18 passt in die Vertiefung 16 und ist an die Tibiaschale mittels einem zweckmässigen Mittel befestigt, um das Auseinandergehen zu vermeiden. Wenn eine modulare Tibialkomponente gewünscht wird, ist es ebenfalls möglich, die tibiale Schale 16 so zu ändern, dass verschiedene Grössen von tibialen Lagerflächen in der tibialen Schale befestigt werden können, in Abhängigkeit von verschiedenen Grössen von femoralen Komponenten 12. Der obere Umriss der tibialen Lagerfläche umfasst die bogenförmigen Vertiefungen 28 und 30, welche die bogenförmigen kondylären Teile 32 bzw. 34 der femoralen Komponente gleitend umfassen. The tibial shell 16 has a circumferential edge 22 which, together with the bottom surface 14, forms the depression 26. The tibial bearing surface 18 fits into the recess 16 and is fastened to the tibia shell by means of a suitable means in order to avoid the divergence. If a modular tibial component is desired, it is also possible to change the tibial shell 16 so that different sizes of tibial bearing surfaces can be secured in the tibial shell depending on different sizes of femoral components 12. The top outline of the tibial bearing surface includes the arcuate depressions 28 and 30 which slidably encompass the arcuate condylar portions 32 and 34, respectively, of the femoral component.

Zur Bildung der tibialen Lagerfläche 18, wird eine Vielzahl von längsgedehnten Fasern in eine Stofflage 40 (Fig. 4) in solcher Weise gewoben, dass die Faserorientierung durch das Webemuster aufrechterhalten wird und jede einzelne Faser 36 sich über die Breite oder Länge der Lage 40 ausdehnt. Wie in Fig. 2 dargestellt, dehnen sich die Fasern 36 in lateral/medialer Richtung und in einer anterior/posterioren Richtung aus. Die Dimension der Länge und Breite ist ungefähr gleich, wie die maximale Dimension der Länge und Breite der tibialen Lagerplatte 18. Eine Vielzahl von Lagen 40 ist übereinander gestapelt, wie in Fig. 4 angegeben, zwischen einer Prägeplatte 42 und einer Lehre 44. Die Prägeplatte 42 umfasst eine äussere Oberfläche 46, die in ihrem Umriss identisch ist mit dem Umriss der bogenförmigen Vertiefungen 28 und 30, so dass, wenn der Prägestempel 42 gegen die Vielzahl der Schichten 40 gepresst wird, dem von der Schablone entfernten Stück die bogenförmigen Vertiefungen 28 und 30 verliehen werden. Wenn der Stempel 42 beim Pressformverfahren gegen die Schichten 40 gepresst wird, sind die Schablone 44 und der Stempel 42 zweckmässigerweise mit Heizelementen versehen, um die Fasern auf eine Temperatur zu erwärmen, welche das Schmelzen und Verdichten aller Fasern ermöglicht, ohne dass die Identität der meisten Einzelfasern verloren geht. Nachdem der Pressstempel der Vielzahl von erwärmten Schichten 40 einen Umriss verliehen hat, ist die tibiale Fläche 18 als starre Struktur aus der Vielzahl von Schichten 40 geformt. Die tibiale Lagerplatte 18 wird dann von der Schablone 44 entfernt und abschliessend bearbeitet, um Grate zu entfernen und/oder der tibialen Lagerfläche 18 die endgültige Geometrie zu verleihen, bevor sie mit der tibialen Schale 14 verwendet wird. To form the tibial bearing surface 18, a plurality of longitudinally stretched fibers are woven into a fabric layer 40 (FIG. 4) in such a way that the fiber orientation is maintained by the weave pattern and each individual fiber 36 extends across the width or length of the layer 40 . As shown in FIG. 2, the fibers 36 expand in the lateral / medial direction and in an anterior / posterior direction. The dimension of the length and width is approximately the same as the maximum dimension of the length and width of the tibial bearing plate 18. A plurality of layers 40 are stacked one above the other, as indicated in FIG. 4, between an embossing plate 42 and a gauge 44. The embossing plate 42 includes an outer surface 46 which is identical in outline to the outline of the arcuate depressions 28 and 30 so that when the die 42 is pressed against the plurality of layers 40, the piece removed from the stencil will have the arcuate depressions 28 and 30 will be awarded. When the die 42 is pressed against the layers 40 in the compression molding process, the template 44 and the die 42 are expediently provided with heating elements in order to heat the fibers to a temperature which enables all fibers to be melted and compacted without the identity of most of them Individual fibers are lost. After the die has given the plurality of heated layers 40 an outline, the tibial surface 18 is formed as a rigid structure from the plurality of layers 40. The tibial bearing plate 18 is then removed from the template 44 and finally processed to remove burrs and / or to give the tibial bearing surface 18 the final geometry before it is used with the tibial shell 14.

In einer gemäss dem obigen Verfahren hergestellten, tibialen Lagerfläche 18 kann eine wesentliche Zahl von individuellen Fasern innerhalb der festen Struktur festgestellt werden, so dass es möglich ist, ein Gewebe oder ein Orientierungsmuster in der tibialen Lagerplatte 18 festzustellen. Es muss in Betracht gezogen werden, dass eine solche Identifikation, die visuelle Prüfung, Lichtstreutechniken, Röntgen-Difraktion oder Mikroskopie mit polarisiertem Licht umfassen kann. Eine zweckmässige Faser für die Konstruktion der tibialen Lagerfläche 18 ist Spectra 900-Polyethylen (ANied Signal Corporation) mit einer Dichte von 0,97 g/cm3 und einem Faserdurchmesser von 38 (im. Alternativ ist es ebenfalls möglich, eine tibiale Lagerfläche 18 aus Spectra 1000-Polyethylen (Allied Signal Corporation) mit einer Dichte von 0,97 g/cm3 und einem Faserdurchmesser von 20 bis 25 jim zu konstruieren. Jede Lage von Faserstoff 40 ist ebenfalls erhältlich von Allied Signal Corporation in Stofform als «Spectra 900 Piain Weave S902 Scoured cloth». In a tibial bearing surface 18 produced according to the above method, a substantial number of individual fibers can be determined within the fixed structure, so that it is possible to determine a tissue or an orientation pattern in the tibial bearing plate 18. It must be considered that such identification may include visual inspection, light scattering techniques, X-ray diffraction, or polarized light microscopy. A suitable fiber for the construction of the tibial bearing surface 18 is Spectra 900 polyethylene (ANied Signal Corporation) with a density of 0.97 g / cm 3 and a fiber diameter of 38 (im. Alternatively, it is also possible to use a tibial bearing surface 18 made of Spectra To construct 1000 polyethylene (Allied Signal Corporation) with a density of 0.97 g / cm3 and a fiber diameter of 20 to 25 µm Each layer of fiber 40 is also available from Allied Signal Corporation in fabric form as "Spectra 900 Piain Weave S902 Scoured cloth ».

In der alternativen Ausführungsform von Fig. 5 umfasst die tibiale Lagerfläche 118 eine Vielzahl von gewobenen Schichten 140 aus längsgedehnten Fasern an der Gelenkfläche 128. Ein erster Bereich 102 ist aus längsgedehnten Fasern hergestellt und einer zweiter Bereich 104 ist aus gehackten Polymerfasern und/oder Polymerflocken 106 hergestellt. Die Tiefe des ersten Bereiches 102 ist geringer, als die Tiefe des zweiten Bereiches, so dass nur der Bereich der tibialen Lagerfläche, die unmittelbar an die Gelenkfläche 168 grenzt mit den gewobenen, aus längsgedehnten Fasern bestehenden Schichten versehen ist. In the alternative embodiment of FIG. 5, the tibial bearing surface 118 includes a plurality of woven layers 140 of elongated fibers on the hinge surface 128. A first region 102 is made of elongated fibers and a second region 104 is made of chopped polymer fibers and / or polymer flakes 106 manufactured. The depth of the first region 102 is less than the depth of the second region, so that only the region of the tibial bearing surface, which immediately adjoins the articular surface 168, is provided with the woven layers consisting of elongated fibers.

Obschon die obige Beschreibung sich auf eine tibiale Lagerfläche bezieht, fällt die Konstruktion von anderen Polymer tragenden Komponenten unter den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise enthält eine Hüftgelenkprothese eine Metallschale für ihre Befestigung am Acetabulum und ein Polymerlager in der Metallschale für die eingreifende Befestigung mit einem Kopf einer Hüftgelenkprothese. Dieses Polymerlager kann ebenfalls aus einer Vielzahl von längsgedehnten Polymerfasern mit einer entsprechenden Schablone und einem Prägestempel gebildet werden, damit die zweckmässigen Umrisse für das Zusammenspiel mit der Metallschale und der Hüftgelenkprothese entsteht. Zusätzlich können andere Polymere anstelle von Polyethylen verwendet werden, solange das Polymermaterial in Faserform erhältlich ist. Although the above description relates to a tibial bearing surface, the construction of other polymer-bearing components is within the scope of the present invention. For example, a hip joint prosthesis contains a metal shell for its attachment to the acetabulum and a polymer bearing in the metal shell for the engaging attachment with a head of a hip joint prosthesis. This polymer bearing can also be formed from a large number of longitudinally stretched polymer fibers with a corresponding template and an embossing stamp, so that the appropriate outlines for the interaction with the metal shell and the hip joint prosthesis are created. In addition, other polymers can be used in place of polyethylene as long as the polymer material is available in fiber form.

Claims

1. Orthopedic implant which defines a dimensionally stable bearing surface, characterized in that it contains a polymer which has individual, longitudinally extending polymer fibers which are arranged such that they define the bearing surface in such a way that it is suitable as an articular bearing surface .

2. Implant according to claim 1, characterized in that the majority of the polymer fibers are oriented essentially parallel to the intended direction of sliding movement of the joint.

3. Implant according to claim 1 or 2, characterized in that the polymer fibers form a plurality of layers which are stacked on top of one another in order to form the bearing surface.

4. Implant according to one of claims 1 to

3, characterized in that the polymer fibers are polyethylene fibers.

5. Implant according to one of claims 1 to

4, characterized in that it is in the form of a

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Has tibial arthroplasty component and is composed of polymer fibers, the majority of the fibers being oriented substantially parallel to the bearing surface, the number of fibers crossing the bearing surface being minimal.

6. Implant according to one of claims 1 to 5, characterized in that the fibers are arranged in a weave pattern.

7. Implant according to claim 5, characterized in that it has a bearing surface which is suitable for the sliding engagement with a femoral component, the bearing surface having a laminated structure which contains a plurality of fiber layers which are connected to one another.

8. Implant according to claim 7, characterized in that the fiber layers have an orientation.

9. Implant according to claim 8, characterized in that the fiber layers arranged in one orientation contain fibers which are arranged essentially parallel to the upper surface.

10. Implant according to claim 1, characterized by a plurality of longitudinally extending polymer fibers, which abuts the dimensionally stable bearing surface and polymer in another form, which is removed from the bearing surface, the polymer fibers with the polymer in a different form to form a rigid structure are fused.

11. The implant according to claim 10, characterized in that the plurality of fibers extending in the longitudinal direction take up less volume in the implant than the polymer in another form.

12. Implant according to claim 10, characterized in that the fibers extending in the longitudinal direction are arranged such that they form individual layers of fibers and the layers are fused together.

13. Implant according to claim 10, characterized in that the polymer is in a different form than chopped polymer fibers or polymer flakes.

14. A method for producing an orthopedic implant according to one of claims 1 to 13, characterized in that:

a) a plurality of polymer fibers are arranged to form a plurality of fiber layers, and b) the fiber layers obtained are compacted by fusing them together while maintaining the orientation.

15. The method according to claim 14, characterized in that in step b) at least 20 fiber layers are compressed by compression molding.

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