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Die
Erfindung betrifft ein osteosynthetisches System, bestehend aus
einer Platte mit mehreren Löchern
zur Aufnahme von Knochenschrauben, die im kopfseitigen Bereich mit
einem Außengewinde
versehen sind, mit dem sie in die Löcher einschraubbar sind.
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Bei
der Verwendung dieser Platte wird die Knochenoberfläche zunächst nach
bekannten Operationstechniken aufgeschlossen, die Platte anschließend in
Position gebracht und dann eine sichere Verbindung durch Verschrauben
der Platte mittels Knochenschrauben hergestellt.
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Problematisch
ist dabei die richtige Ausrichtung der Knochenschrauben, um diese
sichere Verbindung zu bewirken.
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Um
auch Defektstellen überwinden
zu können,
ist mit dem
DE 203
17 651 U1 vorgesehen, das osteosynthetisches System so
auszubilden, dass durch entsprechende Gestaltung des Gewindes der in
der Platte vorgesehenen Löcher
und entsprechender Ausbildung des Kopfes der Knochenschrauben, eine
Winkelbeweglichkeit der Knochenschrauben gegenüber der Platte beim Einschrauben
möglich
ist.
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Heutzutage
finden immer häufiger
sogenannte winkelstabile Platten Anwendung in der Traumatologie.
Bei diesen winkelstabilen Implantaten werden die Schrauben/Bolzen
mit einem Kopfgewinde in der Platte stabil verankert. Die prinzipielle
Methode ist dieselbe, wie sie auch im mechanischen System des Fixateur-Externe
Anwendung findet. Die Vorteile dieser "internen" Fixation liegen darin, dass weniger
Stellungsverluste durch Materiallockerungen im Gegensatz zu nicht
winkelstabilen, "konventionellen" Platten auftreten.
Ebenso besteht eine geringere Gefahr für eine Wundheilungsstörung, da
durch den Verschluss der Haut, im Gegensatz zum auch winkelstabilen
transcutanen (durch die Haut gehenden) Fixateur-Externe-System,
das interne Fixations-System nicht permanent kontaminiert wird.
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Die
Knochenbruchheilung wird positiv durch eine bessere Durchblutung
bei geringeren Druckkräften
auf das Periost (Knochenhaut) durch die winkelstabile Platte beeinflusst.
Dies wird durch das Prinzip der Winkelstabilität erreicht, da die Platten
nicht durch Schraubenzugkräfte
auf den Knochen gedrückt
werden, sondern durch die Eigenstabilität des Gesamtsystems gewährt wird.
Dadurch wird das Periost nicht druckgeschädigt. Die Durchblutung des Periost
ist ein wichtiger Faktor gerade bei der Knochenbruchheilung des
alten Menschen.
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Die
erforderliche Abstimmung der Gewinde aufeinander ist aufwendig und
damit kostenintensiv.
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Aktuell
bestehen keine Erkenntnisse über die
notwendige Dimension verwendeter Plattenstärken und Knochenschrauben,
der Schrauben und des Schraubenwinkels in vivo. Die bestehenden
Dimensionierungen verwendeter Implantat-Systeme beruhen auf in vitro
Messungen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein osteosynthetisches System zu schaffen,
das ebenfalls eine Überbrückung von
Defekten gestattet, aber konstruktiv und damit herstellungsbedingt
wesentlich weniger aufwendig ist. Darüber hinaus soll dieses System auch
minimalinvasive Operationstechniken ermöglichen und in vivo Aussagen
liefern.
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Gelöst wird
diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch,
dass die Platte aus einer Vielzahl einzelner, aufeinander liegender,
blechähnlicher
Elemente besteht.
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Unter
dem Begriff „blechähnliches
Element" wird ein
Element verstanden, das bei vorgegebenen Längen- und Querabmessung eine
relativ geringe Dicke aufweist. Die Gesamtdicke der Platte wird
somit durch die Summe der einzelnen aufeinander liegenden bzw. aufeinander
gelegten Einzelelemente, also der Schichten, bestimmt.
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Als
Werkstoff können
dabei Metalle aber auch Nichtmetalle zum Einsatz kommen, wobei dies abhängig ist
von den erforderlichen Festigkeiten und Eigenschaften, zu denen
auch die Körperverträglichkeit
gehört.
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Mit
dem erfindungsgemäßen osteosynthetischen
System ist es nunmehr möglich,
in vivo (im lebenden Körper)
Messungen vorzunehmen, welche die sich ändernden Belastungen des Implantates während und
nach der Ausheilung der Fraktur aufzeigen, und ferner beispielsweise
durch eine gezielte Elektrostimulation über das Implantat auch den
Heilungsprozess direkt zu beeinflussen.
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Das
Implantat kann hierzu mit einer Kraftmessmöglichkeit mit angeschlossener
Signalaufbereitung und Datenübertragung
ausgestattet sein, sowie in ein telemedizinisches Überwachungssystem eingebunden
sein.
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Ferner
kann eine geeignete Sensorik vorgesehen sein, um eine optimale Wundheilung
und -überwachung
zu ermöglichen.
Eine Erweiterung auf die Anwendung der Elektro-Osteostimulation
ist auch möglich.
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Die
gewonnen Messgrößen können dem Arzt
auch mitteilen, wann das Implantat zur Explantation vorgesehen werden
kann, dem Hersteller wird es möglich,
Volumen- und Festigkeitsoptimierte Implantate zu entwickeln.
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Durch
den schichtartigen Aufbau der Platte wird erreicht, dass durch Verschiebung
der einzelnen Elemente relativ zueinander unterschiedliche Einbringwinkel
der Schrauben möglich
sind, also eine winkelvariable Verschraubung erzielt werden kann, die
erst nach der Kompression der die Schichten bildenden Elemente winkelstabil
wird.
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Als
weiterer Vorteil ergibt sich durch die Aufteilung der Platte die
Möglichkeit
zur minimalinvasiven Implantierung, weil dieses Implantat quasi schichtweise
oder Element für
Element durch einen vergleichsweise kleinen Schnitt unter die Haut
geschoben werden kann.
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Unter
Verwendung von moderner transcutaner Datenübertragungstechnik soll die
Erfassung von entstehenden Messwerten bei der Knochenbruchheilung
durch ein implantiertes System in vivo realisiert werden. Dieser
Kräfteverlauf
von entstehenden physikalischen Zug- und Druckkräften sowie Rotationskräften bei
Bewegung wurde bis heute nur mittels Fixateur-Externe-Systemen in
vivo ermittelt. Diese Ergebnisse sind jedoch aufgrund der verschiedenen
Dimensionierungen und Abständen
zum Knochen nicht direkt übertragbar.
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Erfindungsgemäß können die
einzelnen Elemente aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, so
dass Schicht für
Schicht eine besondere Eigenschaft beispielsweise hinsichtlich der
Struktur der Elemente oder deren Festigkeit erzeugbar ist. Selbstverständlich lassen
sich damit auch örtlich
unterschiedliche Eigenschaften erzielen oder örtliche Besonderheiten für die Frakturheilung
berücksichtigen.
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Bei
den heutzutage verwendeten Implantaten werden nahezu ausschließlich isotrope
Werkstoffe (Edelstähle,
Titan und Titanlegierungen) verwendet, die im Gegensatz zu Faserwerkstoffen
in allen Belastungsrichtungen gleiche Festigkeiten aufweisen. Damit
werden Materialfestigkeiten quasi verschwendet. Gleichzeitig wird
der belastungskongruent gewachsene Knochen in Bereichen entlastet,
in denen er unter natürlichen
Bedingungen Belastungen erfährt
bzw. Kräfte
zu tragen hat. Da der Knochen die Eigenschaft hat, auf Belastungen
hin zu wachsen bzw. sich zu verstärken (Sportler haben ein stabileres
Skelett als belastungsarm lebende Menschen), entstehen Knochenheilungsstörungen bis
hin zur Entwicklung von Pseudarthrosen (Entstehung eines unerwünschten
knorpelartigen Zusatzgelenkes) bzw. verzögerte Frakturheilungen.
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Unter
Verwendung moderner Fertigungs- und Beschichtungstechniken lässt sich
ein Implantat mit isotropen biokompatiblen Werkstoffen konzipieren,
welches den anisotropen Eigenschaften des Knochens möglichst
nahe kommt, darüber
hinaus aber auch zulässt,
elektronische Messsysteme zu implementieren und Beschichtungen einzufügen, die sowohl
infektionsverhindernd und/oder heilungsbeschleunigend wirken.
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Im
natürlichen,
unfrakturierten Zustand hat der Knochen Zug- und Druckkräfte sowie
Biege- und Torsionsmomente
zu übernehmen.
Diese werden durch den natürlichen
Aufbau des Knochens (kompakter Teil des Knochens in Faserverbundbaustruktur)
durch entsprechende Ausrichtung der Fasern des kortikalen Knochens
unter Unterstützung
durch spongiösen
Knochen (schaumartige Knochenstruktur, die sich Belastungsgerecht
ausrichtet) optimal übernommen.
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Nach
einer Fraktur werden diese Strukturen zerstört.
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Ein
optimal gestaltetes Implantat zur Frakturheilung hat nun die Aufgabe,
zum Einen alle Frakturelemente zu fassen, um sie wieder in die physiologisch
richtige Position zu bringen, zum Anderen aber auch den biologischen
Strukturen Kräfte
und Momente zu vermitteln, die eine optimale und den natürlichen
ungestörten
Verhältnissen
entsprechende belastungskongruente Heilung zu ermöglichen.
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Durch
den schichtartigen Aufbau können
beliebige 3-dimensionale Strukturen erzeugt werden, die jeweils
auch den Materialverlust der eingebrachten Löcher ausgleichen können, die
Löcher
selbst können
gleich als Gewindelöcher
konzipiert werden, eine Nachbearbeitung entfällt.
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Lösungsbasis
ist die Überlegung
aus der mechanischen Strukturoptimierung, Material nur dort zu platzieren
(Sandwichtechnik, Faserverbundbauansätze), wo auch Kräfte aufgenommen
werden müssen.
Die Natur baut belastungsgerecht und reagiert auch gezielt auf diese.
Der Knochen ist, bezogen auf die mechanischen Eigenschaften ähnlich den
Faserverbundwerkstoffen (Glas-Kohle oder Kevlarfasern) und damit
belastungsoptimiert aufgebaut.
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Ebenso
kann durch gezielte Schwächung einzelner
Implantatsschichten durch z. B. Langlöcher eine quasi Anisotropie
(ungleiches Festigkeits- und Steifigkeitsverhaltens je nach Belastungsrichtung) des
Bauteiles und damit den Belastungsstrukturen des Knochens angepasste
Festigkeit bzw. Steifigkeit erreicht werden. Dies funktioniert natürlich in
allen gewünschten
Richtungen.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich durch die – zunächst vorhandene – Verschieblichkeit
der einzelnen Schichten unter einander. Zum Einen wird damit natürlich eine
minmalinvasive Implantierungsmöglichkeit
gegeben, da dieses Implantat quasi Schichtenweise unter die Haut
geschoben oder gezogen werden kann, zum Anderen werden auch weitere
Schwächen
von winkelstabilen Implantaten aufgehoben werden können.
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Zurzeit
haben diese Implantate vorgegebene Winkel für die Fixierung der Schrauben
bzw. bei Implantaten mit selbstschneidenden Schrauben entstehen
unerwünschte
Partikel die sich im Organismus unkontrolliert verteilen. Mit dem
neuen Implantat werden unterschiedliche Einbringwinkel der Schrauben ermöglicht.
Man kann durch die Verwendung von gezielt unterschiedlichen Schichten
eine winkelvariable Verschraubung durchführen, die erst nach Kompression
des Schichtenpaketes winkelsteif werden.
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Mit
dem erfindungsgemäßen System
ist auch die Beeinflussung von Heilungsprozessen möglich, wenn
einzelne Elemente mit antibiotikahaltigen oder wachstumsfördernden
Mitteln versehen sind.
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Somit
ergeben sich durch das erfindungsgemäße System eine Reihe von Vorteilen,
und zwar
- 1. können alle bisherigen Nachteile
bezüglich
der Anforderungen hinsichtlich der mechanischen Biokompatibilität gelöst werden.
- 2. die Platten bzw. die Elemente können minimalinvasiv (über kurze
Hautschnitte) eingebracht werden.
- 3. können
die starren vorgegebenen Winkel der winkelstabilen Platten während der
Einbringungsphase entfallen, weil erst nach der endgültigen Reposition
der Frakturelemente diese zu einem winkelsteifen System werden.
- 4. die Implantate können
mit einer elektrisch bzw. elektromagnetisch aktivierbaren Sensorik
versehen (Dehnmesstreifen, Sender, Empfänger, Spule) werden, die es
dem behandelnden Arzt erlaubt, sich Informationen über den
Heilungszustand der Fraktur zu verschaffen.
- 5. die Implantate können
elektrisch oder elektromagnetisch so aktivierbar sein, dass eine
sogenannte Elektroosteostimulation (durch Einleitung von elektrischen
bzw. Magnetwellen kann Knochenwachstum induziert werden) möglich ist.
- 6. die Implantate können
mittels unterschiedlicher Beschichtung in die Lage versetzt werden,
Infektionen (bei offenen Frakturen) vorzubeugen bzw. heilungsbeschleunigende
Wirkstoffe freizusetzen.
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Die
Erfindung soll nachfolgend an in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.
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Dabei
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung der Platte des osteosynthetischen Systems,
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2 die
Möglichkeit
der Winkelvariablen Verschraubung,
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3 und 4 zwei
Beispiele für
die Ausgestaltung der die Platte bildenden Elemente,
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5 eine
abgewandelte Form der einzelnen Schichten,
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6 eine
weitere Abwandlung der Form der Platte,
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7–10 Möglichkeiten
zur Begrenzung der Relativbewegung der Elemente und
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11–13 Ausführungen
für die
anisotrope Gestaltung der Platte bzw. Elemente.
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Die
in der 1 schematisch dargestellte Platte 1 besteht
aus einzelnen, schichtweise aufeinander gelegten oder legbaren,
blechähnlichen
Elementen 2.
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Da
diese zunächst
lose aufeinander gelegt sind, kann beim Einschrauben einer Schraube – die durch
den Pfeil angedeutet ist – in
das Loch 3 eine relative Verschiebung der einzelnen Elemente
zueinander erfolgen, so dass eine winkelvariable Einbringung und
damit – nach
der Kompression – winkelsteife
Verschraubung erreichbar ist.
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Der
Aufbau der Platte aus einzelnen blechähnlichen Elementen, also der
schichtartige Aufbau, eröffnet
die Möglichkeit,
einzelnen Elementen besondere Aufgaben oder Wirkungen zukommen zu
lassen.
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Zwei
derartige Beispiele sind in den 3 und 4 dargestellt.
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So
kann auf dem Element 2 ein Dehnungsmessstreifen 4 angeordnet
sein, der – nach
der Implantation der Platte – Aussagen über das
Verhalten der Platte, eventuelle Verformungen oder Bewegungen der
Fraktur und dgl. geben kann.
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Die 4 zeigt
die Möglichkeit
durch Strukturen 5 die Eigenschaften des Elementes und
damit auch der gesamten Platte, beispielsweise hinsichtlich der
Festigkeit, zu beeinflussen.
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5 zeigt,
dass durch die Formgebung der einzelnen Elemente, die die Platte
bilden, die durch die eingebrachten Schraubenlöcher ausgebildete Anisotropie
ausgeglichen werden kann, indem in diesen Bereichen die Größe der einzelnen
Elemente (Breitenerstreckung) verändert wird. Selbstverständlich kann
dies auch durch unterschiedliche Schichtstärken einzelner Elemente berücksichtigt
werden.
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Die 6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für eine
besondere Formgebung der Platte.
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Die 7–10 zeigen
Beispiele für
die Ausbildung der Elemente 2 um deren Relativbewegung
zueinander zu begrenzen. Hierzu sind an der Unterseite des Elementes 2 hakenähnliche
Vorsprünge 6 vorgesehen,
die mit entsprechend positionierten Ausnehmungen 7 in der
Oberseite in dem nächsten
Element in Eingriff bringbar sind, wobei die Abmessungen so gewählt sind,
dass eine gewissen Verschiebbarkeit möglich ist.
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Die
Vorsprünge 6 können durch
Stanzungen und Umbiegung der Laschen erzeugt werden, wobei dann
gleichzeitig die entsprechenden Ausnehmungen 7 entstehen.
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Die 11 bis 13 zeigen
Ausführungsbeispiele
für die
anisotrope Gestaltung der einzelnen Elemente und damit der gesamten,
aus den Elementen zusammengesetzten Platte. Die Anisotropie wird dabei
durch unterschiedliche Materialien, Formen oder Schichtdicken erreicht,
aus denen das einzelne Element patchwork artig zusammengesetzt ist.