DE102006047663A1

DE102006047663A1 - Augmentationskomponente für Knochenimplantate

Info

Publication number: DE102006047663A1
Application number: DE102006047663A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl.-Ing.(FH) Blömer; Richard Dr. Ing. Dr. Zeller; Jens Dipl.-Ing. Schneider; Jens Dipl.-Ing. Beger; Patricia Dipl.-Ing. Graf
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-04-03
Also published as: DE202006015416U1; WO2008040408A1

Abstract

Um bei einer Augmentationskomponente für Knochenimplantate, insbesondere für Femur- oder Tibiaimplantate, mit einer metallischen porösen Struktur und mit mindestens einer Öffnung für ein die Augmentationskomponente am Knochenimplantat festlegendes Befestigungselement die Festigkeit einerseits zu gewährleisten und andererseits ein optimales Einwachsen von Knochenmaterial zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die Augmentationskomponente aus einem dreidimensionalen Gerüst aus miteinander verbundenen Stegen aufgebaut ist, die untereinander verbundene Hohlräume mit einer Größe zwischen 0,5 mm und 6 mm ausbilden. Außerdem wird ein Knochenimplantat beschrieben, welches mit einer derartigen Augmentationskomponente verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Augmentationskomponente für Knochenimplantate, insbesondere für Femur- oder Tibiaimplantate, mit einer metallischen, porösen Struktur und mit mindestens einer Öffnung für ein die Augmentationskomponente am Knochenimplantat festlegendes Befestigungselement.
Bei der Implantation von Knochenimplantaten, die an Stelle des natürlichen Knochens in den Körper eingesetzt werden und Knochendefekte ausgleichen sollen, ergibt sich häufig das Problem, daß zwischen dem Knochenimplantat einerseits und dem natürlichen Knochen andererseits Defekträume verbleiben, die von dem Knochenimplantat nicht ausgefüllt und ersetzt werden können. Diese verbleibenden Knochendefekte müssen ausgefüllt werden, um eine ausreichende Stabilität zu erreichen und um das Knochenimplantat am Knochen vollflächig anlegen zu können.
Es ist bekannt, derartige Defekte zwischen einem Knochenimplantat und dem Knochen durch massive, metallische Formkörper auszufüllen, sogenannte Augmentationskomponenten. Diese können die unterschiedlichsten Formen aufweisen, beispielsweise in Form von Platten, Keilen, Zylindern etc. vorliegen, und sie können Öffnungen aufweisen, durch die Befestigungsmittel, beispielsweise Schrauben, hindurchgreifen, durch die diese Augmentationskomponenten an den entsprechenden Implantaten festgelegt werden. ( US 6,387,131 ; Firmenkatalog OSS FEMURAL/TIBIAL AUGMENTATION der Firma Biomed Orthopedics, Inc. 2003; Firmenprospekt Orthopedic Catalogue, Reconstructive Surgery Knee Systems der Firma Smith & Nephew, 2003).
Bei der Verwendung von Augmentationskomponenten, die aus einem metallischen Vollmaterial bestehen, kann in dem von ihnen eingenommenen Bereich keine Neubildung von Knochen einsetzen. Durch Osteolyse kann es sogar zu einer Defektvergrößerung kommen, und dies kann sich kritisch auf die Langzeitstabilität des Implantates auswirken.
Neben diesen metallischen Augmentationskomponenten aus Vollmaterial werden zum Auffüllen knöcherner Defekte auch Knochenersatzmaterialien biologischen oder synthetischen Ursprungs verwendet. Bei der Verwendung von Materialien biologischen Ursprungs ist die schlechte Verfügbarkeit von Nachteil, außerdem bei autologen Implantaten die zusätzliche Belastung des Patienten durch Entnahme von Knochenmaterial aus einem anderen Körperteil. Es werden daher auch zunehmend synthetische, keramische oder metallische Knochenersatzmaterialien eingesetzt, die eine poröse Struktur aufweisen (Firmenprospekt The actipore.PLF System der Firma Biorthex, Inc., 2002). Bei den nichtmetallischen Augmentationskomponenten reicht häufig die Festigkeit im lasttragenden Bereich des Knochens nicht aus, und bei den metallischen porösen Augmentationskomponenten ergibt sich das Problem, daß bei ausreichender Festigkeit die Größe der Poren klein ist, da eine relativ große Wandstärke notwendig ist, um die mechanische Stabilität zu gewährleisten. Es steht daher nur sehr wenig Volumen für das Einwachsen des Knochens zur Verfügung.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Augmentationskomponente so auszugestalten, daß sie einerseits in hohem Maße lastverträglich ist und zum anderen große Volumina für das Einwachsen von Knochensubstanz zur Verfügung stellt.
Diese Aufgabe wird bei einer Augmentationskomponente der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Augmentationskomponente aus einem dreidimensionalen Gerüst aus miteinander verbundenen Stegen aufgebaut ist, die miteinander verbundene Hohlräume mit einer Größe zwischen 0,5 mm und 6 mm ausbilden.
Die Ausgestaltung eines dreidimensionalen Gerüstes aus miteinander verbundenen Stegen ermöglicht es, bei äußerst geringem Materialaufwand der Augmentationskomponente ein sehr stabiles Gerüst auszubilden, das auch hohe Lasten aufnehmen kann, das aber andererseits durch das Fehlen von durchgehenden Wänden und durch die Verwendung von Stegen nach Art eines Fachwerkes sehr viele Durchbrüche aufweist und somit auch relativ große Hohlräume ausbildet, die miteinander verbunden sind. Dieses fachwerkähnliche, dreidimensionale Gerüst bietet damit eine optimale Stützstruktur für die Auffüllung von Knochendefekten und bildet somit eine Leitschiene für das Einwachsen des Knochenmaterials, das den größten Teil des Defektes mit Knochensubstanz ausfüllen kann, da die metallischen Stege der Stützstruktur nur ein sehr geringes Volumen des Knochendefektes ausfüllen.
Die Stege können beispielsweise eine Dicke zwischen 0,2 mm und 2,5 mm aufweisen.
Die relative Dichte der Augmentationskomponente kann zwischen 0,05 und 0,5 liegen. Unter der relativen Dichte versteht man die Dichte des zellulären Materials geteilt durch die Dichte des Feststoffes, aus dem die Stege bestehen.
Die Augmentationskomponente besteht aus einem körperverträglichen metallischen Werkstoff, beispielsweise aus Titan, einer Titanlegierung oder einer Kobaltlegierung.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, daß die Stege mit einer Beschichtung versehen sind, beispielsweise mit einer resorbierbaren Kalzium-Phosphat-Schicht, die das Knochenwachstum stimuliert.
Die Größe der Hohlräume innerhalb der Augmentationskomponente kann gleich sein, bei einer bevorzugten Ausführungsform ist jedoch vorgesehen, daß die Größe der Hohlräume innerhalb der Augmentationskomponente variiert.
Dabei können über das gesamte Volumen der Augmentationskomponente Hohlräume unterschiedlicher Größe gleichmäßig verteilt sein, es ist aber auch möglich, daß sich die Größe der Hohlräume von einem Bereich der Augmentationskomponente zu einem anderen Bereich der Augmentationskomponente ändert. Dadurch ist es insbesondere möglich, die mechanischen Eigenschaften der Augmentationskomponente über ihr Volumen zu variieren, beispielsweise zur Anpassung der mechanischen Eigenschaften an die mechanischen Eigenschaften des benachbarten Knochenmaterials. Durch diese Anpassung kann vermieden werden, daß durch zu hohe Festigkeit der Augmentationskomponente das benachbarte Knochenmaterial durch Osteolyse geschädigt wird.
Die Größe der Hohlräume kann sich dabei beim Übergang von einem Bereich zu einem anderen Bereich allmählich oder auch sprunghaft ändern.
Weiterhin ist es günstig, wenn die Augmentationskomponente im Bereich der Öffnung keine Hohlräume aufweist, sondern kompakt ausgebildet ist. Im Bereich der Öffnung, die der Festlegung der Augmentationskomponente an einem Implantat dient, beispielsweise durch eine die Öffnung durchsetzende Schraube, ergibt sich dadurch eine besonders hohe Festigkeit der Augmentationskomponente, die zu einer sicheren und unveränderbaren Festlegung der Augmentationskomponente an dem Implantat führt.
Günstig ist es, wenn die Augmentationskomponente in ihren Außenabmessungen den Außenabmessungen des Knochenimplantates entspricht, an dem sie durch das Befestigungselement gehalten ist. Damit bildet die Augmentationskomponente eine Fortsetzung der Implantatteile in den jeweiligen Knochendefekt hinein.
Eine gitterartige Struktur, wie sie bei der beschriebenen Augmentationskomponente zu Anwendung kommt, kann an ihren Außenflächen ohne weiteres in beliebiger Form bearbeitet werden, so daß die Augmentationskomponente nicht nur an die Außenabmessungen des Knochenimplantats angepaßt werden kann, sondern auch an die genaue Struktur des auszufüllenden Knochendefektes.
Beispielsweise kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Augmentationskomponente plattenförmig ausgebildet sein als Unterlage für ein Tibiaplateau eines Tibiaimplantates.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Knochenimplantat, insbesondere ein Femur- oder Tibiaimplantat, welches mit einer Augmentationskomponente der vorstehend beschriebenen Art verbunden ist.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
1: eine schematische Ansicht eines Tibiaimplantates mit einer plattenförmigen Augmentationskomponente vor dem Zusammenfügen und dem Aufsetzen auf einen Tibiakopf;
2: eine Querschnittsansicht der Augmentationskomponente der 1 in Richtung des Pfeiles 2 in 1 und
3: eine vergrößerte Detailansicht der dreidimensionalen Gitterstruktur der Augmentationskomponente der 2 im Bereich A der 2.
Die Erfindung wird nachstehend am Beispiel eines Tibiaimplantats 1 erörtert, welches auf den Tibiakopf 2 einer entsprechend resezierten Tibia 3 aufgesetzt wird. Es versteht sich aber, daß die Erfindung auch Anwendung findet bei anderen Knochenimplantaten, die an Knochen angeordnet werden, um Knochen defekte zu überbrücken, insbesondere bei Gelenkprothesen im Bereich des Kniegelenkes oder des Hüftgelenkes. Auch bei Knochenersatzimplantaten, die zur Überbrückung von Defekten des Femur oder der Tibia eingesetzt werden, kann die Erfindung Anwendung finden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfaßt das Tibiaimplantat 1 ein plattenförmiges Tibiaplateau 4 mit einem senkrecht nach unten abstehenden Schaft 5. Dieser Schaft 5 taucht bei einem an der Tibia 3 festgelegten Tibiaimplantat 1 in eine entsprechend in die Tibia 3 eingearbeitete, schachtförmige Ausnehmung 6 ein und positioniert dadurch das Tibiaimplantat 1. Auf dem Tibiaplateau 4 werden in an sich bekannter und in der Zeichnung nicht dargestellter Weise Gelenkkomponenten aufgelegt, die die Funktion des Meniskus übernehmen, beispielsweise ein Gelenkflächenteil aus ultrahochmolekulargewichtigem Polyethylen (UHWM-PE), auf dem sich dann die Kondylen eines am Femur festgelegten Femurimplantates abstützen, das in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellt ist.
An der Unterseite des Tibiaplateaus 4 ist eine plattenförmige Augmentationskomponente 7 angeordnet, die zur Überbrückung eines Knochendefektes zwischen der Unterseite des Tibiaplateaus 4 und der Oberseite des Tibiakopfes 2 dient und die einerseits flächig an der Unterseite des Tibiaplateaus 4 und andererseits flächig an der Oberseite der Tibia 3 anliegt. Die Augmentationskomponente 7 weist eine zentrale Durchbrechung 8 auf, durch die der Schaft 5 hindurchragt, sowie zwei durchgehende Öffnungen 9, 10, durch die Schrauben 11, 12 hindurchgesteckt sind, die in den Tibiakopf 2 eingeschraubt werden können und dadurch die Augmentationskomponente 7 fest und dauerhaft mit dem Tibiaplateau 4 verbinden, zum Beispiel durch Verklemmen der Augmentationskomponente 7 zwischen dem Tibiaplateau 4 und dem Tibiakopf 2.
Die Außenkontur der Augmentationskomponente 7 ist an die Außenkontur des Tibiaplateaus 4 angepaßt, das heißt die Außenkontur der Augmentationskomponente 7 folgt der Außenkontur des Tibiaplateaus 4, so daß die Augmentationskomponente 7 seitlich nicht über das Tibiaplateau 4 hervorsteht, den Zwischenraum zwischen Tibiaplateau 4 und Tibia 3 jedoch vollständig ausfüllt.
Die Höhe der Augmentationskomponente 7 hängt von der Größe des Knochendefektes ab und kann unterschiedlich gewählt werden, so daß das Tibiaplateau 4 des Tibiaimplantats 1 gegenüber der Tibia 3 die gewünschte Position einnimmt. Hierzu können unterschiedlich dicke Augmentationskomponenten 7 zur Verfügung stehen.
Die Augmentationskomponente 7 besteht aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise aus Titan oder einer Titanlegierung, insbesondere aus Ti6Al4V, oder einer Kobaltlegierung.
Sie ist aufgebaut aus einer Vielzahl von Stegen 13, die miteinander so verbunden sind, daß eine dreidimensionale Gitterstruktur entsteht mit benachbarten Hohlräumen 14, die miteinander in Verbindung stehen.
Die Stege können dabei einen Durchmesser zwischen 0,2 mm und 2,5 mm aufweisen, ihre Länge ist so bemessen, daß die Größe der von ihnen ausgebildeten Hohlräume zwischen 0,5 mm und 6 mm liegt. Es ist möglich, daß die Stege alle gleich groß und regelmäßig angeordnet sind, so daß sich über das Volumen der Augmentationskomponente eine gleichmäßige Verteilung von Hohlräumen gleicher Größe ergibt, die Stege 13 können aber auch unterschiedlich lang und unregelmäßig angeordnet sein, so daß die Größe der Hohlräume variiert. Diese Variation kann so erfolgen, daß unterschiedlich große Hohlräume gleichmäßig über das gesamte Volumen der Augmentationskomponente 7 verteilt sind, es ist aber auch möglich, daß sich die Größe der Hohlräume von einem Bereich der Augmentationskomponente 7 zu einem anderen verändert, entweder allmählich oder gegebenenfalls auch sprunghaft. Dadurch läßt sich eine Anpassung der Festigkeitseigenschaften erreichen.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind Stege 13 gleicher Länge und in regelmäßiger Anordnung vorgesehen. In dieser Struktur bilden die Stege einzelne Traversen 15 aus, in denen jeweils gleich lange Stege 13 alternierend um 120° geneigt an benachbarte Stege anschließen. In einer Traverse laufen also die Stege abwechselnd unter einem Winkel von 30° nach oben und nach unten.
In einer Ebene sind eine Vielzahl derartiger Traversen 15 parallel zueinander verlaufend angeordnet. Unterhalb dieser ersten Ebene verlaufen in einer darunterliegenden Ebene in gleicher Weise aufgebaute Traversen senkrecht zu den Traversen der obersten Ebene, und zwar derart, daß ihre jeweils am höchsten liegenden Punkte mit den jeweils am niedrigsten liegenden Punkten der Traversen in der darüberliegenden Ebene zusammentreffen. In diesem Bereich sind die senkrecht zueinander verlaufenden Traversen verbunden.
In gleicher Weise schließt sich darunter eine Ebene an, in der wieder senkrecht zu der darüberliegenden Ebene verlaufende Traversen angeordnet sind, die ebenfalls in gleicher Weise mit den darüberliegenden Traversen verbunden sind.
Man erhält auf diese Weise eine komplizierte und regelmäßige dreidimensionale Struktur, die unter 45° zu den jeweiligen Traversen betrachtet eine Wabenstruktur aufweist mit durchgehenden Kanälen mit einem Querschnitt in Form eines regelmäßigen Sechsecks.
Eine solche sehr komplizierte Struktur gibt der Augmentationskomponente eine große Festigkeit und erlaubt trotzdem ein vollständiges Durchwachsen mit Knochenmaterial, so daß die von Knochenmaterial durchwachsene Augmentationskomponente zum allergrößen Teil aus Knochenmaterial besteht, beispielsweise liegt der Anteil des Knochenmaterials dabei in der Größenordnung von 50% bis 95%, während das metallische Material der Augmentationskomponente nur bei 5% bis 50% liegt.
Derartige komplexe Gitterstrukturen lassen sich beispielsweise mit einer Elektronenstrahl-Schmelzmethode schichtweise aufbauen, bei der mittels eines gesteuerten Elektronenstrahls Metallpulver schichtförmig an den Stellen aufgeschmolzen wird, an denen die Gitterstruktur durch die jeweilige Ebene hindurchläuft. Durch den schichtweisen Aufbau können auch sehr komplizierte Verläufe der Stege in der dreidimensionalen Struktur hergestellt werden, und der auf diese Weise entstehende Formkörper kann auch bereits an die Außenkontur des Implantates angepaßt werden.
Grundsätzlich ist es aber auch möglich, einen solchen Formkörper außenseitig nachzubearbeiten, um eine entsprechende Außenkontur zu erreichen.
Während die Augmentationskomponente 7 im dargestellten Ausführungsbeispiel im gesamten Bereich Hohlräume aufweist, kann vorgesehen sein, daß im Randbereich 16 der Öffnungen 9, 10 keine Hohlräume vorgesehen sind, sondern eine kompakte Ausgestaltung. Dadurch wird im Bereich der Öffnungen 9, 10 eine besonders hohe Festigkeit erreicht, so daß die durch die Öffnungen 9, 10 hindurchreichenden Schrauben 11, 12 die Augmentationskomponente 7 am Tibiaimplantat 1 sicher und dauerhaft festlegen können.
Durch die Anpassung der Außenkontur der Augmentationskomponente an die Außenkontur des Tibiaplateaus erhält man nach der Festlegung der Augmentationskomponente 7 am Tibiaplateau 4 eine Baueinheit eines Implantates, bei dem ein schichtförmig aufgebautes Implantatoberteil entsteht, welches gebildet ist aus dem kompakten Tibiaplateau 4 einerseits und dem gitterförmig aufgebauten Gerüst der Augmentationskomponente 7 andererseits. Diese Baueinheit kann vom Operateur gehandhabt werden wie ein Tibiaimplantat mit einem Tibiaplateau 4 größerer Stärke, und er hat außerdem die Möglichkeit, durch Verbindung des Tibiaplateaus 4 mit Augmentationskomponenten 7 unterschiedlicher Dicke eine Anpassung der Dicke des Oberteils des Implantates vorzunehmen.
Die beschriebene komplexe dreidimensionale Gitterstruktur verleiht der Augmentationskomponente 7 eine so hohe mechanische Festigkeit, daß alle Lasten von dem Tibiaplateau 4 über die Augmentationskomponente 7 auf die Tibia 3 übertragen werden können, auch wenn noch kein Knochen eingewachsen ist. Andererseits ist nach der vollen Durchdringung der Augmentationskomponente 7 durch Knochensubstanz die natürliche Tragfunktion des Knochens wieder hergestellt, und die Gitterstruktur der Augmentationskomponente 7 kann dabei so ausgebildet sein, daß ihre mechanische Festigkeit der Festigkeit der eingebauten Knochensubstanz entspricht, so daß hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften eine homogene Struktur entsteht.

Claims

Augmentationskomponente für Knochenimplantate, insbesondere für Femur- oder Tibiaimplantate, mit einer metallischen, porösen Struktur und mit mindestens einer Öffnung für ein die Augmentationskomponente am Knochenimplantat festlegendes Befestigungselement, dadurch gekennzeichnet, daß die Augmentationskomponente (7) am Knochenimplantat (1) aus miteinander verbundenen Stegen (13) aufgebaut ist, die untereinander verbundene Hohlräume (14) mit einer Größe zwischen 0,5 mm und 6 mm ausbilden.
Augmentationskomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (13) eine Dicke zwischen 0,2 mm und 2,5 mm aufweisen.
Augmentationskomponente nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Dichte der Augmentationskomponente (7) zwischen 0,05 und 0,5 liegt.
Augmentationskomponente nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Augmentationskomponente (7) aus Titan, einer Titanlegierung oder einer Kobaltlegierung besteht.
Augmentationskomponente nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (13) mit einer Beschichtung versehen sind.
Augmentationskomponente nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Hohlräume (14) innerhalb der Augmentationskomponente (7) variiert.
Augmentationskomponente nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Hohlräume (14) von einem Bereich der Augmentationskomponente (7) zu einem anderen Bereich der Augmentationskomponente (7) ändert.
Augmentationskomponente nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Größe der Hohlräume (14) beim Übergang von einem Bereich zu einem anderen Bereich allmählich ändert.
Augmentationskomponente nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Größe der Hohlräume (14) beim Übergang von einem Bereich zu einem anderen Bereich sprunghaft ändert.
Augmentationskomponente nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Augmentationskomponente (7) im Bereich der Öffnungen (9, 10) keine Hohlräume aufweist, sondern kompakt ausgebildet ist.
Augmentationskomponente nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Augmentationskomponente (7) in ihren Außenabmessungen den Außenabmessungen des Knochenimplantates (1) entspricht, an dem sie durch das Befestigungselement (11, 12) gehalten ist.
Augmentationskomponente nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Augmentationskomponente (7) plattenförmig ausgebildet ist als Unterlage für ein Tibiaplateau (4) eines Tibiaimplantats (1).
Knochenimplantat, insbesondere Femur- oder Tibiaimplantat, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer Augmentationskomponente (7) nach einem der voranstehenden Ansprüche verbunden ist.