DE102014114163A1 - implant - Google Patents
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Abstract
Ein Implantat (13) zum Ersatz bzw. Ergänzung von Knochenteilen hat einen Implantatkörper (21) aus i. w. massiven Material, wie Metall, und mit einer offenporige, dem Knochen (12) zugewandte Grenzfläche (14). An die Grenzfläche (14) schließt sich ein Übergangsbereich (22) zwischen Knochen (12) und Implantatkörper (21) an, dessen Elastizität in Abhängigkeit von seinem Abstand von dem Implantatkörper (21) veränderlich ist. Dabei nimmt die Elastizität des Übergangsbereiches (22) vom Implantatkörper (21) zum Knochen (12) hin ab. Der Übergangsbereich (22) bildet also einen i. w. fließenden Übergang der Elastizität zwischen Implantatkörper (21) und Knochen (12). Das Implantat incl. des Übergangsbereiches ist vorzugsweise generativ, z. B. durch Selektives Laser-Schmelzen (SLM) hergestellt.An implant (13) for replacement or supplementation of bone parts has an implant body (21) of i. w. solid material, such as metal, and with an open-pore, the bone (12) facing interface (14). Adjoining the interface (14) is a transition region (22) between the bone (12) and the implant body (21), the elasticity of which is variable as a function of its distance from the implant body (21). The elasticity of the transition region (22) from the implant body (21) to the bone (12) decreases. The transition region (22) thus forms an i. w. smooth transition of elasticity between the implant body (21) and bone (12). The implant incl. The transition region is preferably generative, z. B. by selective laser melting (SLM).
Description
Die Erfindung betrifft ein Implantat zum Ersatz bzw. Ergänzung von Knochenteilen mit einem Implantatkörper aus i. w. massivem Material, wie Metall, und mit einer offenporigen, dem Knochen zugewandten Grenzfläche.The invention relates to an implant for replacement or supplementation of bone parts with an implant body of i. w. solid material, such as metal, and with an open-pore, bone-facing interface.
Ersatz bzw. Ergänzung von Knochenteilen ist häufig für eine endoprothetische Versorgung für die Verbesserung bzw. Wiederherstellung der Gelenkfunktion und damit die Erhöhung der Lebensqualität des Patienten nötig. Kommt es zum Verschleiß von artikulierenden Gelenkpartnern oder zu einer Lockerung des Implantates, muss eine Revision durchgeführt werden. Da es dabei meistens zum Verlust von Knochenmaterial an der betroffenen Stelle kommt, ist der Einsatz größerer Revisionsimplantate erforderlich. Muss die Revision wiederholt werden, kann es zu massiven segmentalen Knochendefekten kommen.Replacement or supplementation of bone parts is often necessary for endoprosthetic care for improving or restoring joint function and thus increasing the patient's quality of life. If it comes to the wear of articulating joint partners or to a loosening of the implant, a revision must be carried out. Since it usually comes to the loss of bone material at the affected site, the use of larger revision implants is required. If the revision has to be repeated, massive segmental bone defects can occur.
Die zweithäufigste Ursache für Knochendefekte sind Knochentumore, von denen einige am Becken auftreten. Bei deren chirurgischer Entfernung muss eine weite Resektion angestrebt werden, damit die Schnittränder auf jeden Fall im gesunden Gewebe liegen.The second most common cause of bone defects is bone tumors, some of which occur on the pelvis. When removing them surgically, a long resection should be sought, so that the margins are definitely in healthy tissue.
Als Implantatwerkstoff haben sich auf Grund der sehr guten Biokompatibilität und der hohen mechanischen Stabilität Titan und dessen Legierungen im klinischen Alltag bei verschiedensten Anwendungen in der Osteosynthese oder der Endoprothetik bewährt. Des Weiteren konnte das Einwachsen von Knochenzellen in offenporige Titanstrukturen nachgewiesen werden. (
Durch die Möglichkeit der Verwendung von generativen Fertigungsverfahren wie dem Electron-Beam-Melting (EBM) oder dem Selective-Laser-Melting (SLM) können für jeden betroffenen Patienten individuelle Prothesen entwickelt und gefertigt werden ([
Für eine ausreichende Stabilität muss der umgebende Knochen an bzw. in das Implantat einwachsen können. Zwei wesentliche Mechanismen können dies jedoch verhindern. Zum einen sind das Mikrobewegungen zwischen Knochen und Implantat. Schon bei Relativbewegungen um 100 μm kann es zu einer Bildung von Bindegewebe an der Grenzfläche kommen und dadurch das Knochenwachstum an oder in das Implantat verhindert werden. Zum anderen kann der Kraftfluss im Knochen durch das Implantat verändert und dabei der Knochen stellenweise entlastet werden. Dieses sogenannte Stress-shielding führt zu einer Atrophie des betroffenen Knochengewebes und zu einer aseptischen Lockerung des Implantats.For sufficient stability, the surrounding bone must be able to grow into or into the implant. However, two major mechanisms can prevent this. On the one hand, there are micro-movements between the bone and the implant. Even with relative movements of 100 μm, connective tissue formation at the interface can occur, thereby preventing bone growth on or in the implant. On the other hand, the flow of force in the bone can be changed by the implant, thereby relieving the bone in places. This so-called stress shielding leads to atrophy of the affected bone tissue and to aseptic loosening of the implant.
Aufgabe und LösungTask and solution
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Implantat der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem die beschriebenen Nachteile nicht auftreten und insbesondere das Einwachsen des Knochens in das Implantat gefördert wird.The object of the invention is therefore to provide an implant of the type mentioned, in which the disadvantages described do not occur and in particular the ingrowth of the bone is promoted in the implant.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass sich an die Grenzfläche ein Übergangsbereich zwischen Knochen und Implantatkörper anschließt, dessen Elastizität in Abhängigkeit von seinem Abstand von dem Implantatkörper veränderlich ist.This object is achieved in that adjoins the boundary surface, a transition region between bone and implant body whose elasticity is variable depending on its distance from the implant body.
Auf diese Weise kann trotz der Verwendung eines sehr festen und verträglichen Materials für den Implantatkörper, wie Titan, ein Übergang zwischen der geringen Elastizität (Elastizitätsmodul von Titan 110 Gigapascal [GPa]) und der größeren des Knochens (Elastizitätsmodul kortikaler Knochen 10–20 GPa und wesentlich darunter für die Spongiosa) geschaffen werden. Unter Elastizität sind hier die resultierenden elastischen Eigenschaften, also auch die Flexibilität, des betrachteten Materialteils zu verstehen, also sowohl des Implantatkörpers als auch des Übergangsbereiches in seinen einzelnen Regionen. Die Flexibilität liegt auch meist in den Grenzen, die durch die betreffenden Materialien (Knochen und Implantatkörper) gegeben sind.In this way, despite the use of a very strong and compatible material for the implant body, such as titanium, a transition between the low elasticity (modulus of elasticity of titanium 110 gigapascals [GPa]) and the larger of the bone (elastic modulus of cortical bone 10-20 GPa and much lower for cancellous bone). Elasticity here means the resulting elastic properties, ie also the flexibility, of the part of material considered, that is to say both of the implant body and of the transition region in its individual regions. The flexibility is usually within the limits given by the materials involved (bone and implant body).
Der Übergangsbereich schafft vorteilhaft einen recht fließenden Übergang der Elastizität zwischen Implantatkörper und Knochen. Im Übergangsbereich sind Poren ausgebildet, die miteinander in Verbindung stehen und sich zum Implantatkörper hin verkleinern. Das fördert das Einwachsen des Knochens in das Implantat. Die einwachsenden Knochenzellen verjüngen sich in Richtung auf das Implantat und finden viele Hinterschneidungen für einen guten Halt.The transition region advantageously creates a fairly fluid transition of the elasticity between the implant body and the bone. In the transition region pores are formed, which communicate with each other and shrink towards the implant body. This promotes the ingrowth of the bone into the implant. The ingrowing bone cells rejuvenate towards the implant and find many undercuts for a good grip.
Der Übergangsbereich kann aus Strukturen eines im Vergleich zum Knochen weniger flexiblen Materials, vorzugsweise demselben Material wie der Implantatkörper und einstückig mit diesem gebildet sein. Dabei wird der fließende Übergang zwischen Implantatkörper, zum Beispiel aus massivem Titan, und dem Knochen durch eine durchbrochene Struktur erzielt, die aufgrund der Materialquerschnitte und der Formgestaltung einen Übergang in der Flexibilität trotz der unterschiedlichen Elastizitätsmoduli der Materialien schafft.The transition region may be formed of structures of a less flexible material compared to bone, preferably the same material as the implant body and integral therewith. The fluid transition between the implant body, for example made of solid titanium, and the bone is achieved by a perforated structure, which due to the material cross sections and the shape of a transition in the Flexibility creates despite the different moduli of elasticity of the materials.
Diese Strukturen sind vorzugsweise geometrisch bestimmte Figuren, die miteinander verbunden sind und über den Übergangsbereich die jeweils gleiche Grundform haben, jedoch gegebenenfalls veränderte Abmessungen der die Struktur bildenden Strukturelemente aufweisen. Es können vorzugsweise ineinandergeschachtelte Mehrecke aus Stegen sein. Im Gegensatz zu zufälligen Strukturen können durch optimiertes Design und generative Herstellung optimal gleichmäßige Übergangseigenschaften geschaffen werden und es werden für das Einwachsen von Knochen schädliche scharfe Kanten vermieden.These structures are preferably geometrically determined figures, which are connected to each other and have the same basic shape over the transition region, but optionally have changed dimensions of the structure elements forming the structure. They may preferably be nested multi-webs of webs. In contrast to random structures, optimized design and generative fabrication can create optimally smooth transition properties and avoid sharp edges that are detrimental to bone ingrowth.
Der Übergangsbereich ist vorteilhaft durch selektives Laserschmelzen (SLM), Elektron-Beam-Melting (EBM) oder in vergleichbarer Art hergestellt. Dabei werden auf den Implantatkörper nacheinander zahlreiche Pulverschichten aus dem Implantatmaterial durch programmgesteuerte Laserstrahlen aufgeschmolzen und bilden so eine Struktur, die eine nahezu unbegrenzte Formvielfalt ermöglicht. Auch Hinterschneidungen etc. sind möglich.The transition region is advantageously produced by selective laser melting (SLM), electron beam melting (EBM) or in a comparable manner. In this process, numerous powder layers of the implant material are successively melted onto the implant body by program-controlled laser beams, thus forming a structure which allows a virtually unlimited variety of shapes. Also undercuts etc. are possible.
Die Abmessungen, Struktur, Porengröße etc. des Übergangsbereich werden dem jeweiligen Einsatzort, der Größe des Implantat und der Übergangsfläche zum Knochen angepasst. Vorzugsweise liegt aber die Dicke zwischen 5 und 10 mm, die Porengröße kann zwischen 0,5 und 2,5 mm betragen und der Stegdurchmesser der Strukturen kann zwischen 0,2 und 2 mm bemessen werden.The dimensions, structure, pore size, etc. of the transition region are adapted to the particular site of use, the size of the implant and the transition area to the bone. Preferably, however, the thickness is between 5 and 10 mm, the pore size can be between 0.5 and 2.5 mm and the web diameter of the structures can be dimensioned between 0.2 and 2 mm.
Ein solches Implantat gewährleistet insbesondere bei hochbelasteten Knochenpartien, die ersetzt werden müssen, beispielsweise bei Anordnung einer künstlichen Hüftgelenkpfanne am Beckenknochen bei einem Beckenteilersatz nach einem Knochentumor oder einer mechanischen Verletzung, beste Möglichkeiten für eine dauerhafte beschwerdefreie Versorgung. Es schafft eine Verbesserung der Stabilität durch gute Primärstabilität, d. h. Verhinderung von Relativbewegungen wegen der vergleichbaren Flexibilität zwischen Knochen und Übergangsbereich, eine offenporige, tiefgreifende Struktur für Osseointegration und eine Anpassung der mechanischen Eigenschaften des Implantats an das anliegende Knochengewebe. Die Strukturen können so optimiert gestaltet werden, dass sowohl in Querrichtung, also parallel zur Grenzfläche, als auch in Druckrichtung, also senkrecht dazu, ausreichende Flexibilität vorhanden ist. Es können so Verschiebungen im Bereich der Grenzfläche zwischen Knochen und Implantat vermieden werden, wo schon belastungsbedingte Verschiebungen von Zehntel Millimetern ein Einwachsen von Bindegewebe zur Folge hätte, was dann ein Einwachsen von Knochenzellen verhindern würde. Außerdem könnten auch trotz exakter Vermessung und Herstellung vorhandene Form-Abweichungen der Grenzfläche zwischen Knochen und Implantat flexibel aufgefangen werden.Such an implant ensures, in particular in highly stressed bones, which must be replaced, for example, when placing an artificial acetabulum on the pelvic bone in a pelvic bone replacement after a bone tumor or a mechanical injury, best opportunities for a permanent symptom-free care. It provides an improvement in stability through good primary stability, d. H. Prevention of relative movement due to comparable flexibility between bone and transition area, an open-pored, deep structure for osseointegration and adaptation of the mechanical properties of the implant to the adjacent bone tissue. The structures can be designed optimized so that both in the transverse direction, ie parallel to the interface, as well as in the printing direction, ie perpendicular thereto, sufficient flexibility is available. Thus, shifts in the area between the bone and the implant can be avoided, where load-related displacements of tenths of a millimeter would result in ingrowth of connective tissue, which would then prevent the ingrowth of bone cells. In addition, despite exact measurement and production existing form deviations of the interface between bone and implant could be flexibly collected.
Die vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischenüberschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.The foregoing and other features will become apparent from the claims and from the description and drawings, wherein the individual features each alone or more in the form of sub-combinations in an embodiment of the invention and in other fields be realized and advantageous as well protectable versions. The subdivision of the application into individual sections and subheadings does not limit the statements made thereunder in their generality.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is shown schematically in the drawing and will be explained in more detail below. Show it:
Detaillierte Beschreibung eines bevorzugten AusführungsbeispielsDetailed Description of a Preferred Embodiment
Wie man auch aus
An die Grenzfläche
In der schematischen Darstellung nach
Es ist zu erkennen, dass diese Implantat-Gestaltung beste Möglichkeiten für eine mechanische und biologische Integration bietet. Durch die begrenzte und im wesentlichen übergangslose Flexibilität zwischen Implantat und Knochen passt sich dieses schon beim Einsetzen gut an die Grenzfläche zum Knochen an. Bei Belastung entstehen keine oder nur unbedeutende, in dem flexiblen Übergangsbereich aufgefangene und damit die Grenzfläche nicht beeinträchtigende Bewegungen zwischen Knochen und Implantat. Die zum Knochen hin offene, teilweise hinterschnittene und sich in Richtung auf das Implantat verjüngende Porenstruktur schafft beste Voraussetzungen für das Einwachsen von Knochenzellen und damit eine vollständige und dauerhafte Integration des Implantats.It can be seen that this implant design offers the best opportunities for mechanical and biological integration. Due to the limited and essentially seamless flexibility between the implant and the bone, it adapts well to the bone interface when it is inserted. Under load, no or only insignificant movements between the bone and the implant, which are trapped in the flexible transition region and thus do not interfere with the interface, occur. The open to the bone, partially undercut and tapering in the direction of the implant pore structure creates the best conditions for the ingrowth of bone cells and thus a complete and lasting integration of the implant.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1111
- Beckenknochenpelvic bones
- 1212
- Knochenbone
- 1313
- Implantatimplant
- 1414
- Grenzflächeinterface
- 1515
- Zapfenspigot
- 1616
- Befestigungslaschemounting tab
- 1717
- Zapfenspigot
- 1818
- Ausnehmungrecess
- 1919
- DarmbeinzapfenIliac pins
- 2020
- Hüftgelenkpfanneacetabulum
- 2121
- Implantatkörperimplant body
- 2222
- ÜbergangsbereichTransition area
- 2323
- Strukturenstructures
- 2424
- Dreiecketriangles
- 2525
- StegeStege
- 2626
- Porenpore
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Lopez-Heredia M a, Goyenvalle E, Aguado E, Pilet P, Leroux C, Dorget M, et al. ”Bone growth in rapid prototyped porous titanium implants”. Internet 1. Juni 2008 [zitiert 16. Januar 2014]; http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17876801 [0004] Lopez-Heredia M a, Goyenvalle E, Aguado E, Pilet P, Leroux C, Dorget M, et al. "Bone growth in rapid prototyped porous titanium implants". Internet June 1, 2008 [cited January 16, 2014]; http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17876801 [0004]
- Warnke PH, Douglas T, Wollny P, Sherry E, Steiner M, Galonska S, et al. ”Rapid prototyping: porous titanium alloy scaffolds produced by selective laser melting for bone tissue engineering.” Tissue Eng Part C Methods Internet 15. Juni 2009. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19072196 [0005] Warnke PH, Douglas T, Wollny P, Sherry E, Steiner M, Galonska S, et al. Rapid Prototyping: porous titanium alloy scaffolds produced by selective laser melting for bone tissue engineering. "Tissue Eng Part C Methods Internet June 15, 2009. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19072196 [0005]
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Cited By (3)
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DE102015115498A1 (en) | 2015-09-15 | 2017-03-16 | Universität Rostock | implant |
CN107647941A (en) * | 2017-11-02 | 2018-02-02 | 广州华钛三维材料制造有限公司 | A kind of metal bone trabecula and the skeleton implant for including the metal bone trabecula |
CN107647943A (en) * | 2017-11-02 | 2018-02-02 | 广州华钛三维材料制造有限公司 | A kind of metal bone trabecula and the skeleton implant for including the metal bone trabecula |
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CN107647941A (en) * | 2017-11-02 | 2018-02-02 | 广州华钛三维材料制造有限公司 | A kind of metal bone trabecula and the skeleton implant for including the metal bone trabecula |
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