DE10210970B9

DE10210970B9 - Hüftgelenk-Endoprothese

Info

Publication number: DE10210970B9
Application number: DE2002110970
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl.-Ing. Blömer (FH); Richard Dr.-Ing. Zeller
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2022-03-14
Also published as: DE10210970A1; DE10210970B4

Abstract

Hüftgelenk-Endoprothese mit einer äußeren Lagerschale aus Metall und einer darin eingesetzten Lagerpfanne aus hochmolekularem Polyethylen, die im eingesetzten Zustand an der Innenseite der Lagerschale anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerpfanne (3) an ihrer an der Innenseite der Lagerschale (1) anliegenden Außenseite zumindest bereichsweise mit einer dünnen Schicht (5) aus reinem Titan oder aus Titan mit Zusätzen von Kohlenstoff, Stickstoff und/oder Sauerstoff bedeckt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hüftgelenk-Endoprothese mit einer äußeren Lagerschale aus Metall und einer darin eingesetzten Lagerpfanne aus hochmolekularem Polyethylen, die im eingesetzten Zustand an der Innenseite der Lagerschale anliegt.
Es hat sich herausgestellt, daß an der Grenzschicht zwischen derartigen Polyethylenimplantaten einerseits und metallischen Stützstrukturen andererseits, also beispielsweise der metallischen Lagerschale, durch Haftreibung Verschleißerscheinungen auftreten, diese Erscheinung wird als "backside wear" bezeichnet. Dies beruht darauf, daß die Oberfläche des Implantates und die Oberfläche der daran anliegenden metallischen Stützstruktur sich relativ eng verzahnen, so daß bei Mikrobewegungen zwischen Implantat und Stützstruktur ein Materialabrieb auftritt. Dies kann zu einer aseptischen Lockerung des Implantates führen.
Es ist bekannt, den Abrieb dadurch herabzusetzen, daß in das Polyethylen Ionen implantiert werden, beispielsweise Stickstoff, Argon, Helium, Titan, Fluor, Chlor und andere ( US 5 133 757 A ). Dies ist eine relativ aufwendige Methode und führt auch nicht in allen Fällen zu der gewünschten Abriebfestigkeit.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Hüftgelenk-Endoprothese so auszubilden, daß diese unerwünschte Haftreibungsverschleißerscheinung reduziert oder beseitigt wird.
Diese Aufgabe wird bei eine Hüftgelenk-Endoprothese der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lagerpfanne an ihrer an der Innenseite der Lagerschale anliegenden Außenseite zumindest bereichsweise mit einer dünnen Schicht aus reinem Titan oder aus Titan mit Zusätzen von Kohlenstoff, Stickstoff und/oder Sauerstoff bedeckt ist.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß bereits eine sehr dünne Schicht aus Titan auf der Oberfläche des Polyethylenimplantates zu einer solchen Veränderung der grenzflächenphysikalischen Verhältnisse führt, daß eine Zerrüttung des Polyethylenwerkstoffes unterbleibt. Dadurch kann die Liegedauer eines Implantates gesteigert werden, da die durch den Polyethylenverschleiß hervorgerufene aseptische Lockerung vermieden wird.
An sich ist es bekannt, medizinisch einsetzbare Implantate, die aus Metall oder aus Kunststoff bestehen, mit anderen Metallen zu beschichten, beispielsweise auch mit Titan, wobei dann auch Zusätze von Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff Verwendung finden können ( DE 199 45 299 A1 ; WO 01/49339 A1; EP 0 897 997 A1 ), dabei werden jedoch in der Regel dieses Implantate allseits mit einer solchen Beschichtung versehen, deren Hauptzweck die Erhöhung der chemischen Resistenz an der Oberfläche der Implantate ist, das Problem des Mikroabriebes wird in diesen Druckschriften nicht angesprochen.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Hüftgelenk-Endoprothese ist es besonders vorteilhaft, wenn der Anteil von Kohlenstoff in der Schicht von der vom Implantat abgewandten Außenseite der Schicht zum Implantat hin zunimmt. Der höhere Kohlenstoffanteil an der dem Implantat zugewandten Innenseite der Schicht führt zu einer besonders guten Haftung der auf den Polyethylenwerkstoff aufgebrachten Schicht, so daß eine sichere Verbindung zwischen der im wesentlichen metallischen Schicht und der Kunststoffoberfläche gewährleistet ist.
Die Schicht kann an der Außenseite aus reinem Titan bestehen, bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Schicht an der Außenseite nur Titan und Stickstoff enthält.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Anteil des Kohlenstoffes an der dem Implantat zugewandten Innenseite der Schicht zwischen 0,5 und 20 Gewichtsprozent liegt.
Die Dicke der Schicht kann sehr gering sein, vorzugsweise liegt sie zwischen 40 und 100 nm. In einer derartigen dünnen Schicht, die gegebenenfalls nur wenige Atomlagen umfaßt, erhält man einen sicheren Schutz des Polyethylenimplantates gegenüber einer Zerrüttung der Oberflächenstruktur, eine solche Schicht gibt dem Polyethylenimplantat ein metallisch graues Aussehen.
Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
1: Eine Schnittansicht durch eine Hüftgelenkprothese mit einer metallischen Lagerschale und einer in diese eingesetzten Lagerpfanne aus Polyethylen mit einer Außenbeschichtung;
2: eine vergrößerte Detailansicht der Lagerpfanne im Bereich A in 1 und
3: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Aufbringung einer dünnen Schicht auf ein Polyethylenimplantat.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel einer Hüftgelenk-Endoprothese ist eine halbkugelige Lagerschale 1 aus Metall in den Knochen 2 eingebettet und dort in geeigneter, in der Zeichnung nicht dargestellten Weise verankert. In diese Lagerschale 1 ist eine ebenfalls halbkugelförmige Lagerpfanne 3 eingesetzt und dort durch geeignete Mittel festgehalten, beispielsweise durch eine formschlüssige Verrastung oder dergleichen, auch dies ist in der Zeichnung nicht näher dargestellt. Die im wesentlichen halbkugelförmige Lagerausnehmung 4 der Lagerpfanne 3 dient der Aufnahme des Gelenkkopfes eines Femurknochens, auch dies ist in der Zeichnung nicht dargestellt.
Die Lagerpfanne 3 besteht aus ultrahochmolekularem Polyethylen, wie es üblicherweise in der Implantattechnik Verwendung findet. Auf der Außenseite der Lagerpfanne 3 ist diese mit einer dünnen Schicht 5 versehen, die das Polyethylenmaterial der Lagerpfanne 3 von dem metalli schen Material der Lagerschale 1 trennt. Diese Schicht 5 kann aus reinem Titan bestehen oder aus Titan mit Zusätzen von Kohlenstoff und/oder Stickstoff und/oder Sauerstoff. Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher der Anteil des Kohlenstoffes in dieser Schicht von außen nach innen, das heißt in Richtung auf das Polyethylenmaterial, zunimmt. Es hat sich herausgestellt, daß ein größerer Kohlenstoffanteil an der Innenseite der Schicht 5 deren Verbindung mit der Oberfläche des Polyethylenmaterials verbessert.
Die Anteile des Kohlenstoffes an der Innenseite der Schicht können beispielsweise 5 Gewichtsprozent betragen.
Die Schicht kann auch relativ hohe Anteile von Stickstoff enthalten, beispielsweise können diese Anteile zwischen 0,1 und 24 Gewichtsprozent liegen.
Die Dicke der Schicht ist sehr gering, beispielsweise kann sie liegen zwischen 40 nm und 100 nm, das heißt im Extremfall umfaßt diese Schicht nur einige wenige Atomlagen.
Die Schicht 5 wird auf der Außenseite der Lagerpfanne 3 durch eine plasmaaktivierte chemische Dampfphasenabscheidung aufgebracht. Schematisch ist eine für dieses Verfahren geeignete Vorrichtung in 3 dargestellt. In einem abgeschlossenen, weitgehend evakuierten Behälter 6 sind zwei Elektroden 7, 8 angeordnet, von denen eine eine Aufnahmefläche 9 für das zu beschichtende Implantat 10 aufweist. Der Behälter 6 wird von einem Gasstrom 11 durchströmt, der zwischen den beiden Elektroden 7, 8 hindurchtritt und der Titanverbindungen und gegebenenfalls Stickstoff, Sauerstoff und/oder Kohlendioxyd enthält. Zwischen den Elektroden 7, 8 wird in diesem chemischen Dampf ein Plasma erzeugt, und dies führt dazu, daß die darin enthaltenen Verbindungen aktiviert und aufgespalten werden, die Bestandteile lagern sich an der Oberfläche des Implantates 10 ab. Dabei bildet sich eine dünne Schicht aus Titan, in welche sich je nach Bestandteilen des Gasstromes Teile des Gasstromes einlagern, also beispielsweise Stickstoffatome, Sauerstoffatome oder insbesondere Kohlenstoffatome. Durch die Zusammensetzung des Gasstromes läßt sich auch die Zusammensetzung der Schicht 5 beeinflussen.

Claims

Hüftgelenk-Endoprothese mit einer äußeren Lagerschale aus Metall und einer darin eingesetzten Lagerpfanne aus hochmolekularem Polyethylen, die im eingesetzten Zustand an der Innenseite der Lagerschale anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerpfanne (3) an ihrer an der Innenseite der Lagerschale (1) anliegenden Außenseite zumindest bereichsweise mit einer dünnen Schicht (5) aus reinem Titan oder aus Titan mit Zusätzen von Kohlenstoff, Stickstoff und/oder Sauerstoff bedeckt ist.
Hüftgelenk-Endoprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil von Kohlenstoff in der dünnen Schicht (5) von der Außenseite derselben zu dem Polyethylenmaterial hin zunimmt.
Hüftgelenk-Endoprothese nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht (5) an ihrer Außenseite nur Titan und Stickstoff enthält.
Hüftgelenk-Endoprothese nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Kohlenstoffes an der Innenseite der dünnen Schicht (5) zwischen 0,5 und 20 Gew.% liegt.
Hüftgelenk-Endoprothese nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der dünnen Schicht (5) zwischen 40 und 100 nm liegt.
Hüftgelenk-Endoprothese nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht (5) eine Ablagerung von Material ist, welches bei einer plasmaaktiverten chemischen Dampfphasenabscheidung auf der an der Innenseite der Lagerschale (1) anliegenden Außenseite der Lagerpfanne (3) abgelagert wird.