DE19508224A1

DE19508224A1 - Knochenverstärkungselement

Info

Publication number: DE19508224A1
Application number: DE1995108224
Authority: DE
Inventors: Shinichi Yoshino; Masao Suzuki
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: YOSHINO, SHINICHI, TOKIO/TOKYO, JP; Pentax Corp
Priority date: 1994-03-08
Filing date: 1995-03-08
Publication date: 1995-09-14
Also published as: GB9504622D0; GB2287654A; GB2287654B

Description

Die Erfindung betrifft ein Knochenverstärkungselement zur Verwendung bei der Chirurgie für künstliche Gelenke. Im enge ren Sinne betrifft die Erfindung ein Knochenverstärkungsele ment, das vorteilhaft eingesetzt werden kann, wenn die Er satzteilchirurgie künstlicher Gelenke bei Patienten angewen det wird, die beispielsweise an Rheumarthritis oder Osteo porose leiden.

Bisher wurden Gelenke wie Kniegelenke und Hüftgelenke durch ein künstliches Gelenk ersetzt, wenn sie durch Krankheit oder Unfall beschädigt oder gebrochen waren. In jüngerer Zeit wurde diese Ersatzteilchirurgie mit künstlichen Gelenken häu fig bei Patienten angewendet, die fortgeschrittene Rheumarth ritis haben, für die eine Langzeitbehandlung erforderlich ist, oder bei denen in fortgeschrittenem Alter Osteoporose auftritt. In diesen Fällen muß aber eine zusätzliche Opera tion oder erneute Operation des ersetzten Gelenks stattfin den, oder es treten Schwierigkeiten beim Gehen auf, weil das implantierte künstliche Gelenk häufig nach der Chirurgie in den Knochen eingesunken ist. Gegenwärtig gibt es noch keine Möglichkeit, dieses Problem des Einsinkens künstlicher Ge lenke wirksam zu beheben.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Knochenverstär kungselement anzugeben, das eine ausgezeichnete Biokompatibi lität hat und das unerwünschte Einsinken der künstlichen Ge lenke nach der Ersatzteilchirurgie verhindert.

Gemäß der Erfindung kann diese Aufgabe durch ein Knochenver stärkungselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ge löst werden. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Unter der Bezeichnung "Element" wird im folgenden jedes Kno chenverstärkungsmaterial oder ein entsprechender Gegenstand mit den beschriebenen Eigenschaften verstanden.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine verringerte Knochendichte erhöht werden kann, indem ein spezielles Ver stärkungselement in den entsprechenden Knochenbereich implan tiert wird.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 den Längsschnitt eines Knochenverstärkungselements,

Fig. 2 den Längsschnitt eines weiteren Knochenverstärkung selements,

Fig. 3 die Seitenansicht eines weiteren Knochenverstär kungselements,

Fig. 4 die Seitenansicht eines weiteren Knochenverstär kungselements,

Fig. 5 die perspektivische Darstellung eines weiteren Kno chenverstärkungselements,

Fig. 6 die Seitenansicht des Knochenverstärkungselements nach Fig. 5,

Fig. 7 die perspektivische Darstellung eines weiteren Kno chenverstärkungselements,

Fig. 8 die Seitenansicht des Knochenverstärkungselements nach Fig. 7,

Fig. 9 die perspektivische Darstellung der Schritte eines chirurgischen Verfahrens für ein künstliches Gelenk mit dem Knochenverstärkungselement nach der Erfin dung, und

Fig. 10 den Querschnitt eines Hüftgelenks nach Durchführung des Verfahrens nach Fig. 9.

Bei einem Knochenverstärkungselement nach der Erfindung muß prinzipiell ein zentraler oder Kernteil des Elements aus ei nem Metall oder einem dichten keramischen Material bestehen, um die Stabilität des Elements zu gewährleisten, während der äußere Teil des Elements, der mit dem Knochengewebe in Kon takt kommen soll, aus einem dichten oder porösen Material mit Biokompatibilität bestehen soll, beispielsweise aus einer Glaskeramik- oder einer Kalziumphosphat-Verbindung. Das für den zentralen Teil geeignete Metall ist beispielsweise ein Titan oder eine Titanlegierung, ein Edelstahl, ein Tantal oder eine Legierung von Kobalt und Chrom. Das gleichfalls ge eignete keramische Material ist beispielsweise eine Kalzi umphosphatverbindung mit einem Ca/P-Verhältnis von 1,0 bis 2,0, ein Aluminiumoxid, ein Titanoxid oder ein Zirkonoxid. Vorzugsweise wird die Kalziumphosphatverbindung angewendet.

Die Kalziumphosphatverbindung mit einem Ca/P-Verhältnis von 1,0 bis 2,0 umfaßt beispielsweise verschiedene Apatite wie Hydroxyapatit, Fluorapatit u.ä., monobasisches Kalziumphos phat, dibasisches Kalziumphosphat, Trikalziumphosphat, Te trakalziumphosphat oder andere Kalziumphosphate. Diese Kalzi umphosphate können allein oder in einer Mischung zweier oder mehr Phosphate verwendet werden.

Der zentrale oder Kernteil aus einem dichten keramischen Ma terial kann hergestellt werden durch Trocknen einer Auf schlämmung der Kalziumphosphatverbindung als Startmaterial, Kalzinieren bei einer Temperatur von 500 bis 800°C und an schließendes Glühen bei einer Temperatur von 800 bis 1400°C zur Bildung eines Blocks, der dann zu einem Gegenstand der gewünschten Form und Größe verarbeitet wird. Alternativ kann der aus einem dichten keramischen Material bestehende Kern teil hergestellt werden durch Bilden eines Grünlings der ge wünschten Form und Größe aus Pulvern der oben beschriebenen Kalziumphosphatverbindung und anschließendes Glühen dieses Körpers in derselben Weise wie vorstehend genannt.

Das Aufbringen einer Schicht aus dem dichten oder porösen biokompatiblen Material auf eine Fläche des zentralen Teils aus Metall oder dichtem Keramikmaterial ist nicht auf ein spezielles Verfahren beschränkt und kann nach jedem geeigne ten üblichen Verfahren erfolgen. Geeignete Verfahren sind beispielsweise Flammspritzen, Bedampfen, Imprägnieren, Sprit zen und andere.

Ein Knochenverstärkungselement nach der Erfindung soll einen säulenförmigen Teil und einen konvergierenden Teil an einem Ende haben, das an der Einsetzseite liegt. Der Querschnitt des konvergierenden Teils verringert sich allmählich in Ein setzrichtung von einem Basisabschnitt bis zu einer Spitze.

Der säulenförmige Teil kann jede geeignete Form haben, bei spielsweise die Form einer zylindrischen Säule, einer recht eckigen Säule mit einem konvexen Teil an zwei einander abge wandten Seiten oder einer quadratischen Säule mit einem qua dratischen Querschnitt. Der konvergierende Teil kann jede ge eignete Konfiguration haben, beispielsweise kann sein Quer schnitt linear oder so verringert sein, daß sich eine abge rundete Spitze ergibt.

Für ein Knochenverstärkungselement nach der Erfindung ist auch zu fordern, daß seine Außenfläche aus einem porösen Ma terial besteht, so daß ein sie umgebendes Gewebe in die Poren dieses Oberflächenteils eintreten kann und dadurch eine star ke Bindung zwischen dem Gewebe und dem Element entsteht. Au ßerdem sollte das Element vollständig aus einem dichten Mate rial bestehen, oder ein Oberflächenabschnitt des Elements be steht aus einem porösen Material, und dann ist in der Außen fläche des säulenförmigen Teils mindestens eine Nut vorgese hen, um dadurch eine starke Bindung zwischen dem Gewebe und dem Element zu erzeugen. Die Konfiguration der Nut ist nicht auf eine bestimmte Form beschränkt, beispielsweise können spiralige Nuten, Ringnuten und in Längsrichtung verlaufende längliche Aussparungen vorgesehen sein.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand einiger Ausführungs beispiele weiter erläutert. Hierauf ist die Erfindung aber nicht beschränkt.

Fig. 1 zeigt den Längsschnitt eines Knochenverstärkungsele ments 1, das insgesamt aus einer dichten Kalziumphosphatver bindung, beispielsweise aus Hydroxyapatit besteht und einen zylindrischen Teil 2 sowie einen konvergierenden Teil 3 hat, dessen Durchmesser in Einsetzrichtung des Elements in der dargestellten Weise allmählich verringert ist. Die Ausbildung dieses konvergierenden Teils 3 ermöglicht ein leichtes Ein setzen des Knochenverstärkungselements in den Knochen.

Fig. 2 zeigt den Querschnitt eines weiteren Knochenverstär kungselements 11, das einen zentralen oder Kernteil 4 aus ei nem Metall oder einem dichten Keramikmaterial und eine Ober flächenschicht 5 aus einem dichten oder porösen biokompati blen Material hat. Das Element 11 ist ein zylindrischer Kör per mit einer konvergierenden Spitze 12, deren Durchmesser linear abnimmt.

Fig. 3 zeigt die Seitenansicht eines Knochenverstärkungsele ments 21 mit einer konvergierenden Spitze 22, deren Durchmes ser in Einsetzrichtung des Elements 21 graduell abnimmt. Zu sätzlich hat das Element 21 eine spiralige Nut 6, die in die Außenfläche des zylindrischen Teils eingearbeitet ist. Das Einsetzen des Elements 21 in den Knochen führt zu einer Fest legung im Knochen, da das umgebende Knochengewebe in die Nut 6 eintreten kann. Anstelle einer spiraligen kontinuierlichen Nut 6 können auch mehrere Umfangsnuten oder Längsnuten in der Außenfläche des zylindrischen Teils des Elements 21 vorgese hen sein. Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß eine spi ralige oder mehrere Umfangs- oder Längsnuten auf praktisch der gesamten Oberfläche des zylindrischen Teils des Elements 21 vorgesehen sind.

Fig. 4 zeigt die Seitenansicht eines Knochenverstärkungsele ments mit mehreren Umfangsnuten, die auf einem Teil der Ober fläche des zylindrischen Teils vorgesehen sind. Das Knochen verstärkungselement 23 hat eine konvergierende Spitze 24, de ren Durchmesser in Einsetzrichtung graduell abnimmt. Das Kno chenverstärkungselement 23 hat auch mehrere Umfangsnuten 25, die diskontinuierlich auf der Außenfläche des zylindrischen Teils angeordnet sind. Im mittleren Teil der Außenfläche des Knochenverstärkungselements 23 ist keine Nut vorgesehen. Das Einsetzen des Knochenverstärkungselements 23 in den Knochen führt zu einer Fixierung im Knochen, da das umgebende Kno chengewebe in die Nuten 25 eintreten kann. Diese Anordnung, bei der mehrere Umfangsnuten oder spiralige Nuten diskontinu ierlich auf dem Knochenverstärkungselement vorgesehen sind, eignet sich für Elemente großer Länge.

Fig. 5 und 8 zeigen jeweils eine Abänderung der äußeren Kon figuration des Knochenverstärkungselements.

Fig. 5 ist eine perspektivische Darstellung des Knochenver stärkungselements, Fig. 6 zeigt dessen Seitenansicht. Das Knochenverstärkungselement 31 hat eine rechteckige Säule 7 mit einem konvex gekrümmten Teil an zwei Seitenflächen und einem konvergierenden Teil 32 am Einsetzende der Säule 7, dessen Durchmesser in Einsetzrichtung des Elements 31 allmäh lich abnimmt.

Fig. 7 zeigt eine perspektivische Darstellung eines weiteren Knochenverstärkungselements, während Fig. 8 dessen Seitenan sicht zeigt. Das dargestellte Knochenverstärkungselement 41 hat eine rechteckige Säule 8 mit quadratischem Querschnitt und einen konvergierenden Abschnitt 42 am Einsetzende der Säule 8, dessen Durchmesser allmählich in Einsetzrichtung des Knochenverstärkungselements 41 abnimmt.

Fig. 9 zeigt nacheinander die Schritte eines chirurgischen Verfahrens für ein künstliches Gelenk unter Verwendung eines Knochenverstärkungselements nach der Erfindung.

Das dargestellte Verfahren kann in der Ersatzteilchirurgie vorteilhaft angewendet werden, wenn ein Schienbeinknochen durch Osteoporose oder andere Gründe eine verringerte Dichte hat und dadurch ein unerwünschtes Einsinken des Ersatzteils in den Knochen zu erwarten ist, wenn ein künstliches Kniege lenk in das Schienbein mit geringer Dichte eingeführt wird. Das unerwünschte Einsinken des künstliches Kniegelenks kann verhindert werden, wenn Knochenverstärkungselemente 1 in ge eigneter Anzahl in das Schienbein implantiert werden, so daß dessen Dichte durch Kompression des Knochens durch das Ge samtvolumen der Verstärkungselemente erhöht und dadurch ein gewünschter Stabilitätswert erreicht wird. Dann wird das künstliche Kniegelenk 10 in das Schienbein eingesetzt, nach dem eine Schicht aus Knochenzement 13 vorgesehen wurde. Die Knochenverstärkungselemente müssen nicht in senkrechter Rich tung, sondern können auch erforderlichenfalls mit einem ge wissen Neigungswinkel eingesetzt werden.

Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, ist es bei Verwendung eines Knochenverstärkungselements nach der Erfindung leicht möglich, ein künstliches Gelenk an Knochen zu fixieren, die durch Rheumarthritis, Osteoporose oder andere Gründe eine verringerte Dichte haben. Gleichzeitig wird dadurch für län gere Zeit verhindert, daß die künstlichen Gelenke in den Kno chen einsinken. Da mindestens ein Oberflächenteil aus einem biokompatiblen Material besteht, ermöglicht das Knochenver stärkungselement nach der Erfindung die Ausbildung eines neuen Knochenmaterials und dadurch die Verstärkung des Kno chens durch Integration des Verstärkungselements und des um gebenden Knochengewebes zusätzlich zu der ausgezeichneten Biokompatibilität.

Fig. 10 zeigt den Längsschnitt eines Hüftgelenks nach der Chirurgie unter Verwendung des Knochenverstärkungselements nach der Erfindung. Wenn eine Operation des Hüftgelenks nur unter Verwendung des künstlichen Gelenks erfolgt, tritt eine Verlagerung des künstlichen Gelenks auf, wenn infolge Osteo porose o. ä. die Knochendichte gering ist. Dadurch ist dann eine weitere Operation nötig. Um dieses Problem zu vermeiden, können mehrere Knochenverstärkungselemente 1 in die Hüftge lenkpfanne 14 implantiert werden, so daß dadurch die Knochen dichte infolge Kompression des schwammigen Knochens durch das Gesamtvolumen der Elemente 1 erhöht wird. Bei einer solchen Operation wird zunächst die geeignete Zahl der Knochenver stärkungselemente 1 in die Gelenkpfanne 14 eingesetzt, um sie zu verstärken, dann wird der Sockel 16 an der Gelenkpfanne 14 mit einem Klebstoff, z. B. mit Polymethylmethacrylat, befe stigt, und dann wird ein Gelenkkopf 17 in den Sockel 16 ein gesetzt. Bei der Operation eines Hüftgelenks werden vorzugs weise längere Knochenverstärkungselemente als bei der Opera tion eines Kniegelenks verwendet, um den Hüftknochen in einem weiten Bereich zu verstärken. Anstelle der in Fig. 9 und 10 gezeigten Knochenverstärkungselemente 1 können auch andere Knochenverstärkungselemente oben beschriebener Art verwendet werden.

Claims

1. Knochenverstärkungselement zur Verwendung bei der Implan tation künstlicher Gelenke, mit einem säulenförmigen Teil und einem konvergierenden Teil mit allmählich verringer tem Querschnitt in Einsetzrichtung an einem Ende des säu lenförmigen Teils, gekennzeichnet durch einen zentralen Teil aus einem Metall oder einem dichten Keramikmaterial und einen Oberflächenteil aus einem dichten oder porösen Material mit Biokompatibilität.

2. Knochenverstärkungselement nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Metall ein Titan oder eine Titanle gierung, ein Edelstahl, ein Tantal oder eine Legierung aus Kobalt und Chrom ist.

3. Knochenverstärkungselement nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der zentrale Teil des säulenförmigen Teils aus einem Keramikmaterial, insbesondere einer Kal ziumphosphatverbindung mit einem Ca/P-Verhältnis von 1,0 bis 2,0, einem Aluminiumoxid, einem Titanoxid oder einem Zirkonoxid besteht.

4. Knochenverstärkungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das biokompatible Material eine Glaskeramik oder eine Kalziumphosphatver bindung ist.

5. Knochenverstärkungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es insgesamt aus einer Kalziumphosphatverbindung mit einem Ca/P-Verhältnis von 1,0 bis 2,0 besteht.

6. Knochenverstärkungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es insgesamt aus einem dichten Hydroxyapatit besteht.

7. Knochenverstärkungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß der säulenförmige Teil mindestens eine Nut an einer Außenfläche hat.

8. Knochenverstärkungselement nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Nut eine Spiralnut, Ringnut oder Längsnut ist.