DE19517843B4

DE19517843B4 - Elastischer Kugelkopf für Hüftgelenkimplantate

Info

Publication number: DE19517843B4
Application number: DE19517843A
Authority: DE
Inventors: Gerd Hoermansdoerfer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-05-18
Filing date: 1995-05-18
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2015-05-19
Also published as: DE19517843A1

Abstract

Aufsteckbarer Kugelkopf (1) für Hüftgelenkimplantate, aus einem metallischen Körper (2) mit kugelförmiger Oberfläche, einer zentral liegenden konischen Hülse (3), und einem zwischen metallischen Körper und konischer Hülse angeordneten elastischen Zwischenglied (4) aus Metall, wobei der innere Konus (5) der Hülse (3) als genormte Schnittstelle zum Aufstecken auf einen Hüftschaft dient, dadurch gekennzeichnet, daß der aufsteckbare Kugelkopf einstückig ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen speziellen aufsteckbaren Kugelkopf als modulare Ergänzung eines künstlichen Hüftgelenksystems für die Anwendung in der Humanmedizin, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Für derartige Implantate wird bis in die Gegenwart hinein ein ständiger Entwicklungsaufwand betrieben, um sie weiter so zu verbessern, daß die natürlichen Funktionen des Gelenks und seiner Umgebung in nahezu perfekter Weise nachgestaltet werden. Das Ziel dieser Bemühungen ist eine möglichst dauerhafte und beschwerdefreie Benutzbarkeit solcher Kunstgelenke.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß vor allem durch das Einbringen des künstlichen Schaftes in den Femur in die elastischen Verhältnisse des beteiligten Knochensystems eingegriffen wird. In der Folge sind daher Umbauvorgänge im Knochen und teilweise auch Lockerungen des Implantats zu beobachten. In diesem Zusammenhang ist von Interesse, daß rein geometrisch betrachtet, der natürliche Kugelkopf des Hüftgelenks beim Menschen genau senkrecht oberhalb der Kondyläen des Kniegelenks positioniert ist. Der Femur stellt nun allerdings nicht die kürzeste Verbindungslinie zwischen diesen beiden Punkten dar. Vielmehr ergibt sich aus dem Verlauf des Oberschenkelhalses vom Kugelkopf weg zum Trochanter major hin und weiter nach unten zurück zum Kniegelenk eine ausgelenkte Linie, welche entfernt an einen Bogen erinnert. Diese Formgestalt bewirkt beim Einleiten von vertikaler Last auf den natürlichen Hüftkopf ein geringes Ausfedern des Femurs, weil der Femur zum Teil mit axialen und zum Teil mit Biegekräften beansprucht wird. Dieses elastische Verhalten ist in Verbindung mit den Dämpfungseigenschaften des Knochens vorteilhaft, da es bei dynamischer Beanspruchung des Knochenapparats, z.B. beim Laufen, zu einer Abschwächung der in das Becken geleiteten Lastspitzen führt.
Die mit dem Einsetzen eines Kunstgelenks einhergehende Versteifung des Gesamtsystems bewirkt demgegenüber, daß die dynamischen Lastspitzen mit deutlich geringerer Dämpfung übertragen werden und dabei eine unerwünscht hohen Beanspruchung der Grenzflächen zwischen Implantat und Knochen bewirken, wodurch es zu vorzeitigen Auslockerungen des Implantats kommen kann.
Es hat daher in jüngster Zeit vereinzelte Ansätze gegeben, die mit der Implantation eines Kunstgelenks einhergehende Beeinträchtigung der Elastizität des Gesamtsystems mindestens teilweise mittels eines nachgiebigen Kugelkopfes rückgängig zu machen, um so zu einer verbesserten Lebensdauer derartiger Implantate zu kommen.
In der Vergangenheit waren solche Kugelköpfe gewöhnlich fest mit dem implantierbaren Schaft verbunden. In der Zwischenzeit hat sich jedoch das modulare System durchgesetzt, bei welchem beide Teile über eine genormte Schnittstelle (neuerdings der sogenannte Eurokonus 12/14) miteinander durch Zusammenstecken verbunden werden. Das modulare System hat den Vorteil, daß es durch die Verfügbarkeit von Kugelköpfen mit verschiedenen Konustiefen die Anpassung an die Anatomie des Patienten erlaubt.
Derartige Kugelköpfe, ganz gleich ob sie modular aufsteckbar sind oder direkt mit dem Schaft eine Einheit bilden, werden bisher in einer massiven Ausführung aus metallischen oder keramischen Werkstoffen hergestellt. Eine elastische bzw. dämpfende Funktion ergibt sich aus dieser Gestaltung nicht.

Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 3802213 A1 ist ein aufsteckbarer Kugelkopf mit elastischen Eigenschaften bekannt, wobei der kugelige Gelenkteil eine Ausnehmung besitzt, in welche ein hutförmiger Körper aus einem Elastomer eingeschoben ist. In diesen wiederum ist eine konische Hülse eingeschoben. Dabei wird auch vorgeschlagen, den hutförmigen Körper in Kammern aufzuteilen und mit einem Flüssigkeits-Gas-Gemisch zu befüllen.

Der genannten Erfindung liegt in Bezug auf die Verwendung eines im Prinzip wie ein Stoßdämpfer arbeitenden Elements der Irrtum zugrunde, daß in dem gebildeten Gesamtsystem solch ein aus dem Maschinenbau bekanntes Element benötigt würde. Das ist jedoch nicht der Fall, denn die Menge der beteiligten komplexen Massen in Form von Knochen, Gewebe, Muskulatur, Sehnen, Blutgefäßen usw. besitzt eine genügend große eigene Dämpfung, sodaß zur Minderung dynamischer Lastspitzen lediglich eine federnde Komponente erforderlich ist. Eine praktische Ausführung in der vorgeschlagenen Form mit Kammern würde weder der zu erwartenden statischen noch der dynamischen Belastung standhalten. Nachteilig ist ferner die formschlüssige Verbindung zwischen dem federnden Element aus einem Elastomer und den Kugelteil und der konischen Hülse, wobei deren gegenseitige Lage lediglich über Wülste und entsprechende Nuten fixiert ist, weil bei mechanischer Beanspruchung Relativbewegungen zwischen den einzelnen Komponenten auftreten würden, welche auf Dauer zu Abrieb und Verschleiß führen würden. Eine Einbeziehung des kugeligen Elements selbst in die Federstrecke ist bei der genannten Erfindung nicht vorgesehen. Die beschriebenen Probleme dürften auch der Grund dafür sein, daß Kugelköpfe dieser Bauweise bislang nicht zum Einsatz gekommen sind.

Aus der Deutschen Gebrauchsmusteranmeldung DE 9209584 U1 ist ferner ein aufsteckbarer Kugelkopf bekannt, dessen massives Kugelteil axial auf der innenliegenden Kupplungshülse verschiebbar ist, wobei diese Verschiebung über geeignete Mittel abgefedert und gedämpft werden soll. Diese Bauform ist schon vom konzeptionellen Ansatz her der gestellten Aufgabe nicht adäquat, da die einzig mögliche Verschiebungsrichtung in Achsrichtung des Hüftschaftzapfens verläuft, also etwa unter 45° zur hauptsächlichen anatomischen Beanspruchungsrichtung. Das sich daraus ergebende Elastizitätsverhalten ist extrem anisotrop. Nachteilig ist des weiteren der aufgrund der Reibung auftretende Verschleiß und der hohe Fertigungsaufwand der Keilnutenführung.

Eine verwandte Bauform eines gefederten Kugelkopfes ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 4204979 A1 bekannt. Hierin wird vorgeschlagen, den massiven Kugelkörper mittels einer zylindrischen Passung axial verschiebbar direkt auf dem Hüftschaftzapfen zu lagern und mittels einer Kolonne aus Tellerfedern elastisch anzukoppeln. Diese Gestaltung macht jedoch speziell angepaßte Hüftschaftzapfen erforderlich. Der Kugelkopf ist damit nicht auf die genormten und weit verbreiteten konischen Zapfen aufsteckbar. Im übrigen bestehen auch hier die Nachteile der extremen elastizitätsmäßigen Anisotropie und einer von der Beanspruchungsrichtung divergierenden Verschiebungsrichtung, sowie dem Auftreten von Verschleiß durch Reibung.

Es bestand daher die Aufgabe zur Schaffung eines federnden Kugelkopfes mit relativ isotroper Elastizitätscharakteristik bei ausreichender Beanspruchbarkeit, welcher auf die genormten Zapfen von Hüftgelenkschäften aufsteckbar sein sollte. Für den zu schaffenden Kugelkopf bestanden ferner die Forderungen nach Ermüdungs- und Verschleißfreiheit, bzw. nach kostengünstiger Herstellbarkeit. Außerdem sollte der Kugelkopf nicht nur mit verschiedenen Konustiefen herstellbar sein, sondern selbst an dem Gegenlaufpartner (Polyäthylen-Pfanne, bzw. -Inlett) möglichst wenig Abrieb verursachen.

Die beschriebene Aufgabe wird nach der Erfindung gemäß den in dem Hauptanspruch sowie den Unteransprüchen gegebenen Lehre gelöst. Danach ist die aufsteckbare Hüftgelenkkugel aus drei Elementen einstückig ausgeführt. Davon ist das erste Element der eigentliche Kugelkörper, das zweite Element die innenliegende konische Hülse, und das dritte Element ein elastisches Zwischenglied, welches in den Kraftübertragungsweg zwischen erstem und zweitem Element eingebunden und mit seinen Ankoppelpunkten bzw. -flächen stoffschlüssig fest mit den beiden erstgenannten Elementen verbunden ist.

Das vorgenannte Konzept wird gemäß weiterer Erfindung noch dadurch erheblich aufgewertet, daß der massive und nur in seinem Zentrum mit einer Aussparung versehene übliche Kugelkörper durch eine verhältnismäßig dünnwandige Kugelschale ersetzt wird, welche selbst eine bestimmte Mindestelastizität besitzt. Diese Idee berücksichtigt die Tatsache, daß zwischen den beiden artikulierenden Körpern Kugel und Pfanne im unbelasteten jungfräulichen Zustand ein Lagerspiel besteht. So ist es z.B. üblich, den äußeren Durchmesser der Kugel mit 32 Millimetern und einem Abmaß von bis zu 50 Mikrometern zu fertigen, während der innere Durchmesser der Polyäthylen-Pfanne mit bis zu 32,3 Millimetern festgelegt wird. Daraus ergibt sich ohne Belastung im Prinzip eine lediglich punktförmige Berührungsfläche zwischen den beiden Gleitpartnern. Unter Last wird diese punktförmige Berührungsfläche dadurch zu einer Kreisfläche vergrößert, daß die Polyäthylen-Pfanne bzw. das Polyäthylen-Inlett unter Auftritt von Kaltfluß deformiert wird. Messungen haben gezeigt, daß die gesamte elastische Verformung eines Polyäthylen-Inletts nur im Bereich von bis zu 6 Mikrometern abläuft, ein Wert, welcher keinesfalls ausreicht, um eine der kräftemäßigen Beanspruchung entsprechende Auflagefläche zu schaffen. Die in kleinsten Flächenbereichen taktmäßig auftretenden Überbeanspruchungen und die Erzeugung von Kaltfluß können nicht ohne Auswirkungen auf den Verschleiß an der Polyäthylenfläche bleiben.

Hier setzt die Erfindung mit dem Vorschlag an, die Kugelschale in ihrer Wandstärke so weit auszudünnen, daß einerseits die erforderliche Dauerbiegewechselfestigkeit noch gegeben ist, andererseits eine in Bezug auf die gewünschte Anschmiegung ausreichende Elastizität erzielt wird. Anhand von Finite-Elemente-Analysen wurde gefunden, daß je nach herangezogenem Werkstoff Kugelschalen mit Wanddicken zwischen etwa 0,8 und 3 Millimeter für die Realisierung der ins Auge gefaßten Zielsetzung gut geeignet sind. Im Ergebnis werden an der jeweiligen Belastungsfläche weich übergehende Abplattungen des Kugelmantels auftreten, welche in ihrer Fläche der Belastungsgröße proportional sind und bei korrekter Berechnung der Wanddicke eine entsprechend großflächige Auflage zum Reibpartner bilden. Durch diese Maßnahme entsteht im Hinblick auf die Abriebverminderung an der Pfanne bzw. dem Inlett aus Polyäthylen ein multiplikativer Effekt dadurch, daß einerseits durch die Elastizität der Kugelschale die zur Einwirkung kommenden Kräfte auf eine größere Fläche verteilt werden, andererseits diese Kräfte ihrer Amplitude nach durch die federnden Eigenschaften des elastischen Zwischengliedes herabgesetzt sind. Dieser Gesichtspunkt ist deshalb besonders wichtig, da der Abrieb bekanntlich überproportional zur Reibkraft ansteigt.

Mit der Erfindung wird eine bevorzugte Ausführungsform des aufsteckbaren Kugelkopfes vorgeschlagen, wobei das elastische Zwischenglied eine s-förmige Gestalt besitzt. Eine derartige Gestaltung ist nicht ohne weiteres in einem Stück herstellbar, sodaß sie aus einzelnen Teilen z.B. mittels Zerspanung oder Umformung hergestellt und danach z.B. schweißtechnisch zu einem Stück verbunden werden müssen. Heute stehen dafür qualitativ hochwertige Schweißverfahren zur Verfügung, z.B. das Laserschweißen oder das Elektronenstrahlschweißen, welche für die Herstellung größerer Serien auch wirtschaftlich sind.

Daneben wären die erfindungsgemäßen Kugelköpfe einstückig wesentlich einfacher im Feingußverfahren herstellbar. Zur Zeit kann jedoch keine verläßliche Aussage darüber gemacht werden, ob die bei Feingußwerkstoffen reduzierten Festigkeitswerte einer Dauerbeanspruchung sicher gewachsen wären.

Für die Herstellung des erfindungsgemäßen aufsteckbaren Hüftgelenkkopfes sind als Werkstoffe z.B. Chrom-Kobalt-Molybdän-Legierungen oder Titanlegierungen verwendbar. Beide Werkstoffgruppen sind als Schmiedelegierungen von ihrer Festigkeit her geeignet.

Titanlegierungen (z.B. Titan-Aluminium-Vanadium bzw. Titan-Aluminium-Niob) besitzen gegenüber Chrom-Kobalt-Molybdän-Legierungen einen etwa auf die Hälfte reduzierten Wert des E-Moduls, was für die hier vorliegende Anwendung etwa eine Verdoppelung des Federweges bedeutet. Vorteilhaft erscheint die Verwendung einer Titanlegierung auch durch ihre gute Körperverträglichkeit, bzw. durch die im Falle der Kombination mit einem Titanschaft gegebene Werkstoffgleichheit, welche einer Elementbildung vorbeugt. Allerdings sind Titanlegierungen als schlechte Reibpartner bekannt, sodaß für die polierte Kugeloberfläche eine geeignete Beschichtung unerläßlich ist.

In dieser Beziehung wird vorgeschlagen, die Oberfläche des Kugelkopfes mit einer der heute zur Verfügung stehenden Beschichtungen mittels z.B. des PVD- bzw. CVD-Verfahrens zu versehen, um den Reibbeiwert abzusenken. Mittels einer gleichzeitigen Beschichtung der inneren Konusfläche kann daneben ein Festfressen des aufsteckbaren Kugelkopfes auf dem Zapfen des Schafts sicher unterbunden werden. Besonders vorteilhaft ist eine Beschichtung des Kugelkopfes mit einem dotierten superharten Kohlenstoff mittels des PCVD-Verfahrens, wobei diamantartige Eigenschaften erzielbar sind. Eine derartige Schicht, die unter dem Markennamen DYNAMANT^® der IKOS GmbH, Hösbach, bekannt ist, besitzt nicht nur niedrigste Werte der Trockenreibung, sondern auch eine sehr hohe elastische Rückfederung, sodaß sie für die vorliegende Anwendung geradezu ideal ist. Bei der Heranziehung einer Titanlegierung als Substrat werden im Übergangsbereich zur Beschichtung Titancarbide gebildet, wodurch äußerst stabile chemische Bindungen geschaffen werden. Ein Abplatzen der Beschichtung ist daher nicht zu befürchten. Außerdem ist für die genannte Schicht die Biokompatibilität nachgewiesen.

Die Erfindung soll anschließend mittels der einzigen Zeichnungsfigur anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Zeichnungsfigur zeigt einen auf einen üblichen Zapfen eines Hüftgelenkschaftes aufsteckbaren Kugelkopf des Kopfdurchmessers 32 Millimeter in der sogenannten Kurzhalsversion im Maßstab von etwa 2:1 in einer geschnittenen Darstellung. Bei Finite-Elemente-Analysen erwies sich die gezeigte Gestaltung im Vergleich zu ähnlichen Ausführungen als besonders vorteilhaft, wobei das zwischen der konischen Buchse und der Kugelschale angestrebte elastisch federnde Verhalten mittels der Geometrie der Bauteile, den jeweiligen Wandstärken und den Eigenschaften des Materials gut einstellbar ist.
Bei dem Beispiel geht die Kugelschale 2 an ihrem unteren Rand 6 weich in das elastische Zwischenglied 4 über, welches seinerseits im Bereich 7 in die konische Hülse 3 einmündet. Bei der FE-Analyse ergab sich unter der Annahme einer Impulslast von 300 kg für den Fall der Verwendung einer Titanlegierung bei einer Wandstärke zwischen etwa 1,2 und 1,3 Millimeter für das Zwischenglied ein recht isotropes Federungsverhalten mit Federwegen von bis zu 0,1 Millimeter. Dabei lagen die Maximalspannungen bei Werfen von bis zu etwa 380 N/mm² und somit in einem deutlichen Sicherheitsabstand zu den für eine Dauerbeanspruchung zulässigen Spannungen von etwa 500 N/mm². Die FE-Analysen lieferten ferner Hinweise darauf, daß Wandstärken für die Kugelschale zwischen etwa 1,5 und 1,8 Millimeter problemlos niedrige Beanspruchungen ergeben und gleichzeitig die auch für die Kugelschale selbst angestrebte Minimal-Elastizität sicherstellen.
Generell besteht bezüglich des gezeigten Ausführungsbeispiels die Wahlmöglichkeit, in den Nebenschluß des Kraftwegs zum elastischen Zwischenglied aus Metall zusätzlich ein Zwischenglied aus einem Elastomer einzugliedern, etwa durch teilweises Auffüllen der Hohlräume. Ein direkter Körperkontakt des Elastomers bzw. ein Kontakt des Elastomers mit der Synovialflüssigkeit wäre damit weitgehend unterbunden, sodaß die prinzipielle Verwendung eines Elastomers unter diesen Umständen weniger kritisch zu beurteilen wäre. Da die angestrebten Funktionen jedoch auch mittels der reinen Ganzmetallausführung erzielbar sind und die Einbindung zusätzlicher Komponenten aus einem Elastomer zu einem höheren Herstellaufwand führen würde, werden entsprechende Gestaltungen wohl als weniger vorteilhaft einzustufen sein.
Die erfindungsgemäße Kugelkopf ist problemlos auch als so genannter Großkopf herstellbar. Derartige Großköpfe werden benötigt, wenn ein Patient einen künstlichen Hüftschaft erhält, z.B. nach einem Oberschenkelhalsbruch, ein Ersatz der eigenen Hüftpfanne jedoch nicht erforderlich ist.
Mit der Erfindung wird ein auf gängige Hüftgelenkschäfte mit genormten Anschlußzapfen aufsteckbarer Kugelkopf zur Verfügung gestellt, welcher günstige Auswirkungen auf die Benutzungsdauer solcher künstlichen Gelenke dadurch erwarten läßt, daß er durch seine Federwirkung eine Dämpfung der dynamischen Beanspruchung des beteiligten Knochenapparates insbesondere an den Kontaktstellen zum Implantat vermindert. Gleichzeitig wird der ärgerliche Verschleiß des artikulierenden Reibpartners aus Polyäthylen durch eine multiplikative Auswirkung der verschiedenen elastischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Kugelkopfes deutlich herabgesetzt, indem einerseits die einwirkenden Lastspitzen ihrer Amplitude nach mittels des elastischen Zwischengliedes vermindert und andererseits durch eine elastische Anschmiegung der Kugelschale auf eine größere Fläche verteilt werden. Die Erfindung ist daneben mit vertretbarem Aufwand in die Praxis umsetzbar, wobei zum großen Teil auf bewährte Materialien und Verfahren zurückgegriffen werden kann.

Claims

Aufsteckbarer Kugelkopf (1) für Hüftgelenkimplantate, aus einem metallischen Körper (2) mit kugelförmiger Oberfläche, einer zentral liegenden konischen Hülse (3), und einem zwischen metallischen Körper und konischer Hülse angeordneten elastischen Zwischenglied (4) aus Metall, wobei der innere Konus (5) der Hülse (3) als genormte Schnittstelle zum Aufstecken auf einen Hüftschaft dient, dadurch gekennzeichnet, daß der aufsteckbare Kugelkopf einstückig ausgebildet ist.
Aufsteckbarer Kugelkopf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die kugelförmige Oberfläche bildende metallische Körper (2) aus einer im wesentlichen dünnwandigen Schale mit einer gewissen Mindestelastizität gebildet ist.
Aufsteckbarer Kugelkopf gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke seiner Schale im Bereich zwischen 0,8 und 3 Millimeter ausgewählt ist.
Aufsteckbarer Kugelkopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des metallischen Körpers, der konischen Hülse und des elastischen Zwischengliedes jeweils im wesentlichen homogen ist.
Kugelkopf gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Zwischenglied im wesentlichen eine s-förmige Gestalt besitzt.
Kugelkopf gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum elastischen Zwischenglied aus Metall ein Zwischenglied aus einem Elastomer in den Nebenschluß des Kraftübertragungsweges zwischen metallischem Körper, elastischem Zwischenglied und konischer Hülse eingefügt ist.
Kugelkopf gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als metallischer Werkstoff eine biokompatible Legierung, z.B. eine Chrom-Kobalt-Molybdän-Legierung, bzw. vorzugsweise eine Titanlegierung, z.B. eine Titan-Aluminium-Niob-Legierung verwendet ist.
Kugelkopf gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberflächenbeschichtung zur Verminderung des Abriebs des Gegenlaufpartners aufgebracht ist, z.B. aus TiN, bzw. vorzugsweise aus einem elastischen diamantartigen Kohlenstoff hoher Härte und Glätte.