DE19606057C2

DE19606057C2 - Metallisches Formteil für ein Knochenimplantat

Info

Publication number: DE19606057C2
Application number: DE1996106057
Authority: DE
Inventors: Horst Broziat; Ernst Joachim Hensge
Original assignee: Individual
Current assignee: Eska Implants GmbH and Co KG
Priority date: 1996-02-19
Filing date: 1996-02-19
Publication date: 2001-02-08
Anticipated expiration: 2016-02-20
Also published as: DE19606057A1

Description

Die Erfindung betrifft ein metallisches Formteil für ein Knochenimplantat, dessen Oberfläche mindestens abschnittweise eine Struktur aus einer Vielzahl von ein stückig angeformten, Hinterschnitte bildenden Ansätzen aufweist.

Aus der DE 27 30 004 C2 sind metallische Implantate bekannt, deren Oberflächen struktur aus einer Vielzahl von Ansätzen gebildet ist, die einstückig am metalli schen Formteil angeformt sind und Hinterschnitte bilden, in welche das Knochenge webe einwachsen kann. Bei dieser bekannten Struktur sind Ansätze unregelmäßig auf der Oberfläche des metallischen Formteils angeordnet, und die Ansätze besitzen vorzugsweise eine kugelförmige Gestalt. Da das angrenzende Knochenge webe, in welches das Implantat eingesetzt werden soll, jedoch eine regelhafte Struktur aufweist, ist eine optimale Anpassung der Oberflächenstruktur des Im plantats an die Struktur des Knochengewebes nicht gewährleistet; der Implantat/Knochenverbund erreicht dadurch nicht die größtmögliche Festigkeit. Außerdem gestattet die unregelmäßige Zufallsverteilung der Ansätze keine aus reichend reproduzierbare Herstellung des Implantats, und damit auch keine aus reichende Reproduzierbare der Festigkeitseigenschaften beim Einwachsen des Knochengewebes in die Oberflächenstruktur. Außerdem entstehen aufgrund der Zufallsverteilung der Ansätze auch Hinterschnitte, die - wegen der geringen Spalt breite zwischen benachbarter Ansätze - Knochensubstanz nur ungenügend ein wachsen kann, so dass derartige Zonen zur mikrostrukturellen Verankerung des Formteils nicht beitragen.

Aus der US 4,828,563 ist ein Implantat in Form einer Dreischichtstruktur aus Metallkörper, Kunststoffbeschichtung und außen liegender chemischer aktiver Oberflächenschicht bekannt. Der Metallkörper ist mit Ansätzen versehen, die eine Kugelform aufweisen und regelmäßig beabstandet sind.

Aus der DE 39 14 809 A1 ist ein metallisches Formteil bekannt, bei dem aus einer ansonsten glatten Fläche regelmäßig geformte Erhebungen z. B. Pyramiden heraus ragen. Diese pyramidenförmigen Ansätze sollen mit dem Knochengewebe, welches das Formteil in implantiertem Zustand umgibt, einen möglichst festen formschlüssi gen Verbund bilden.

Aus der DE 31 06 917 C2 sind ferner metallische Prothesenteile bekannt, die außen offene Poren oder Zellen aufweisen, in welche das anwachsende Knochengewebe nach dem Implantieren einwachsen soll. Die Herstellung dieser offenporigen oder offenzelligen Oberflächenstruktur erfolgt über ein Positivmodell, welches mit keramischer Einbettmasse umgeben wird, woraufhin das Modellmaterial entfernt, und die entstandenen, vorher von dem Modellmaterial eingenommenen Räume im verbleibenden Kern durch Metall ausgegossen werden und schließlich das Kern material entfernt wird. Die Herstellung einer entsprechend offenporigen Oberfläche ist relativ aufwendig, und die unregelmäßige Struktur, welche vorteilhafte Hinter schneidungen zum Einwachsen des Knochenmaterials aufweist, läßt sich nur in Grenzen reproduzierbar herstellen, wodurch die Zulassung derartiger Produkte durch die zuständigen Gesundheitsbehörden erschwert sein kann.

Aus der US 4 623 349 und DE 94 01 529 U1 sind verschiedene rippenförmige Profilierungen an metallischen Knochenimplantaten bekannt, die den formschlüssigen Anwuchs des umgebenen Knochenmaterials, und damit eine dauerhafte Verankerung des Implantats im Knochengewebe verwirkli chen sollen.

Aus der WO 93/07835 sind verschiedene Oberflächenstrukturen bekannt, welche im Feingußverfahren nach einem Wachsmodell gefertigt werden, wobei die Ober flächenstruktur derjenigen eines Gewirkes, Gewebes oder eines Geflechts ent spricht und dem angrenzenden Knochengewebe eine Gitter- oder Stegstruktur oder eine Gewirkstruktur darbietet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein metallisches Formteil der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß eine einfache, reproduzierbare Oberflächenstruktur mit definierten, reproduzierbaren Hinterschneidungen verwirklicht wird, welche die dauerhafte Verankerung des Implantats im Knochengewebe ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei dem metallischen Formteil der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Ansätze stabförmige Stiele und an ihren freien Enden jeweils einen verbreiterten Kopf aufweisen und längs vor gegebener Kurven in vorgegebenem Abstand voneinander angeordnet sind.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass die Oberflächenstruktur regelhaft angeordnete Ansätze aufweist, die stabförmig ausgebildet sind und an ihrem freien Ende einen verbreiterten Kopf aufweisen. Die Regelhaftigkeit der Strukutr beinhaltet, dass die Ansätze längs vorgegebener Kurven angeordnet sind und voneinander einen vorgebbaren Abstand besitzen. Dadurch lässt sich die Oberflächenstruktur des Knochenimplantats der regelhaften Struktur anpassen, welche das Knochengewebe aufweist, in welche das Implantat eingesetzt werden soll. Die Strukturanpassung, insbesondere auch die geeignete Wahl der Abstände benachbarter Ansätze ermöglicht ein gleichmäßiges Einwachsen des Knochengewe bes in die Hinterschnitträume. Vorteilhaft ist außerdem, dass die regelmäßige Struktur der Ansätze eine reproduzierbare und damit auch zertifizierbare Herstellung der Knochenimplantate zulässt.

Die Erfindung vereinfacht die makroporöse Oberflächengestaltung von Implantaten, erlaubt das Hinterwachsen von Knochen und erlaubt Richtungspräferenzen der Trabekelanordnung. Porositäten der Trabekelabstände führen dazu, daß der Kno chen mit einem eigenen Gefäßversorgungsnetz in diese Spalten und Höhlen ein wächst und damit eine sehr große Verankerungsoberfläche hat. Dies dürfte ins besondere dann von Bedeutung sein, wenn der Mensch altert und Knochen im Rahmen der physiologischen Altersosteoporose abbaut.

Die Ansätze sind einstückig am Formteil angeformt, und die stabförmigen Stiele der Ansätze lassen sich vorteilhafterweise unter einem vor gegebenen Winkel, z. B. senkrecht am Formteil anformen. Die Ansätze besitzen im wesentlichen eine Länge, welche eine Funktion des Ortes auf dem Formteil ist. Als Sonderfall können alle Ansätze dieselbe Länge L aufweisen. Ebenfalls läßt sich die Form der Ansätze und/oder die Anzahl der Ansätze pro Flächeneinheit als Funktion des Ortes vorgeben. Besonders bevorzugt können die Ansätze auch nur in vor gegebenen Bereichen des Formteils vorgesehen sein, an denen das Einwachsen des Implantates in das Knochengewebe erfolgen soll, wohingegen andere Bereiche des Formteils eine glatte Oberfläche - ohne Ansätze - besitzen, so daß das Knochenge webe an diesen Zonen nur an die glatte Oberfläche heranwächst, das formschlüssi ge Einwachsen in hinterschnittene Zwischenräume also nicht stattfinden kann.

Gemäß der Erfindung sind die Ansätze längs vorgegebener Kurven in vorgegebenem Abstand voneinander angeformt. Die vorgegebenen Kurven, längs derer die Ansätze angeordnet sind, sind vorteilhafter weise dem Verlauf der Trajektorien der Knochenumgebung angepaßt. Die Ver teilung der Ansätze und der hinterschnittenen Zwischenräume an der Oberfläche des Formteils stimmt dann in idealer Weise mit der Verteilung der Spongiosabälk chenstruktur (Trabekelstruktur) überein, und durch dieses erfindungsgemäße Ordnungsprinzip läßt sich das Einwachsen der Trabekel, und damit die Veranke rungsqualität verbessern.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung überragen die Köpfe allseitig den stabförmigen Stiel der Ansätze; alternativ lassen sich die Köpfe jedoch auch so ausbilden, daß sie den stabförmigen Stiel nur in vorgegebenen Winkel segmenten radial überragen. So läßt sich z. B. der stabförmige Stiel der Ansätze zur Bildung des jeweiligen Kopfes abkröpfen.

Die Köpfe sind in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung an ihrer Oberfläche abgeplattet, sie bilden auf diese Weise eine glatte Außenkontur des Formteils, die eine genaue Festlegung der Distanz zwischen dem Wirtsknochen und dem Implantat herzustellen ermöglicht, wenn mit einem entsprechenden Werkzeug zuvor der Knochen entsprechend präpariert wird.

Der Stiel der Ansätze weist bevorzugt über seine Länge einen gleichförmigen Querschnitt auf. Alternativ kann der Stiel über die Länge jedoch auch mit einem veränderlichen Querschnitt ausgebildet sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zusätzlich einige Haftansätze am Formteil angeformt, die auf einem Stiel je einen spitz bzw. sich verjüngend nach außen auslaufenden Kopf aufweisen. Diese Haftansätze sind bevorzugt etwas länger als die übrigen Ansätze und können sich beim Implantieren mit ihrer Spitze in das angrenzende Knochengewebe eingraben und die Primär stabilität des implantierten Formteils sicherstellen. Die spitz nach außen aus laufenden Köpfe der Haftansätze können treppenförmig, pyramidenförmig etc. ausgebildet sein.

Stellt das Formteil beispielsweise eine Außenschale einer prothetischen Hüftwanne dar, so lassen sich erfindungsgemäß auf der Außenfläche des Formteils noch mehrere nach außen gerichtete Schneidanker anbringen, die als Abschnitte eines eingängigen oder mehrgängigen Schraubgewindes ausgebildet sind und ebenfalls eine mechanische Primärverankerung im präparierten Acetabulum sicherstellen. Die Schneidanker sind bevorzugt in einem Bereich der Außenfläche des Formteils angeordnet, der keine stabförmigen Ansätze enthält. Bevorzugt ist eine den Pol der Außenschale einschließende Zone frei von den stabförmigen Ansätzen, und die Schneidanker befinden sich in vorgegebenem Abstand vom Pol auf der Außen fläche. In einer Zone am umlaufenden, offenen Rand der Außenschale befindet sich erfindungsgemäß eine Strukturzone mit den erfindungsgemäßen stabförmigen Ansätzen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unter ansprüche gekennzeichnet.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Teil einer Endoprothese;

Fig. 2 eine Frontansicht der Endoprothese gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungs gemäßen Oberflächenstruktur in vergrößerter Darstellung;

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Oberflächenstruktur in vergrößerter Ausführung; und

Fig. 5 eine Aufsicht auf einen Ausschnitt der Struktur gemäß Fig. 4.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Endoprothese, nämlich eine Hüftpfanne, welche in das Acetabulum des menschlichen Beckenknochens implantiert wird und die Pfanne des menschlichen Hüftgelenkes ersetzen soll. Die Endoprothese besitzt ein metallisches Formteil 4, welches die Außenschale der dargestellten Hüftpfanne 2 bildet. In dem metallischen Formteil 4, welches näherungsweise die Form eines Kugelabschnittes aufweist, ist ein Einsatz 6 aus Kunststoffmaterial eingesetzt.

Das metallische Formteil 4 der Endoprothese weist in einem vorgegebenen Abschnitt 10 der äußeren Oberfläche 5 eine vielzahl von Ansätzen 12 auf, die aus einer ansonsten glatten Oberfläche 5 stabförmig nach außen ragen und an ihrem freien Ende jeweils einen verbreiterten Kopf 16 aufweisen. Die Ansätze 12 sind einstückig am Formteil 4 angeformt, und die stabförmigen Stiele 14 der Ansätze 12 zweigen unter einem vorgegebenen Winkel α von der an sich glatten Außenfläche 5 des Formteils 4 ab. In der dargestellten Ausführungsform sitzen die stabförmigen Stiele 14 senkrecht an der Außenfläche 5 und besitzen eine Länge L, welche eine Funktion des Ortes auf der Außenfläche 5 ist. Bei der dargestellten prothetischen Hüftpfanne nimmt die Länge L der Ansätze 12 zum Pol 3 hin stetig so ab, daß die Außenfläche 18 der Köpfe 16 auf einer stetigen Außenkontur liegen.

In der Nähe des offenen Randes 7 des metallischen Formteils 4 sind zusätzliche Haftansätze 22 angeformt, die ebenfalls unter einem vorgegebenen Winkel von der ansonsten glatten Außenfläche abzweigen und die Ansätze 12 in der Länge überragen und einen spitz nach außen auslaufenden Kopf 26 aufweisen. Die Haftansätze 22 sollen eine erste mechanische Verankerung des Formteils 4 bzw. des Implantats 2 sicherstellen. Zu diesem Zweck wird das Implantat 2 unter Krafteinwirkung so weit in das umgebende Knochengewebe eingepreßt, bis die spitzen Köpfe 26 der Haftansätze 22 sich im Knochengewebe verankern und das Implantat im knöchernen Implantatlager primär mechanisch fixieren.

In dem Ansatzreihenbereich der Außenfläche 5 des metallischen Formteils 4, also im oberen Bereich der Außenschale der prothetischen Hüftpfanne sind mehrere auswärts gerichtete Schneidanker 30 angeordnet, die als Abschnitte eines eingängigen oder mehrgängigen Schraubgewindes ausgebildet sind und an ihren freien Enden Schneidkanten aufweisen, welche sich beim Einsetzen des Implantats mechanisch in das knöcherne Implantatlager eingraben und daher die mechanische Primärstabilität des Implantats unmittelbar nach der Implantation erhöhen.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt durch benachbarte Ansätze 12, die von der ansonsten glatten Außenfläche 5 unter einem vorgegebenen Winkel α nach außen gerichtet sind und am freien Ende ihres Stiels einen verbreiterten Kopf 16 aufweisen. Die Stiele besitzen die Länge l, die Ansätze besitzen die Gesamtlänge L, und der Kopf überragt in der dargestellten Ausführungsform radial allseitig den Stiel 14 und besitzt einen Durchmesser D. Die Parameter I, L, D, α sowie der Abstand A zwischen benachbarten Ansätzen 12, außerdem auch die Form der Stiele 14 und der Köpfe 16 lassen sich für alle Ansätze gleichförmig gestalten, sie können jedoch auch eine Funktion des Ortes auf der Außenfläche 5 sein. Die Ansätze 12 lassen sich gemäß Fig. 2 auch längs vorgegebener Kurven 9 anordnen, die den Trajektorien der angrenzenden Trabekelstrukturen des Implantatlagers entsprechen. Die Parameter L, I, α, A und D sind so bemessen, daß das an grenzende spongiöse Knochengewebe in die hinterschnittenen Zwischenräume 40 einwachsen, und insbesondere hinter die Köpfe 16 wachsen und dadurch das Implantat zuverlässig und fest verankern kann.

In den Fig. 4 und 5 ist eine weitere Ausführungsform der Oberflächenstruktur im Querschnitt und in Aufsicht dargestellt. Die Ansätze 12 sitzen unter einem vorgegebenen Winkel α an der ansonsten glatten Außenfläche 5 des metallischen Formteils. Die stabförmigen Stiele 14' der Ansätze 12' gehen an ihrem freien Ende jeweils einstückig in einen verbreiterten Kopf 16' über, welcher den stabförmigen Stiel 14' jeweils in einem vorgegebenen Winkelsegment überragt. Zur Bildung des Kopfes 16' ist der stabförmige Stiel 14' jeweils in einer Richtung abgekröpft.

Zwischen den Ansätzen 12' bilden sich Zwischenräume 40 mit Hinterschneidungen aus. Wie insbesondere Fig. 5 entnehmbar ist, sind die Ansätze 12' in vorgegebenen Abständen A auf vorgegebenen Kurven 9 angeordnet, die Ausrichtung der Köpfe 16' ist eine Funktion des Ortes auf der Außenfläche 5.

Die Außenfläche 5 und/oder die Ansätze 12' können mit Materialien beschichtet sein, welche das Einwachsen des Knochens in die hinterschnittenen Zwischen räume 40 fördern.

Claims

1. Metallisches Formteil für ein Knochenimplantat, dessen Oberfläche minde stens abschnittweise eine Struktur aus einer Vielzahl von einstückig angeformten, Hinterschnitte bildenden Ansätzen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze (12) stabförmige Stiele (14) und an ihren freien Enden jeweils einen verbreiterten Kopf (16) aufweisen und längs vorgegebener Kurven (9) in vorgegebenem Abstand (A) voneinander angeordnet sind.

2. Metallisches Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmigen Stiele (14) der Ansätze (12) unter einem vorgegebenen Winkel (α) am Formteil (4) sitzen.

3. Metallisches Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmigen Stiele (14) der Ansätze (12) unter verschiedenen Winkeln (α) am Formteil (4) angeformt sind.

4. Metallisches Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmigen Stiele (14) senkrecht am Formteil (4) angeformt sind.

5. Metallisches Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze (12) alle dieselbe vorgegebene Länge (L) aufweisen.

6. Metallisches Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der Ansätze (12) als Funktion des Ortes veränderlich ist.

7. Metallisches Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Ansätze (12) und/oder die Anzahl der Ansätze (12) pro Fläche als Funktion des Ortes veränderlich ist.

8. Metallisches Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Köpfe (16) der Ansätze (12) an ihrer Oberfläche (20) abgeplattet sind.

9. Metallisches Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebenen Kurven (9), längs derer die Ansätze (12) angeordnet sind, den Trajektorien der Knochenumgebung entsprechen, in der das Formteil implantiert wird.

10. Metallisches Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Köpfe (16) der Ansätze (12) radial allseitig den stabförmigen Stiel (14) überragen.

11. Metallisches Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Köpfe (16) der Ansätze (12) den stabförmigen Stiel (14) nur in vorgegebenen Winkelsegmenten radial überragen.

12. Metallisches Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich einige Haftansätze (22) angeformt sind, die auf einem Stiel (24) je einen sich nach außen verjüngenden oder spitz nach außen auslaufenden Kopf (26) aufweisen.

13. Metallisches Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der stabförmige Stiel (14) der Ansätze (12) zur Bildung des Kopfes (16) abgekröpft ist.

14. Metallisches Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stiel (14) der Ansätze (12) über seine Länge (l) einen gleichförmigen Querschnitt aufweist.

15. Metallisches Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stiel (14) der Ansätze (12) über seine Länge (l) einen veränderlichen Querschnitt aufweist.

16. Metallisches Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es die Außenschale einer prothetischen Hüftpfanne bildet und auf seiner Außenfläche mehrere auswärts gerichtete Schneidanker (30) aufweist.

17. Metallisches Formteil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidanker (30) derart auf der Außenfläche (5) angeordnet sind, daß sie die Abschnitte eines eingängigen oder mehrgängigen Schraubgewindes bilden.

18. Metallisches Formteil nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidanker (30) in einem Bereich der Außen fläche (5) des Formteils (4) angeordnet sind, der keine Ansätze (12) enthält.