DE19904436A1 - Hip joint socket with coupling element between socket housing and socket insert - Google Patents
Hip joint socket with coupling element between socket housing and socket insertInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Hüftgelenkpfanne entsprechend dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.The invention relates to an acetabular cup according to the preamble of the first Claim.
Hüftgelenkpfannen sind ein Bestandtteil von Hüftgelenk-Endoprothesen, die in der Regel modular aufgebaut sind. Die Endoprothesen bestehen beispielsweise aus einem Schaft, der in den Oberschenkelknochen eingesetzt wird, und einer in den Hüftknochen implantierten Pfanne. Auf den Schaft wird ein Kugelkopf aufgesteckt, der in der Regel in einer aus zwei Teilen aufgebauten Pfanne gelagert wird. Die Pfanne besteht aus einem Pfannengehäuse, dem sogenannten Metal-back, und einem Pfanneneinsatz, dem sogenannten Insert, aus Kunststoff oder Keramik. Bei den modular aufgebauten Endoprothesen werden Implantatkomponenten unterschiedlicher Materialien und Größen miteinander verbunden. Die Kombination der einzelnen Teile wird in der Regel durch die Gelenkabmessungen vorgegeben.Acetabular cups are a component of hip joint endoprostheses that are used in the Are generally modular. The endoprostheses consist of, for example a shaft that is inserted into the thigh bone and one in the Hip bone implanted pan. A ball head is attached to the shaft is usually stored in a pan made up of two parts. The pan consists of a pan housing, the so-called metal-back, and one Pan insert, the so-called insert, made of plastic or ceramic. Both modular endoprostheses become implant components different materials and sizes combined. The combination the individual parts are usually specified by the joint dimensions.
Bei Hüftgelenkpfannen, die aus einem Pfannengehäuse und einem in das Pfannengehäuse einsetzbaren Pfanneneinsatz aus Keramik bestehen, müssen die Fügeflächen der beiden Komponenten genau bearbeitet werden, weil bei Ungenaugigkeiten ungleichmäßige Spannungskonzentrationen in den Pfanneneinsätzen auftreten können, die zu einer Herabsetzung der Festigkeit des Bauteils führen. Wie aus der DE 43 37 936 A1 bereits bekannt ist, werden aus diesem Grund Mittel zur Homogenisierung der Kraftübertragung zwischen dem Pfanneneinsatz aus Keramik und dem Pfannengehäuse aus Metall angeordnet. Bekannt ist eine Schicht aus Kunststoff, insbesondere Polyethylen. Ein Kopplungselement aus Polyethylen hat allerdings den Nachteil, daß es nicht kaltflußbeständig ist. Außerdem können Relativbewegungen zwischen dem Kopplungselement und dem Pfannengehäuse auftreten, wodurch Abrieb erzeugt werden kann. Weiterhin ist es nachteilig, daß die Fläche im Pfannengehäuse, auf dem der Pfanneneinsatz aus Keramik aufliegt, empfindlich ist gegen operationsbedingter Verschmutzungen, beispielsweise Knochensplitter. Solche Verunreinigungen können die Haltbarkeit des Pfanneneinsatzes im Pfannengehäuse erheblich herabsetzen.In acetabular cups, which consist of a socket housing and one in the The pan insert can be made of ceramic, the Joining surfaces of the two components can be machined precisely because at Inaccuracies in uneven stress concentrations in the Pan inserts can occur, leading to a reduction in the strength of the Lead component. As is already known from DE 43 37 936 A1, from this Basic means of homogenizing the transmission between the Pan insert made of ceramic and the pan housing made of metal. A layer of plastic, in particular polyethylene, is known. On Coupling element made of polyethylene has the disadvantage that it is not is cold flow resistant. In addition, relative movements between the Coupling element and the socket housing occur, which creates abrasion can be. It is also disadvantageous that the surface in the pan housing on the the ceramic cup insert rests, is sensitive to surgery-related Soiling, for example bone fragments. Such contaminants can significantly reduce the durability of the pan insert in the pan housing.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hüftgelenkpfanne, bestehend aus einem Pfannengehäuse aus Metall und einem darin eingesetzten Pfanneneinsatz aus Keramik mit einem dazwischen angeordneten Kopplungselement vorzustellen, bei dem das Kopplungselement durch kontrollierte Deformierbarkeit einen homogenen Kraftfluß bewirkt und kleine Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche der miteinander verbundenen Komponenten sowie Verunreinigungen zwischen den beiden Komponenten auszugleichen in der Lage ist.It is therefore the object of the present invention to provide an acetabular cup, consisting of a metal pan housing and one inserted in it Ceramic insert with a coupling element arranged between them to introduce, in which the coupling element through controlled deformability causes a homogeneous flow of force and small irregularities in the surface the interconnected components and contaminants between the is able to balance two components.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit Hilfe der kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beansprucht.The task is solved with the help of the characteristic features of the first Claim. Further advantageous embodiments of the invention are in the Claimed claims.
Durch eine gezielte Gestaltung der Oberflächenstruktur und des inneren Aufbaus des Kopplungselements, insbesondere seiner Porosität, werden erfindungsgemäß seine Elastizität und Dämpfungseigenschaften und dadurch die Krafteinleitung in die mit ihm gekoppelten Körper vorgegeben. Eine Ausführung poröser Kopplungselemente ist als Wickelkörper herstellbar. Durch eine gezielte Ablage der Fäden auf einem Körper, der zumindest angenähert die Form hat, die das Kopplungselement erhalten soll, ist die Porosität des Wickelkörpers und seine Oberflächenstruktur steuerbar. Die Porosität läßt sich bei zylindrisch oder konisch geformten Wickelkörpern, wie sie beispielsweise auf Spulmaschinen auf Hülsen gewickelt werden können, durch die Einstellung des Kreuzungswinkels, des Abstands der nebeneinander abgelegten Fäden (Fadenhub) sowie der Fadenspannung während des Wickelvorgangs vorgeben.Through a targeted design of the surface structure and the internal structure of the Coupling element, in particular its porosity, will be his Elasticity and damping properties and thereby the introduction of force into it coupled body specified. An execution of porous coupling elements is as Winding body producible. Through a targeted placement of the threads on a body that is at least approximately the shape that the coupling element is to receive Porosity of the winding body and its surface structure controllable. The porosity can be in the case of cylindrical or conically shaped packages, such as can be wound on spools on cores by adjusting the Crossing angle, the distance between the threads placed next to each other (thread stroke) as well as the thread tension during the winding process.
Statt eines Wickelkörpers kann das Kopplungselement auch eine gewebeartige Struktur aufweisen. Durch die Webart, d. h. der Abstand der Fäden zueinander und ihre Verflechtung, kann die Porosität und die Oberflächenbeschaffenheit, die Rauhigkeit, beeinflußt werden. Auch der Aufbau eines Kopplungselements aus mehreren Gewebelagen gibt die Möglichkeit, auf die Porosität und damit auf seine Deformierbarkeit Einfluß zu nehmen.Instead of a winding body, the coupling element can also be a fabric-like one Have structure. By the weave, d. H. the distance between the threads and their intertwining, the porosity and the surface texture, the Roughness. Also the construction of a coupling element Several layers of fabric give the opportunity to look at the porosity and thus on its Deformability.
Die Oberflächenstruktur wird bei den Wickelkörpern und bei den Geweben im wesentlichen durch den Fadendurchmesser, die Fadenform - flach, rund oder gezwirnt, sowie die Ablage bzw. Verflechtung der Fäden bestimmt. Dadurch, daß die Fäden sowohl beim Wickelkörper als auch bei einer gewebeartigen Struktur mit variablen Abständen zueinander verarbeitet werden können, entstehen in den Kreuzungspunkten der Fäden Erhebungen auf der Oberfläche der Wickelkörper bzw. des Gewebes, während aufgrund der Abstände zwischen den Fäden die Poren entstehen. An der Oberfläche beeinflussen deshalb die Kreuzungspunkte und die Abstände der Fäden die Struktur, die Rauhigkeit, des Kopplungselements.The surface structure is in the winding form and in the fabrics in essentially by the thread diameter, the thread shape - flat, round or twisted, and the filing or interlacing of the threads determined. Because the Threads with the winding body as well as with a fabric-like structure variable distances to each other can be processed in the Crossing points of the threads elevations on the surface of the winding body or of the tissue, while due to the spacing between the threads the pores arise. Therefore, the intersection points and the influence on the surface Spacing of the threads the structure, the roughness, the coupling element.
Obwohl das Kopplungselement zwischen Pfannengehäuse und Keramikeinsatz im wesentlichen von dem Knochen und dem Körpergewebe abgeschirmt ist, besteht aufgrund der Körperflüssigkeit doch die Möglichkeit einer Interaktion zwischen dem Werkstoff des Kopplungselements und dem Körpergewebe. Aus diesem Grund sind die Fäden der Wickelkörper beziehungsweise der Gewebe aus einem biokompatiblen Werkstoff hergestellt. Als Werkstoffe eigenen sich alle in der Prothetik bereits als biokompatibel erachteten Werkstoffe. Die Fäden können deshalb beispielsweise aus Metall oder einer Metalllegierung wie beispielsweise Chrom, Wolfram-Chrom, Kobalt- Chrom, und Titan sein. Als besonders wirkungsvoll haben sich Fäden aus Kohlenstoff erwiesen, die eine besonders hohe Zugfestigkeit aufweisen und außerdem aus einem Element bestehen, das im Körper selbst vorhanden ist. Insbesondere durch Fäden aus Kohlenstoff ist es möglich ein Kopplungselement so zu gestalten, daß es sich bei einer Belastung nicht in Richtung seiner Flächenausdehnung verformt. Although the coupling element between the socket housing and the ceramic insert in the is essentially shielded from the bone and the body tissue due to the body fluid the possibility of an interaction between the Material of the coupling element and the body tissue. Because of this, are the threads of the winding body or the fabric from a biocompatible Made of material. All materials in prosthetics are already suitable as materials biocompatible materials. The threads can therefore, for example Metal or a metal alloy such as chrome, tungsten chrome, cobalt Chrome, and titanium. Threads made of carbon have proven particularly effective proven that have a particularly high tensile strength and also from one There is an element that is present in the body itself. Especially through threads made of carbon, it is possible to design a coupling element so that it is a load is not deformed in the direction of its surface area.
Um die Herstellung eines Kopplungselements in der entsprechend gewünschten Form zu erleichtern ist es von Vorteil, wenn die Fäden bzw. die Fadenlagen durch ein Fixiermittel in ihrer Lage fixiert sind. Als Fixiermittel können beispielsweise Epoxidharze eingesetzt werden. Auch hier gilt, daß das Fixiermittel aus einem bioinerten bzw. biokompatiblen Werkstoff bestehen muß.To manufacture a coupling element in the desired shape To facilitate, it is advantageous if the threads or the thread layers through a Fixing agents are fixed in their position. As a fixative, for example Epoxy resins are used. It also applies here that the fixing agent consists of one bio-inert or biocompatible material must exist.
In einer weiteren Ausführungsform können neben Wickelkörpern und Geweben auch Kopplungselemente als Sinterkörper oder Schwammkörper hergestellt werden. Beispielsweise lassen sich aus Kugeln oder Körnern eines biokompatiblen Werkstoffs, insbesondere aus den bekannten, oben bereits aufgeführten biokompatiblen Metallen, Kopplungselemente in jeder gewünschten Form sintern, wobei durch die Kugelgröße oder Korngröße gleichzeitig die Porengröße innerhalb des Sinterkörpers sowie seine Oberflächenstruktur bestimmt. Bei Schwammkörpern, die beispielsweise durch Begasung von Metallschmelzen hergestellt werden können, kann durch entsprechende Zufuhr des Begasungsmittels der Porengehalt und die Porengröße beeinflußt werden.In a further embodiment, in addition to winding bodies and fabrics Coupling elements are produced as a sintered body or sponge body. For example, balls or grains of a biocompatible material, in particular from the known biocompatible metals already listed above, Sintering coupling elements in any desired shape, due to the ball size or grain size simultaneously the pore size within the sintered body and its Surface structure determined. For spongy bodies, for example, by Fumigation of molten metals can be produced by appropriate supply of fumigant the pore content and pore size to be influenced.
Das Kopplungselement für eine Hüftgelenkpfanne kann, je nach zu erwartender Belastung und Größe der Endoprothese, eine Dicke bis zu 6 mm aufweisen. Sein Porenanteil kann, auf die gewünschte Elastizität und Dämpfung abgestimmt, auf einen Anteil zwischen 20% und 90% eingestellt werden, wobei ein Porenanteil von etwa 40% als optimal angesehen wird. Je höher der Porenanteil ist, desto elastischer verhält sich das Kopplungselement.The coupling element for an acetabular cup can, depending on what is to be expected Load and size of the endoprosthesis, have a thickness of up to 6 mm. His Porosity can, depending on the desired elasticity and damping, on one Proportion between 20% and 90% can be set, with a pore proportion of about 40% is considered optimal. The higher the proportion of pores, the more elastic the coupling element behaves.
Die Rauhigkeit der Oberfläche des Kopplungselements übt ebenfalls Einfluß auf die Elastizität und Dämpfung aus. Mit höherer Oberflächenrauhigkeit nimmt die Deformierbarkeit der Oberfläche zu und dadurch bedingt steigen die Elastizität des Kopplungselements und seine Dämpfungseigenschaften. Die Oberflächenrauhigkeit wird ebenfalls der Endoprothese angepaßt und kann bei einer Rauhtiefe Ra zwischen 2 µm und 300 µm liegen. Als vorteilhaft hat sich eine Rauhtiefe von etwa Ra = 60 µm erwiesen.The roughness of the surface of the coupling element also influences the Elasticity and cushioning. With higher surface roughness, the Deformability of the surface increases and this increases the elasticity of the Coupling element and its damping properties. The surface roughness is also adapted to the endoprosthesis and can have a roughness between Ra 2 µm and 300 µm. A roughness of about Ra = 60 µm has been found to be advantageous proven.
Die Oberflächenstruktur, d. h. die Rauhtiefe, wird, wie zuvor dargelegt, durch die Wickelverfahren oder die Webverfahren bzw. die Sintertechnik oder die Porenerzeugung beeinflußt. Insbesondere bei den aus metallischen Werkstoffen gesinterten Kopplungselementen und den Schwammkörpern kann durch eine anschließende Bearbeitung der Oberfläche, beispielsweise durch Schleifen, Sandstrahlen oder Überdrehen, die Struktur und damit die Rauhigkeit weiterhin gezielt beeinflußt werden.The surface structure, i.e. H. the surface roughness, as explained above, by the Winding process or the weaving process or the sintering technology or the Influences pore production. Especially with those made of metallic materials sintered coupling elements and the sponge bodies can by a subsequent processing of the surface, for example by grinding, Sandblasting or overturning, the structure and thus the roughness continue to be targeted to be influenced.
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail using exemplary embodiments.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Hüftgelenkpfanne, bestehend aus einem Pfannengehäuse und einem in das Pfannengehäuse eingesetzten Pfanneneinsatz aus Keramik und zwischen dem Pfannengehäuse und dem Pfanneneinsatz ein Kopplungselement, geschnitten, Fig. 1 an acetabular cup according to the invention, comprising a socket housing and a socket insert inserted into the socket housing made of ceramic, and between the socket housing and the socket insert a coupling member, cut,
Fig. 2 einen segmentförmigen Ausschnitt aus einem Kopplungselement, das aus einem Wickelkörper geformt ist, Fig. 2 shows a segment-shaped section of a coupling element which is formed of a winding body,
Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem Kopplungselement, das eine gewebeartige Struktur aufweist, Fig. 3 shows a detail of a coupling member having a web-like structure,
Fig. 4 einen segmentförmigen Ausschnitt aus einem Kopplungselement, das ein poröser Sinterkörper ist, und Fig. 4 shows a segment-shaped section of a coupling element, which is a porous sintered body, and
Fig. 5 einen segmentförmigen Ausschnitt aus einem Kopplungselement, das ein Schwammkörper ist. Fig. 5 shows a segment-shaped section of a coupling element, which is a sponge body.
In Fig. 1 ist mit 1 eine erfindungsgemäße Hüftgelenkpfanne bezeichnet. Das Pfannengehäuse 2, das Metal-back, besteht aus einem biokompatiblen Metall. Der Pfanneneinsatz 3 ist die keramische Lagerschale mit einer halbkugelförmigen Ausnehmung 4 zur Aufnahme des hier nicht dargestellten Gelenkpartners, den Kugelkopf der Femurkopf-Prothese. Mit 5 ist das Kopplungselement bezeichnet. Der Pfanneneinsatz 3 ist mittels des bekannten Klemmsitzes in das Pfannengehäuse 2 eingesetzt. Das Kopplungselement 5 hat, je nach Größe der Hüftgelenkpfanne und ihres vorgesehenen Einsatzes, eine Dicke von etwa 1 mm bis 6 mm.In Fig. 1, 1 denotes an acetabular cup according to the invention. The pan housing 2 , the metal back, consists of a biocompatible metal. The socket insert 3 is the ceramic bearing shell with a hemispherical recess 4 for receiving the joint partner, not shown here, the spherical head of the femoral head prosthesis. With 5 the coupling element is designated. The socket insert 3 is inserted into the socket housing 2 by means of the known clamp seat. Depending on the size of the acetabular cup and its intended use, the coupling element 5 has a thickness of approximately 1 mm to 6 mm.
In der Fig. 2 ist ein Viertelsegment eines Kopplungselements 6 dargestellt, das aus einem Wickelkörper geformt wurde. Deutlich zu sehen sind fünf übereinanderliegende Fadenlagen 7a bis 7e. Die einzelnen Fäden 8 sind nebeneinander abgelegt. Wie aus der Darstellung ersichtlich, bestimmen ihr Durchmesser 9 sowie ihr Abstand 10 voneinander die Abmessungen der Poren 11. Gleichzeitig ist ersichtlich, daß der Durchmesser 9 der Fäden 8 auf der Oberfläche 12 im wesentlichen die Rauhigkeit 13 bestimmt. Weiterhin nehmen der Durchmesser und die Tiefe der Poren 11, die mit der Oberfläche 12 in Verbindung stehen und damit offen sind, Einfluß auf die Rauhigkeit 13 der Oberfläche 12. Wie aus der Fig. 2 weiterhin ersichtlich ist, sind die Fäden in ihrer Lage mittels eines Fixiermittels 14, beispielsweise mittels eines Epoxidharzes, fixiert.In FIG. 2, a quarter segment of a coupling member 6 is shown, which has been formed from a wound body. Five thread layers 7 a to 7 e lying one above the other are clearly visible. The individual threads 8 are placed next to one another. As can be seen from the illustration, their diameter 9 and their distance 10 from one another determine the dimensions of the pores 11 . At the same time it can be seen that the diameter 9 of the threads 8 on the surface 12 essentially determines the roughness 13 . Furthermore, the diameter and the depth of the pores 11 , which are connected to the surface 12 and are therefore open, influence the roughness 13 of the surface 12 . As can also be seen from FIG. 2, the threads are fixed in their position by means of a fixing means 14 , for example by means of an epoxy resin.
Fig. 3 zeigt die Struktur eines Kopplungselements 15, das aus zwei Gewebeschichten A und B aufgebaut ist. Auch hier ist deutlich zu sehen, daß der Durchmesser 16 der Fäden 17 sowie ihr Abstand 18 voneinander innerhalb der jeweiligen Gewebelage A oder B sowie zwischen den einzelnen Gewebelagen A und B die Größe der Poren 19 sowie die Struktur der Oberfläche 20 und damit die Rauhigkeit 21 beeinflussen. Fig. 3 shows the structure of a coupling element 15 which is composed of two tissue layers A and B. It can also be clearly seen here that the diameter 16 of the threads 17 and their distance 18 from one another within the respective fabric layer A or B and between the individual fabric layers A and B, the size of the pores 19 and the structure of the surface 20 and thus the roughness 21 influence.
In Fig. 4 ist das Segment eines Sinterkörpers als Kopplungselement 22 dargestellt. Der Sinterkörper 22 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus zusammengesinterten Kugeln 23 eines biokompatiblen Metalls. Der Durchmesser 24 der Kugeln 23 bestimmt die Abmessungen der Poren 25 sowie die Oberflächenstruktur der Oberfläche 26 und damit ihre Rauhigkeit 27.In FIG. 4, the segment is shown a sintered body as a coupling element 22. In the present exemplary embodiment, the sintered body 22 consists of balls 23 of a biocompatible metal sintered together. The diameter 24 of the balls 23 determines the dimensions of the pores 25 and the surface structure of the surface 26 and thus their roughness 27 .
In Fig. 5 ist mit 28 das Segment eines Kopplungselements bezeichnet, das ein Schwammkörper ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiels wird die Struktur des Kopplungselements 28, im Gegensatz zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel, durch die Größe der Poren 29 bestimmt, die in das biokompatible Metall 30 eingebracht werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Poren unregelmäßig geformt und teilweise zusammenhängend und bilden somit eine Schwammstruktur. Die Poren können in dem Metall durch Begasung oder durch sogenannte Platzhalter während des Sinterprozesses erzeugt werden. Platzhalter sind Stoffe in Form und Größe der Poren, die beim Sintern rückstandslos verbrennen. Das Metall 30 wird durch die Poren 29 strukturiert. Auf der Oberfläche 31 wird durch die Abmessungen der Poren 29 die Rauhigkeit 32 beeinflußt. Je kleiner die Poren 29, desto geringer die Rauhigkeit 32.In Fig. 5 is referred to with the segment 28 of a coupling element, which is a sponge body. In the present exemplary embodiment, the structure of the coupling element 28 , in contrast to the previous exemplary embodiment, is determined by the size of the pores 29 which are introduced into the biocompatible metal 30 . In the present exemplary embodiment, the pores are irregularly shaped and partially connected and thus form a sponge structure. The pores can be created in the metal by gassing or by so-called placeholders during the sintering process. Placeholders are substances in the shape and size of the pores that burn without residue during sintering. The metal 30 is structured by the pores 29 . The roughness 32 is influenced on the surface 31 by the dimensions of the pores 29 . The smaller the pores 29 , the lower the roughness 32 .
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