DE2142820A1

DE2142820A1 - Protheseglied

Info

Publication number: DE2142820A1
Application number: DE19712142820
Authority: DE
Inventors: Jack Chester San Diego; Ellis Willard Harrison Leucadia; Calif. Bokros (V.StA.). A6 If 13-20
Original assignee: Gulf Oil Corp., San Diego, Calif. (V.StA.)
Priority date: 1970-08-26
Filing date: 1971-08-26
Publication date: 1972-03-02
Also published as: GB1340436A; AT322090B; JPS576943B1; SE389265B; DE2142820C2; CH533982A; CA988252A; FR2105998A5; US3707006A; NO129832B

Description

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Patentanwälte Dipl.-Ing. F. "Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A."WeιCKMANN, Dipl.-Chem. B. Huber

XI

8 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 39 21/22

<983921/22>

GULF OIL CCEPOEATION

10955 John Jay Hopkins Drive

San Diego, California, V. St. A.

Protheseglied

Die Erfindung bezieht sich auf künstliche Glieder für orthopädische Zwecke.

Die Anwendung von künstlichen Gliedern zum Zwecke einer Eeparatur oder eines Austausches eines Knochengebildes in einem lebenden Körper ist bereits bekannt. Die herkömmliehen künstlichen Glieder sind aus Metallen, Keramik und Kunststoffen hergestellt worden, und zwar je nach ihrer beabsichtigten Anwendung.

Eine Forderung für einen zufriedenstellenden Betrieb

an ein künstliches Glied, das ständig in einem lebenden Körper eingesetzt bleibt, ergibt sich daraus, daß das betreffende Glied physiologisch unwirksam seinen, und " zwar während unendlich langer Zeitspannen. Eine mit her-

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kömmlichen Gliedern verbundene Schwierigkeit "besteht nun darin, dass die Materialien, aus denen diese Glieder bestehen, physiologisch abgestossen werden, was zu einer Erregung des Körpergewebes oder zu einem Abbau von körperlichen Vorgängen führen kann.

Ausserdem rufen die Beanspruchungen, die im Skelett eines lebenden Körpers auftreten, das von ETatur aus für eine Last tragende Funktion ausgelegt ist, zu erheblichen Schwierigkeiten hinsichtlich der mechanischen und strukturellen Eigenschäften. Im übrigen ist die funktioneile Beziehung zwischen dem Skelett und dem übrigen Körper von derartiger biologischer Kompliziertzeit, dass sogar wesentlich grössere Schwierigkeiten der Entwicklung geeigneter Prothesen bzw. künstlicher Glieder gegenüberstehen.

Besonders akut sind dabei die Skelettbereiche, die normalerweise erheblichen Belastungen ausgesetzt sind. So scheinen herkömmliche Hüftgelenkkugel-Prothesen bis zu mehreren Jahren zufriedenstellend zu arbeiten. Derartige Prothesen bzw. künstlichen Glieder zeigen jedoch im allgemeinen die Neigung, gegebenenfalls eine Verdickung, Entzündung und Schmerzen in der Gelenkauskleidung und der Gelenkpfanne hervorzurufen.

Wenn ein Knochensegment aufgrund eines Unfalls oder chirurgischen Eingriffs verloren geht, existiert derzeit kein anderes zufriedenstellendes Verfahren als eine Knochenverpflanzung zum Zwecke des Ersatzes des fehlenden Knochensegments und Verbindung des übrigen Knochenteils. Es sind bereits Versuche unternommen worden, poröse Keramiken zu verwenden. Diese Versuche sind jedoch im wesentlichen nicht erfolgreich gewesen, und zwar nicht nur deshalb, weil derartige Materialien häufig von dem Körper nicht angenommen werden, sondern auch deshalb, weil die natürliche Ernährung beim Knochenwachstum innerhalb

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der Keramik nicht erfolgreich erreicht worden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte künstliche Glieder zu schaffen, die in besonders gutem Maße der mechanischen Anforderung des Skeletts eines lebenden Körpers nachzukommen im Stande sind und die mit dem betreffenden Skelett eine feste Verbindung einzugehen im Stande sind. Die neu zu schaffenden künstlichen Glieder sollen im übrigen In ganz besonders hohem Maße für erweiterte Funktionsanwendungen geeignet sein, wie zum Beispiel als Gelenkprothesen, Dentalprothesen, als vollständige Prothesen oder als teilweiser Knochenersatz ' und als gerippeartige Prothesen, innerhalb der und durch die natürliches, lebendes Knochengewebe zu wachsen vermag, so dass der Ersatz oder Austausch eines Knochengebildes zum Teil durch natürliche Vorgänge bewirkt werden kann. Im übrigen sind verbesserte künstliche Glieder zu schaffen, die einen Elastizitätsmodul haben, der etwa dem der natürlichen lebenden Knochen entspricht. Ausserdem sollen die neu zu schaffenden künstlichen Glieder auftretende Spannungen bzw. Beanspruchungen nicht auf die Prothese-Knochen-Trennfläche konzentrieren, sondern vielmehr in Harmonie mit dem unter Beanspruchung stehenden natürlichen Knochen sich ausbiegen können.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Pig. 1 zeigt in einer zum Teil aufgebrochen dargestellten Perspektivansicht eine Kniegelenk-Prothese.

Fig. 2 zeigt eine Unteransicht der in Fig. 1 dargestellten Kniegelenk-Prothese.

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Pig. 3 zeigen in Perspektivansichten Dental-Prothesen, die ^un in einen Kieferknochen eines lebenden Körpers eingesetzt werden können.

Fig. 5 zeigt zinn Teil im Schnitt eine Perspektivansicht einer Hüftgelenkprothese.

Fig. 6 zeigt eine Knochengerippe-Prothese, in und durch die lebendes Knochengewebe wachsen kann, so dass der Ersatz eines Knochengebildes in einem lebenden Körper zum Teil durch daa natürliche.] Knochenwachstum erfe folgen kann.

Fig. 7 zeigt zum Teil im Schnitt eine Seitenansicht der Knochengerippe-Prothese gemäss Fig. 6 zwischen zwei Segmenten eines natürlichen Knochens.

Es hat sich gezeigt, dass künstliche Glieder bzw. Prothesen mit verbesserten Eigenschaften dadurch hergestellt werden können, dass geeignete Träger bzw. Substrate mit der jeweils gewünschten Form und G-rösse mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogen werden. Die Verwendung von pyrolytischem Kohlenstoff als Überzug für Prothesen ist allgemein bekannt. (US-PS 3 526 005) Pyrolytischer Kohlenstoff ist nicht nur im Stande, die Festigkeitdes Trägers,auf den er aufgebracht ist, bedeutend zu erhöhen, sondern er ist auch im Stande, eins· Abnutzung und Beschädigung zu widerstehen, wenn er in einem lebenden Körper eingesetzt ist, und zwar während langer Zeitspannen. Obwohl nachstehend im wesentlichen auf die Verwendung von Prothesen zum Ersatz oder Austausch eines Knochengebildes in einem lebenden menschlichen Körper Bezug genommen wird, dürfte einzusehen sein, dass die verbesserten orthopädischen G-lieder auch für Veterinäre Zwecke angewendet werden können.

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Im allgemeinen wird der pyrolytisch^ Kohlenstoff auf ein geeignetes Trägermaterial derart aufgebracht, dass er zumindest einen Hauptteil der Oberfläche des betreffenden Trägermaterial überzieht. Die Dicke des aus pyrolytischem Kohlenstoff bestehenden Überzugs sollte dabei hinreichend gross sein, so dass für den beabsichtigten Zweck die erforderliche Festigkeit erzielt wird. Häufig ist es sogar erwünscht, den Überzug dazu zu benutzen, dem betreffenden überzogenen Träger eine zusätzliche Festigkeit zu verleihen. Der Überzug ist dabei zumindest 25 Mikron dick, und gewöhnlich wird er sogar * zumindest etwa 50 Mikron dick gewählt. Wenn ein ziemlich schwacher Träger verwendet wird, wie zum Beispiel ein aus künstlichem Graphit hergestellter Träger, kann es wünschenswert sein, einen dickeren Überzug aus pyrolytischem Kohlenstoff zu verwenden, um das zusammengesetzte künstliche Glied bzv/. die betreffende Prothese zu verstärken.

Obwohl ein Aussenüberzug, der nahezu gänzlich aus dichtem pyrolytischem Kohlenstoff besteht, zu einer angemessenen Körperfestigkeit führt, kann darüber hinaus auch die Ablagerung von Silicium oder irgendeines anderen karbidbildenden Zusatzes erfolgen, um die Festigkeit und Verschleissfestigkeit des Kohleiistoffüberzugs zu steigern. Wie nachstehend noch näher \ erläutert werden wird, kann Silicium in einer Menge bis zu etwa 20 Gewichtsprozent als SiO in dem pyrolytischen Kohlenstoff dispergiert sein,ohne dass dadurch die biologische Verträglichkeit des pyrolytischen Kohlenstoffs verloren geht.

Vorzugsweise wird ein isotroper pyrolytischer Kohlenstoff verwendet, der einen Bacon-Anisotropie-Faktor (im folgenden als ΒΑ-Faktor bezeichnet) von etwa 1,3 hat oder einen noch niedrigeren 7/ert. Bezüglich dieses Faktors sei auf die Zeitschrift "Journal of Applied Ohemistry^Vol. 6^ Seite 477 (1956) hingewiesen . Zum Zwecke der Erläuterung sei/hingewiesen, dass ein

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BA-Faktor von 1,0 (das ist der unterste Punkt auf der BA-Faktor-Skala) einen ausgezeichnet isotropen Kohlenstoff bezeichnet, während höhere Werte einen zunehmenden Anisotropiegrad anzeigen,

Die Dichte des pyrolytischen Kohlenstoffs wird als bedeutendes Merkmal hinsichtlich der Bestimmung der zusätzlichen Festgkeit angesehen, die der pyrolytisch^ Kohlenstoffüberzug dem jeweiligen Träger vermittelt. Die Dichte ist ferner von Bedeutung im Hinblick auf die Sicherstellung einer Gewebekomoatibilität und einer hinreichenden Abriebfestigkeit des betreffenden künstlichen Gliedes, bei dem der betreffende Kohlenstoff verwendet ist. Es ist zu berücksichtigen, dass der pyrolytische Kohlenstoff eine Dichte von zumindest etwa 1,5 g/cm^ besitzen sollte j vorzugsweise weist der pyrolytisch^ Kohlenstoff eine Dichte zwischen etwa 1,9 g/cm und etwa 2,2 g/ou auf.

Da das Trägermaterial fr die Prothese bzw. das künstliche Glied vorzugsweise vollständig von pyrolytischem Kohlenstoff umgeben wird, ist die Wahl des Materials, aus dem der Träger besteht, für sich nicht von grösster Bedeutung. Das Trägermaterial sollte jedoch die erforderliche mechanische Festigkeit und die für den in Präge kommenden Anwendungsfall der Prothese angestrebten strukturellen Eigenschaften aufweisen. Wenn bei der Anwendung des künstlichen Gliedes Teile des Trägers Körpergeweben ausgesetzt sind, wie dies zum Beispiel auf Grund der Bearbeitung des künstlichen Gliedes zu säner Endfarm auftreten kann, nachdem es in der Grundform mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogen worden iat, sollte der betreffende Träger jedoch aus Materialien ausgewählt sein, die biologisch relativ unwirksam sind. Vorzugsweise sollte hierfür künstlicher Graphit verwendet werden. Es ist ferner von Bedeutung, dass das Trägermaterial mit pyrolytischem Kohlenstoff verträglich ist. Ausserdem ist es von besonderer Bedeutung, dass das

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betreffende Katerial unter Verfahrensbedingungen geeignet ist, die für das Überziehen mit pyrolytischein Kohlenstoff vorzuliegen haben. Beispiele für geeignete Trägermaterialien umfassen künstliches Graphit, Borkarbid, Siliciumkarbid, Tantal, Molybdän, Wolfram und verschiedene Keramiken, wie Mullite.

Der Zweck künstlicher Glieder oder Prothesen besteht darin, in erheblichem Ausmass einen teilweisen Ersatz für das natürliche Knochenwachsturn zu schaffen. Angesichts dieser Tatsache wird als Trägermaterial vorzugsweise künstliches Graphit verwendet, da dieses Material einen Elastizitätsmodul von etwa 2 bis etwa 4 * 10 psi hat, also einen Wert, der gewöhnlich im Elastizitätsmodulbereich natürlicher lebender Knochen liegt. Eine besonders bevorzugte Form von Graphit für die Verwendung als Trägermaterial ist zum Beispiel polykristallines Graphit. Ein Beispiel für ein derartiges Graphit ist das polykristalline Graphit, das unter dem Handelsnamen POOO AXF Graphite vertrieben v.ird. Dieses Graphit weist eine Dichte von etwa 1,9 g/cm , eine mittlere Kristallgrösse (L ) von etwa 300 A, eine Isotropie von nahezu 1,0 auf der Bacon-Skala und einen Elastizitätsmodul von etwa 1,7 * 10 psi auf.

Wenn es erwünscht ist, zum Beispiel ein Gerippe zu schaffen, in und durch das neues Knochengewebe wachsen kann, damit nämlieh eine Prothese mit einem Knochen fest verbunden ist oder damit ein Knochengebilde teilweise durch neues, natürliches Knochengewebe ersetzt oder erneuert wird, wie dies nachstehend noch näher erläutert werden wird, können Träger, wie geeignete Metall- oder Kohlenstoffgitter, Drähte oder Fasern als Trägermaterial verwendet werden. So kann zum Beispiel ein Gitter oder Netz aus einer Legierung hergestellt sein, die 50$ Molybdän und 50$ Rhenium enthält. Gitter aus Tantal, Wolfram, Molybdän oder Legierungen daraus, die vorzugsweise mit Wolfram überzogen sind, um während des Überziehens mit pyrolytischem Kohlenstoff ein Abplatzen zu verhindern, können ebenfalls verwendet werden. Zusätzlich zu den Gittern bzw. Netzen können Faser-

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anordnungen ala Trägermaterialien verwendet werden, wie nicht miteinander verwebte Filzkörper und aus Fäden gewickelte Körper.

Der Überzug aus pyrοIytischem Kohlenstoff wird auf dem jeweiligen Träger aufgebracht, indem eine für diesen Zweck geeignete Vorrichtung verwendet wird. Vorzugsweise wird eine Vorrichtung verwendet, die einen Träger in Bewegung hält, währenddessen der Überziehprozess ausgeführt wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Überzug auf den gewünschten Oberflächen des Trägers gleichmässig verteilt ist. Zu diesem Zweck kann eine mit einer drehbaren Trommel versehene Überziehyorrichtung oder eine mit einem Schwingtisch versehene Überziehvorrichtung verwendet werden. Wenn die zu überziehenden Träger oder Substrate klein genug sind, um in einem nach oben gerichteten G-asstrom schweben zu können, wird vorzugsweise eine Überziehvorrichtung mit einer Wirbelschicht bzw. einem Wirbelbett verwendet. Werden grössere Träger verwendet oder besteht der Wunsch, die Dicke oder andere Eigenschaften des Überzugs aus pyrolytisohem Kohlenstoff über verschiedene Teile des Trägers zu ändern, so können unterschiedliche Überziehverfahren angewandt werden. So kann der betreffende Träger auf einem sich drehenden oder stillstehenden Dorn innerhalb einer grossen Wirbelschicht getragen sein.

Die Eigenschaften des Kohlenstoffs, der abgelagert wird, können dadurch geändert werden, dass die Bedingungen verändert werden, unter denen die Pyrolyse ausgeführt wird. Bei einem Wirbelschicht-Überziehverfahren, bei dem ein Gemisch eines Kohlenwasserstoffgases, wie Methan,und eines Edelgasesjwie Helium oder Argon, verwendet wird, werden durch Verändern des Volumenprozentsatzes des Kohlenwasserstoffgases, der Gesamtströmungsgeschwindigkeit des Wirbelschicht-Cfasstroms und der Temperatur, bei der die Pyrolyse ausgeführt wird, die

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Eigenschaften des abgelagerten pyrolytischen Kohlenstoffs beeinflusst.

Wie zuvor ausgeführt, kann der Überzug nahezu vollständig aus pyrolytischem Kohlenstoff bestehen. Es ist aber auch möglich, dass er einen karbidbildenden Zusatz, wie Silicium, enthält. Ein solcher Zusatz bringt, wie sich gezeigt hat, eine Steigerung der gesamten mechanischen Eigenschaften des Überzugs mit sich. Dabei kann Silicium in einer Menge bis zu etwa 20 Gew.$ bezogen auf das Gesamtgewicht von Silicium zuzüglich pyrolytischem Kohlenstoff vorgesehen J

sein, ohne dass die wünschenswerten physiologischen Eigenschäften des pyrolytischen Kohlenstoffs verlorengehen. Wird Silicium als Zusatz verwendet, so wird es· im allgemeinen in einer Menge zwischen etwa 10 und etwa 20 Gew.$ verwendet. Beispiele für andere karbidbildende Elemente, die als Zusätze in äquivalenten Gewichtsprozenten verwendet werden können, umfassen Bor, Wolfram, Tantal, Niob, Vanadium, Molybdän, Aluminium, Zirkon, Titan und Hafnium. Im allgemeinen wird ein derartiges Element nicht in einer grösseren Menge als 10 Atomprozent verwendet, und zwar bezogen auf die Gesamtatome von pyrolytischem Kohlenstoff und dem betreffenden Element.

Pyrolytischer Kohlenstoff mit den zuvor aufgeführten physikalischen Eigenschaften wird als besonders vorteilhaft bezüglich der Bildung der Oberfläche einer Prothese bzw. eines künstlichen Gliedes angesehen, da er gegenüber Stoffwechselvorgängen, Enzymen und anderen Flüssigkeiten (physiologische Flüssigkeiten) in lebenden Körpern unwirksam ist. Darüber hinaus ist pyrolytischer Kohlenstoff für ein natürliches Knochenwachstum nicht schädlich. Vorzugsweise wird pyrolytischer Kohlenstoff verwendet, der eine Dichte zv/ischen etwa 1,9 und etwa 2,2 g/cm^ aufweist, wobei die Oberflächen-Porosität

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eines derartigen Kohlenstoffs das Knochenwachstum erleichtert. Dies fördert insbesondere das natürliche Knochenwachstum, so dass eine gute Verbindung zwischen dem natürlichen Knochen und dem Protheseglied erhalten werden kann. Um das Anhaften des Knochens oder des Gewebes zu fördern, kann die Oberfläche oxydiert werden. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Oberflächenrauhigkeit erhöht wird und/oder daaa säuerstofftragende polare Gruppen auf der Oberfläche vorgesehen werden, die mit dem Gewebe oder Knochenmolekülen reagieren.

Die aus pyrolytischem Kohlenstoff bestehende Oberfläche des künstlichen Gliedes kann mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften an unterschiedlichen Oberflächenplätzen hergestellt werden. So kann zum Beispiel eine Sichte, polierte widerstandsfähige Fläche an dem angelenkten Ende einer Gelenkprothese verwendet werden, während eine rauhe, porösere Oberfläche an Stellen verwendet werden kann, an denen die Prothese mit dem natürlichen Knochen verbunden wird, um nämlich dort das Knochenwachstum zu erleichtern.

Neben einer mechanischen Änderung der Oberfläche des pyrolytischen Kohlenstoffs, wie durch Polieren, kann es erwünscht sein, andere physikalische oder chemische Modifikationen der Oberfläche des pyrolytischen Kohlenstoffs auszunutzen. So können zum Beispiel aktivierte Adsorptionsgase, wie Sauerstoff, abgeführt werden, um eine Fläche zu erhalten, die stärker Wasser abstösst. Demgegenüber kann auch eine Fläche mit einem adsorbierten Gas, wie Sauerstoff, verwendet werden, um eine Wasser stärker abstossende Fläche zu bilden. Die betreffende Fläche ist dabei chemisch entsprechend modifiziert, wie durch Bildung von Oberflächen-Hydroxylgruppen. Es wird angenommen, dass die pyrolytischen Kohlenstoff enthaltenden Oberflächen, die stärker wasserabstossend sind, wie solche mit Oberflächen-Hydroxylgruppen,für eine feste Verbindung mit

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dem natürlichen Knochengewebe förderlich aind. Darüber hinaus sollten künstliche G-lieder steril sein, bevor sie in einen lebenden Körper eingepflanzt bzw. eingesetzt werden. Die betreffenden Prothesen können dabei dadurch sterilisiert und von aktiviertem Adsorptions-Sauerstoff befreit werden, dass sie bei erhöhter Temperatur unter Vakuum erhitzt werden.

In Fig. 1 ist eine Kniegelenkprothese 10 gezeigt, die ala Ersatz von beschädigten Kniegelenken dient. Die Kniegelenkprothese 10 besteht aus einem Träger bzw. Substrat 10, auf dem eine äussere Schicht 14 aus pyrolytischem Kohlenstoff ( abgelagert ist. Die Prothese bzw. das künstliche G-lied 10 weist eine Anlenkungs-Trägerflache 16 auf, die in einer Richtung zwischen einer Vorderfläche 26 und einer Hinterfläche bogenförmig ausgebildet ist und die zur Ausübung der Funktion eines Kniegelenks so ausgelegt ist, dass sie an einer weiteren bogenförmig ausgebildeten Tragfläche eine Schwenkung auszuführen vermag. Die Tragfläche 16 ist dabei in Richtung zwischen den Seitenkanten 30 nur schwach gekrümmt. Damit wird eine Schwenkung in dieser Richtung begrenzt, wodurch eine Stabilisierung des Kniegelenks gegen eine Seitwärtsbewegung erfolgt. Die Schwenkungs-Tragfläche 16 ist mit Diamanten-Schleifpulver glanzpoliert, um die Reibung und Abnutzung zu vermindern. |

Wie besonders deutlich in Fig. 2 gezeigt, ist die der Tragfläche gegenüberliegende Seite 18 mit einer Reihe von Vorsprüngen oder Ansätzen 20 sowie mit Einschnitten oder Nuten versehen. Auf diese Weise wird eine feste, stabile mechanische Verbindung des künstlichen G-liedes bzw. der Prothese 10 mit dem natürlichen Oberschenkelknochen oder Schienbein sichergestellt. Der aus pyrolytischem Kohlenstoff bestehende Überzug auf der die Ansätze 20 und Nuten 22 aufweisenden Knochenverbindungsseite 18 ist nicht poliert; vielmehr ist auf dieser

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Seite der Rauhheitsgrad beibehalten, der mit der Ablagerung verbunden war. Darüber hinaus kann die betreffende Seite bzw. Fläche oxydiert sein, um die Verbindung zu fördern. Diese Rauhigkeit fördert die Entwicklung einer festen mechanischen Verbindung zwischen der Prothese 10 und dem natürlichen Knochen durch das Wachsen von natürlichem Knochengewebe in dem betreffenden Bereich. Der pyrolytische Kohlenstoff wird auf den vorderen und hinteren Flächen 26, 28 sowie auf den Seitenflächen 24 der Prothese 10 abgelagert. Der pyrolytische Ehlenstoff kann auf diesen Flächen auch poliert werden, um die Möglichkeit einer Entzündung von Gewebeteilen zu verringern, die mit den betreffenden Oberflächen während der Bewegung des Gelenks in Gleitkontakt gelangen können.

Der Träger 12 besteht vorzugsweise aus einem polykristallinen Graphit, wie es unter dem Handelsnamen POOO AXF Graphite vertrieben wird. Der betreffende Graphit weist eine Dichte von etwa 1,9 g/cm , eine mittlere Kristallgrösse (It ) von etwa 300 A und eine Isotropie auf der Bacon-Skala von nahezu 1,0 auf. Der Graphit weist einen Youngs-Elastizitätsmodul von 1,7 · 10 psi auf. Der Träger ist in der Form der Prothese gebildet und mit einer Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff in einer Dicke von 500 Mikron überzogen. Dieser Kohlenstoff weist eine Dichte von etwa 1,9 g/cm und einen Elastzitätsmodul von 4 * 10 psi auf. Die so zusammengesetzte Prothese 10 weist einen effektiven Elastzitätsmodul auf, der im Bereich des Elastizitätsmoduls von natürlichen, lebenden Knochen liegt. Ein natürlicher lebender Knochen weist einen Elastzitätsmodul zwischen etwa 2 * 10 und 4 * 10 psi auf.

Für den Ersatz eines beschädigten Kniegelenks wird der natürliche Knochengelenkteil, der der Prothese 10 entspricht, chirurgisch entfernt. Dem verbleibenden Ende wird eine solche Form gegeben,

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dass eine Seite erhalten wird, die zu der die Ansätze und Nute enthaltenden Seite 18 entsprechend passt. Der nicht polierte pyrolytische Kohlenstoffüberzug 14 auf der betreffenden Seite fördert dabei das n&türliche Knochengewebewachstum sowie das Anhaften des betreffenden G-ewebes. Durch die Anwesenheit des pyrolytisehen Kohlenstoffs wird die Annahme des Ersatzgliedes als ein funktionell bleibender Teil des natürlichen Knochens eingeleitet. Da die Prothese bzw. das künstliche Glied eine Festigkeit besitzt, die sehr nahe bei der Festigkeit des natürlichen Knochens liegt, wird eine ausgezeichnete Befestigung bzw. Verankerung erzielt. Das betreffende Protheseglied bleibt j dabei ständig erhalten und arbeitet wie ein natürlicher Knochen. Da der Elastizitätsmodul des Prothesegliedes 10 sehr nahe bei dem des natürlichen Knochens liegt, verformen sich somit der Knochen und'das Protheseglied, das an dem Knochen befestigt ist, elastisch und in Übereinstimmung. Auf diese Weise ist die Neigung für das betreffende Protheseglied, sich während des Arbeitens zu lockern, stark vermindert.

Es ist beabsichtigt, dass das Protheseglied 10 mit einem entsprechenden passenden Protheseglied zusammen verwendet wird. Demgemäss würde das gesamte Kniegelenk an den G-elenkenden des Oberschenkelknochens und des Schienbeins durch entsprechende Protheseglieder ersetzt werden, wie sie in Fig. 1 " und 2 gezeigt sind. Bei der Verwendung eines zusammenpassenden Kohlenstoffstücks in der oben beschriebenen Weise zeigt die polierte, bogenförmige Oberfläche 16 des pyrolytischen Kohlenstoffüberzugs eine extrem gute Abriebfestigkeit, so dass eine erneute Operation aufgrund einer Entzündung nicht notwendig wird, die durch aufgrund einer Abnutzung anfallenden Staub hervorgerufen würde. Es dürfte einzusehen sein, dass in dem Fall, dass es erwünscht oder notwendig ist, lediglich einen Teil des Kniegelenks zu ersetzen (das heisst nur/mit dem Schienbein oder Oberschenkelknochen verbundenen Kniegelenkteil)

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die Schwenkungs-Tragflache 16 mit einer anderen Form gebildet sein kann, um vorteilhafter an dem Schwenkungsende des natürlichen Knochenteils des Gelenks anzuliegen. Es dürfte einzusehen sein, dass in einem solchen 3?all die Anpassung an die physikalischen Eigenschaften eines nairlichen Knochens, wie sie durch die Verwendung des mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogenen Graphitträgers erzielt werden, gegenüber dem Pail überlegen ist, dass ein natürliches Knochenende (oder Knorpel) zum Beispiel mit einem Metall in Kontakt gelangt, das einen Elastizitätsmodul aufweist, der zehnmal höher sein mag als »k der des natürlichen Knochenendes. In den Fällen, in denen es erforderlich ist, ein Kniegelenk wieder herzustellen oder zu ersetzen, und ein zusätzlicher Ersatz weiterer Teile des natürlichen Knochens erforderlich ist, kann das dargestellte Protheseglied ohne weiteres in der Grosse je nach Bedarf vergrössert werden.

In !ig. 3 iat ein Protheseglied 40 für zahnärztliche Verwendung gezeigt. Das Dentalprotheseglied 40 besteht aus einem eine gewünschte Form besitzenden Träger bzw. Substrat 42 aus polykristallinem POCO AXF-Graphit, wie er oben bereits angegeben worden ist. Dieser G-raphit ist auf einem Überzug 44 aus ßyrolytischem Kohlenstoff abgelagert. Der Träger 42 ist dabei so hergestellt, dasa er einen rechteckförmigen oberen Stützteil 46 und einen unteren Grundteil 54 mit einem äusseren Schraubansatz oder Schraubteil 48 aufweist. Damit kann das betreffende Protheseglied in ein geeignetes Loch eingeschraubt werden, das in den Kieferknochen gebohrt ist. Auf diese Weise wird eine unmittelbare Befestigung des Prothesegliedea erzielt. Der Träger besteht aus einem mittleren Zylinderteil 50, das von dem oberen Stützteil 46 und dem Grundteil 54 mit dem Gewindebereich 48 getrennt ist. Wenn das betreffende Protheseglied somit in ein in einen Kieferknochen gebohrtes Loch eingeschraubt wird, bis das Ende 52 des Grundteiles 54 den Boden des betreffenden loches berührt, ragt das obere Stützteil 46

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in richtiger Länge durch, das Zahnfleisch hindurch.

Der obere Stützteil 46 weist eine zapfenförmige Fläche auf, an der ein Gebiss, wie ein Porzellanzahn,ohne weiteres befestigt werden kann, zum Beispiel durch herkömmliche Klebstoffe. Das anschliesaende Wachsen von natürlichem Knochengewebe führt dazu, dass das Protheseglied in dem Kieferknochen noch fester verankert wird. Der Prozellanzahn wird vorzugsweise erst dann an dem Protheseglied befestigt, nachdem ein ausreichender Knochengewebewuchs erfolgt ist, durch den das Protheseglied für die auszuführende Punktion entsprechend verankert wird.

In Pig. 4 ist ein weiteres Dentalprotheseglied 60 gezeigt, das ebenfalls aus einem polykristallinen Kohlenstoffträger und einem Aussenüberzug 64 aus pyrolytischem Kohlenstoff hergestellt sein kann. Das Protheseglied 60 weist einen oberen Stützteil 66 auf, der durch einen eine Legierung ein 10$ Wolfram und 90$ Tantal enthaltenden Draht 68 verstärkt ist. Dieser Draht 68 durchdringt den Stützteil 66 von einer Stelle aus, die etwas oberhalb der Oberfläche dieses Stützteil liegt, bis zu einer Stelle hin, die sich in den Mittelbereich 72 des betreffenden Prothesegliedes hinein erstreckt. Der Draht 68 ist dabei in den Träger 62 eingesetzt und in diesem in geeigneter Weise verklebt, bevor die Ablagerung des pyrolytischen Kohlenstoff enthaltenden Überzugs 64 auf dem Träger erfolgt. Nach Ablagerung des pyrolytischen Kohlenstoff enthaltenden Überzugs werden in dem Grundteil 74 des Prothesegliedes Einkerbungen oder Nuten 70 eingearbeitet, und zwar mit einer hinreichenden Tiefe, um durch den pyrolytischen Kohlenstoffüberzug 64 hindurchzudringen und den Träger 62 freizulegen. Das Protheseglied 60 weist einen mittleren Teil 72 von hinreichender Länge auf, so dass in dem Fall, dass der genutete Grundteil 74 in ein geeignetes, in einem Kieferknochen gebohrtes Loch eingesetzt ist, der mit pyrolytischen Kohlenstoff überzogene

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obere Stützteil 66 und der Draht 68 um eine ausreichende Strecke abstehen, ao dass ein Porzellanzahn in geeigneter Weise an diesen Elementen befestigt werden kann. Die nachbearbeiteten Nuten 70 stellen örtlich freigelegte Bereiche des porösen Trägers dar, in den Knochengewebe hineinwachsen kann. Djb3 kann in Verbindung mit der durch die Ablagerung erzielten Oberflächenrauhigkeit des Prothesegliedes dazu ausgenutzt werden, die Befestigung an dem Kieferknochen durch natürliches Knochengewebewachstum zu bewirken.

Das Protheseglied weist etwa denselben Elastizitätsmodul auf wie der natürliche Knochen, in den das betreffende Protheseglied eingesetzt wird. Dadurch führt das betreffende Protheseglied in Übereinstimmung mit dem natürlichen Knochen seine Funktionen aus, ohne dass dabei eine konzentrierte Beanspruchung an der Trennfläche zwischen natürlichem Knochen und Protheseglied auftritt. Eine solche konzentrierte Beanspruchung kann ■nämlich dazu führen, dass das Protheseglied sich während des Arbeitens lockert. Der Draht 68, auf dem pyrolytischer Kohlenstoff abgelagert ist, liefert in dem oberen Teil des Prothesegliedes eine Strukturverstärkung, ohne dabei den Modul des unteren Teils bzw. Grundteils zu beeinflussen, der in dem. natürlichen Knochen eingesetzt ist. Ausserdem ist diese Massnähme insbesondere für längere, schmalere künstliche Zähne geeignet, die wesentlich schwieriger an Prothesegliedern zu befestigen sind. Dies trifft insbesondere für Eckzähne und Schneidezähne zu.

Die mit pyrolytisehem Kohlenstoff überzogenen Dentalprotheseglieder weisen die hervorragende Festigkeit auf, die für die Erzielung einer zufriedenstellenden Leistung unter den Anforderungen benötigt wird , die bei Dental-Einsatzprothesen gefordert sind. Während zwei mögliche Konfigurationen von

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Prothesegliedern dargestellt sind, dürfte einzusehen sein, dass auch, andere Formen ebenso verwendet werden können. So kann zum Beispiel die Wuuzel eine Vielzahl von Nuten, Löchern oder Spalten aufweisen, die ursprünglich in dem Trägerteil eingearbeitet worden sind.(Ein spezieller Fall hfervon sind die in Pig. 3 dargestellten schraubenlinienförmigen Windungen). Ein glattwandiger Träger könnte ebenfalls möglicherweise verwendet werden. In diesem Fall könnte man vollständig auf die durch die Ablagerung erzielte Oberflächenrauhigkeit des pyrolytischen Kohlenstoffüberzugs vertrauen, um das Anhaften des natürlich wachsenden Knochengewebes an dem entsprechenden Protheseglied zu erreichen. Die Porosität des pyrolytischen Kohlenstoffs kann dabei verändert werden, und zwar je nach dem im Einzelfall erwünschten G-rad des Anhaftens des natürlichen Knochens an dem pyrolytischen Kohlenstoff.

Im Unterschiedidazu kann der Dentaleinsatz auch mit demselben Profil maschinell hergestellt werden wie der jeweils gezogene Zahn, wobei der betreffende Dentaleinsatz dann in das nach der ausgeführten Extraktion zurückbleibende Loch eingesetzt wird. In der Praxis kann ein Zahn gezogen werden, und von dem dait im Kiefer zurückbleibenden Hohlraum w±d ein Abdruck hergestellt. Der Zahn kann dann ersetzt werden, um die Form * des Hohlraums beizubehalten, bis das Kohlenstoff-Protheseglied hergestellt ist. Dann wird der betreffende Zahn entfernt und das Protheaeglied wird eingesetzt. Das Protheseglied ist mit dem natürlichen Gewebe des betreffenden Hohlraums kompatibel.

In ilg. 5 ist ein sfcoss-absorbierendea Hüftgelenkprotheseglied 80 dargestellt. Dieses Protheseglied 80 weist einen Kugelteil aux', der aus einem Träger 84 aus polykristallinen! Kohlenstoff mit einem Überzug 86 aus pyrolytischem Kohlenstoff hergestellt iat. Der Träger 84 weist dabei eine solche Form auf,

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dass ein wirksamer Austausch des natürlichen Knochenteila des betreffenden Gelenks bewirkt wird. Der Aussenteil des aus pyrolytischem Kohlenstoff bestehenden Überzugs 88 ist auf Hochglanz poliert,und zwar durch einen Diamantstaub-Schleifvorgang. Dadurch wird eine aussergewöhnliche Tragfläche geschaffen und die Reibung vermindert. Die Kugel 82 ist an einem Metallschaft oder einer Metallstütze 90 über eine geeignete Elastomer-Zwischenschicht 92 befestigt, die an den betreffenden Elementen angeklebt ist.

Ein allgemein verbreitetes Problem mit Metall-Hüftgelenkprothesegliedern liegt darin, dass diesen die gtoss-absorbierenden Eigenschaften natürlicher Knochen fehlen. Die Verwendung der Kugel 82, die ein mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogener Kohlenstoffträger ist, vermindert diesen Nachteil. Eine zusätzliche Polsterung bzw. Abfederung des Gelenks kann jedoch erwünscht sein. Zu diesem Zweck bewirkt die Elastomer-Zwischenschicht 92 nicht nur eine Verbindung zwischen der Kugel und dem Metallschaft 90, sondern sie übt ferner eine stossabsorbierende Funktion aus. Die stossabsorbierende Schicht 92 kann aus Polyäthylen ader irgendeinem anderen gummiartigen Material hergestellt sein. Sie kann von den Körperflüssigkeit en durch eine geeignete Abdichtung 98 geschützt sein, . die unter schwachem Druck an der Kugel und dem Metallschaft gehalten wird, und zwar durch die Vorspannung, die durch die Elastomerbefestigung geliefert wird.

An seinem der Kugel 82 gegenüberliegenden Ende ist der Schaft gö abgewinkelt. Er bildet eine Stange 100, die in eine kegelförmige Hülse 102 eingesetzt und mit dieser verbunden ist. Diese Hülse 102 ist aus polykristallineni Kohlenstoff hergestellt, der eine Aussenschicht 104 aus pyrolytischem Iöilenstoff aufweisen kann. Am Ende des Stabes 100 kann ein Befestigungsglied 106 verwendet werden, um die erwähnte Hülse

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an diesem Stab zu befestigen. Die kegelförmig ausgebildete Hülse 102 mit dem aus pyrolytischem Kohlenstoff bestehenden Überzug 104 eignet sich auaserordentlich gut für den Einsatz in den Oberschenkelknochen. Sie liefert eine ausgezeichnete Verbindung durch das Haftvermögen mit natürlichem Knochengewebe.

Im Unterschied zu dem betrachteten Fall kann das gesamte Protheseglied 80 aus einem Kohlenstoffträger hergestellt sein, auf dem ein Überzug aus pyrolytischem Kohlenstoff aufgebracht ist, und zwar entweder mit oder ohne die Stossabsorptionseigenschaft der dargestellten Ausfuhrungsform.

In gewissen Fällen, in denen ein Knochensegment aufgrund eines Unfalls eder chirurgischen Eingriffs verlorengeht, existiert zur Zeit kein anderes zufriedenstellendes Verfahren, um eine Abhilfe des betreffenden Zustande herbeizuführen, als eine Knochenauf schrumpfung der verfügbaren Knochenteile. Auf diese Weise v/erden die übrigen Knochenteile zusammengefügt oder das fehlende Knochensegment ersetzt. Der natürliche Knochen weist eine faserförmige Struktur mit in seiner Längsrichtung durchlaufenden Kanälen auf. In Fig. 6 ist ein rohrförmiges Knochensegment-Ersatzgerippe 120 dargestellt. Das betreffende Gerippe bzw. Gefüge 120 ist dadurch gebildet, dass ein Streifen eines verwebten Metallnetzes zu einer Rohrform zusammengewickelt wird, auf die dann ein Überzug 124 aus pyrolytischem Kohlenstoff abgelagert wird. Als Ketallnetz kann ein Legierungsnetz

wolfram
verwendet werden, das 10%/und 90% Tantal besitzt. Damit haben Knochenzellen, die innerhalb des G-efüges 120 gebildet werden, einen ausreichenden Zugang zu Nährstoffen, um durch die Längskanäle zwischen und durch die Windungen des zusammengerollten Netzes 120 zu verkalken (das heisst fest und tragend zu werden).

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Mitte des Gerippes bzw. Gefüges hohl. Die Dichte der Rolle, die Maschen-

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grösse des Netzes 122 und die Dicke des auf der betreffenden Rolle abgelagerten Überzugs 124 aus pyrolytischem Kohlenstoff sind Variable, die durch den jeweiligen Anweηdungsfall bestimmt sind. Die Ablagerung des Überzugs 124 aus pyrolytischem Kohlenstoff auf dem Netz 122 erfolgt derart, dass die physikalischen Eigenschaften des Netzes zum grössten Teil erhalten bleiben, das heisst die Rechteckgeometrie und die Porosität des Netzes bleiben erhalten.

Bei der Anwendung liegt das Gerippe bzw. Gefüge 120 an den Knochensegmenten an, die miteinander zu verbinden sind (oder an dem Knochensegment). Das betreffende Gerippe bzw. Gefüge wird an dem jeweiligen Knochensegment durch geeignete Einrichtungen befestigt. So kann zum Beispiel das Gerippe 120 mit einem langgestreckten Mittelkernteil 126 versehen sein, um in den Knochenmarkteil des natürlichen Knochens eingesetzt zu v/erden. Einen solchen Kernteil zeigt Fig. 6, In Fig. 7 ist das Gerippe-Protheseglied 120 in einer Lage zwischen zwei Segmenten eines natürlichen Knochens 130 dargestellt.

Da der Überzug 124 aus pyrolytischem Kohlenstoff das natürliche Knochenwaehstum fördert und da die Rechteckgeometrie des Gerippes 120 derart ist, dass Knochenzellen innerhalb des Gerippes wachsen können, währenddessen sie mit ausreichenden Nährstoffen versehen werden, stellt somit das Gerippe 120 eine Einrichtung dar, die ein natürliches Knoehengewebewaehstum ermöglicht, um fehlende oder ungesunde Knochensegmente zu ersetzen oder wiederherzustellen, und zwar insbesondere durch natürliche Vorgänge. Andere kompliziertere Formen können dadurch hergestellt werden, dass entsprechend geformte Netzschichten derart zusammengelegt werden, dasa eine Vielzahl von Schichten verwendet wird. Diese Schichten können dann für das Überziehen miteinander festgehalten werden. Faserwickelvorgänge, welche die Wickelung einer einzigen Faser oder einer Vielzahl von Fasern umfassen, oder andere geeignete

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Verfahren zur Herstellung von laserstrukturen können angewendet werden. Die jeweils erzielten Formen sollten auf ihre Überziehung mit pyrolytischem Kohlenstoff hin eine ausreichende Porosität und ausgerichtete Kanäle aufweisen, so dass sich in und um derartige Protheseglieder herum der richtige gesunde Knochen ausbilden kann. Im Zuge der Anwendung derartiger Einrichtungen bzw. Protheseglieder dürften geeignete chirurgische Verfahren entwickelt werden, um ien natürlichen Ersatzvorgang stark zu beschleunigen. Zu derartigen Verfahren gehört zum Beispiel eine "Keimanlegung"_}gemäss der das G-erippe mit kleinen Teilen von natürlichen Knochensegmenten des Patentienten versehen wird.

Mit Überzügen aus pyrolytischem Kohlenstoff versehene Netz- oder Fasersegmente können auch mit anderen Prothesegliedern verwendet werden, die aus einem Kohlenstoffträger hergestellt sind, um die Ausbildung einer festen Verbindung zwischen der Protheseeinrichtung und dem natürlichen Knochen zu unterstützen.

Bin mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogener Metalldrahtträger kann auch in anderen Anwendungsfällen betreffend Protheseglieder verwendet werden. So kann zum Beispiel ein Protheseglied für f

aus die Zahnheilkunde geschaffen werden, das/einer Brücke aus einem geeigneten widerstandsfähigem Draht besteht, der einen Anschlag bzw. ein Stützteil aufweist. Das gesamt Glied wird mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogen und nunmehr nicht in den Kieferknochen sondern vielmehr derart in den Kiefer eingesetzt, dass das betreffende Protheseglied auf dem Kieferknochen gespreizt ist. Das betreffende Protheseglied wird dabei unter die Haut eingesetzt, so dass nur der kleine Ansatz bzw. Stützteil durch die Haut hindurchragt. Auch in diesem Pail wächst das mit Kohlenstoff überzogene Cbrippe bzw. Gitterwerk zu dem Knochen und liefert damit einen festen Träger für das Stützteil. Anschliessend wird ο in Zahn, wie ein Porzellanzahn, oder ein weiteres Dentalpro thbueglied an dem Stützteil befeatigt, das einen festen Halt

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liefert. Derartige Einsätze sind für die Aufnahme extracorporaler Zahnbrücken geeignet, so dass eine zusätzliche mechanische Spannung auf die übrigen Zähne durch Befestigung der Brücke an diese Zähne nicht ausgeübt zu werden braucht.

Beispiel I

Ein Kniegelenk-Protheseglied, wie es in'J¹Ig. 1 und 2 dargestellt ist» wird aus polykristallinem Graphit (POCO AXF Graphite) hergestellt. Der bearbeitete Trägerteil ist dabei so ausgelegt, dass/eine ausreichende Grosse für den Ersatz eines Kniegelenks eines mittleren erwachsenen Mannes hat. Das Trägerteil bzw. der Träger wird in einen aich drehenden Drahtkäfig in einer Reaktionskammer eingesetzt, die zusätzlich eine Partikelschicht enthält. Der Träger liegt lose in dem Drahtkäfig, so dass auf dessen Drehung hin die Berührungspunkte des Trägers mit dem Drahtkäfig sich bei der Drehung ändern. Dadurch wird auf dem Träger ein gleichmässiger Überzug aus pyrolytishem Kohlenstoff abgelagert.

Die Reaktionskammer wird auf eine Temperatur von etwa 1350 Grad C erwärmt. Wenn die Temperatur des Trägers etwa 1350 0 erreicht, wird ein Strom au3 Heliumgas und Propan in den Reaktionsbehälter eingeleitet, und zwar derart, dass das Propan mit einem Teildruck von 0,4 (bei einem Gaseamtdruek von einer Atmosphäre) auftritt. Dieser Gasstrom wird dabei gegen die Oberflächen des Trägers gerichtet, der in dem Drahtkäfig gedreht wird. Das Propan zerfällt unter diesen Bedingungen, wodurch auf sämtlichen Oberflächen des aus polykristallinem Graphit bestehenden Trägers ein dichter Überzug aus isotropen pyrolytischem Kohlenstoff abgelagert wird. Unter diesen Überziehbedingungen beträgt die Kohlenstoffablagerungsgeschwindigkeit etwa 5 Mikron pro Minute. Die Propangasströmung wird, solange fortgesetzt, bis ein Überzug aus isotropem pyrolytischem Kohlenstoff in einer Dicke von etwa 500 Mikron auf dem Träger abgelagert ist. Nachdem die gewünschte

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Dicke des pyrolytiachen Kohlenstoffs auf der Aussenseite dea Protheseträgers abgelagert iat, wird der Propangas strom beendet. Der überzogene Träger wird nun relativ langsam in dem Heliumgaaatrom abgekühlt und dann aua der Reaktionskammer herausgenommen.

Die Tragfläche sowie die Vorderlache, Rückfläche und die Seitenflächen dea Prothesegliedes werden auf Hochglanz gebracht, indem eine Diamantstaub-Schleifung angewandt wird. Die durch die Ablagerung erzielte Oberflächenrauhigkeit des pyrolytiachen Überzugs bleibt auf der die Ansätze und Hüten enthaltenden Knochenverbindungsseite erhalten. Diese Rauhigkeit erleichtert die Ausbildung einer festen Verbindung zwischen dem betreffenden Protheseglied und dem natürlichen Knochen. Messungen haben gezeigt, dass der pyrolytische Kohlenstoff eine Dichte von etwa 1»9 g/cm , eine Kristallgrösse L_ von etwa 30 M. und einen BA-JTaktor von etwa 1,1 aufwies.

Beispiel II

Dental-Prothesenträger entsprechend dem in Pig. 3 dargestellten Träger werden aus künstlichem polykristallinen Graphit (POOO-Graphit) hergestellt. Die Protheseglieder weisen quadratische Stützteile mit einer Höhe von etwa 4 mm und einer Breite von 2 mm, einen etwa 6 mm langen und einen Durchmesser von 3 mm aufweisenden mittleren Teil und einen unteren Gewindeteil auf;, der etwa 8 mm lang ist und der einen Gewindeausaendurchmeaser von 4 mm besitzt.

Das als Träger verwendete künstliche Graphit weist einen Wärme-

—6 /O auadehnungakoeffizienten von etwa 8 * 1o /C bei einer

ο ^auf
Temperatur von 50 Cx Die Dental-Protheaeträger werden mit pyrolytiachem Kohlenstoff überzogen, indem eine Wirbelschicht-

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Überziehvorrichtung verwendet wird. Diese Überziehvorrichtung enthält ein Reaktionsrohr mit einem Durchmesser von etwa 3j8 cm. Das betreffende Reaktionsrohr wird auf eine Temperatur von etwa 1350° C erhitzt. Durch die betreffende Vorrichtung wird ein nach oben gerichteter Heliumgasstrom geführt, der ausreicht, eine Anzahl der relativ kleinen Protheseglieder in der betreffenden Schicht in der Schwebe zu halten.

Eine Anzahl von Prothesegliedern wird zusammen mit einer Charge von etwa 50 g Zirkondioxydpartikeln überzogen, die einen Durchmesser im Bereich von etwa 150 bis 250 Mikron aufweisen. · W Dje Partikel werden zusamen mit den Prothesegliedern bereitgestellt, um eine Ablagerungsfläche gewünschter Grosse in Bezug auf die Grosse des Reaktionsrohrbereiches zu erzielen, in der die Pyrolyse erfolgt, und zwar insofern, als die relative Grosse der zur Verfügung stehenden Oberfläche ein weiterer Faktor ist, der die physikalischen Eigenschaften des schliesslich erzielten pyrolytischen Kohlenstoffs beeinflusst. Wenn die Temperatur der Partikel, die in dem Reaktionsrohr in der Schwebe gehalten werden, etwa 1350° C erreicht, wird Propan dem Helium hinzugegeben, um einen nach oben gerichteten Gasstrom zu erhalten, der eine Gesamtströmungsgeschwindigkeit von etwa 10 Litern pro Minute besitzt, wobei das Propan mit einem Teildruck von etwa 0,4 (Gesamtdruck einer Atmosphäre) auftritt. Das Popan zerfällt unter diesen Bedingungen und lagert einen Überzug aus dichtem isotropen pyrolytisehem Kohlenstoff auf sämtlichen in der Wirbelschicht befindliehen Artikels ab. Unter diesen Überziehbedingungen beträgt die Kohlenstoff-Ablagerungsgeschwindigkeit etwa 5 Mikron pro Minute. Die Propangasströmung wird solange fortgesetzt, bis auf der Aussenseite der Protheseträger eine etwa 300 Mikron dicke Schicht aus isotropem pyrolytischen Kohlenstoff abgelagert ist. Zu diesem Zeitpunkt wird

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die Propangasströmung beendet, und die überzogenen Artikel werden in dem Heliumgas langsam abgekühlt und dann aus der Reaktionsrohr-Überziehvorrichtung herausgenommen.

Ton dem auf die Protheseglieder aufgebrachten Überzug aus pyrolytischem Kohlenstoff mit Hilfe eines Elektronen-Abtastmikroskops hergestellte Mikrofotografien zeigen, dass die durch die Ablagerung erzielten Flächen ein korallenartiges Aussehen haben. Die so hergestellten Dentalprotheseglieder können in geeignete gebohrte Löcher in einem lebenden Kieferknochen eingeschraubt werden, um ein Stützteil zu schaffen,

Zahn
an das ein künstlicher/oder ein Gebiss befestigt werden kann. Der aus pyrolytischem Kohlenstoff bestehende Überzug fördert dabei das Knochenwachstum, und die mit der Zeit auftretende natürliche Bildung von Knochengewebe um und an dem jeweiligen Protheseglied führt zu einer festen Verankerung des jeweiligen Prothesegliedes. Darüber hinaus passt der Elastizitätsmodul des Prothesegliedes zu dem des natürlichen Knochens. Deshalb besteht geringe oder gar keine Neigung für das Protheseglied, sich unter schweren Belastungen zu lockern, nachdem das Protheseglied in der betreffenden Einsatzstelle verheilt ist.

Beispiel III *

G-emäss diesem Beispiel wird eine Metallnetzschicht verwendet, die aua einer Legierung besteht, welche 10$ Wolfram und 90$ Tantal enthält. Das betreffende Netz stellt ein gewebtes Netz dar, das aus einem Draht mit einem Durchmesser von etwa 0,13 mm (entsprechend 0,005 Zoll) bei 20 Drähten auf 25,4 mm besteht. Aus dem betreffenden Netz wird ein einziges T-förmiges Teil herausgeschnitten, und zwar mit einer Querstückabmessung von 63,5 mm zu 165,1 mm (entsprechend 2/2 Zoll zu 6 Zoll) und mit einer G-rundstückabmessung von 38,1 mm (entsprechend 1 i/2 Zoll)

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Breite. Dies sei gleich, der Länge des fehlenden Knochensegments. Das Drahtnetz wird von dem Querstück zu der G-rundseite hin zusammengerollt, so dass sich ein Rohr ergibt, wie es in Fig. 6 und 7 dargestellt ist, dessen Aussendurchmesser gleich dem des zu ersetzenden Knochens ist. Das zusammengerollte Rohr weist eine Aussennetzschicht auf, die etwa 38 mm (entsprechend 1 i/2 Zoll ) lang ist, und einen in der Mitte liegenden Innenrohrteil mit einer Länge von 63,5 mm (entsprechend 2 1/2 Zoll). Das zusammengerollte Netz /vird in dieser Stellung befestigt und mittels feiner Drähte aus derselben Wolfram-Tantal-Legierung durohflocht en. Jegliche scharfen Enden des Drahtes des Netzes oder der Befestigungsdrähte werden nach innen gebogen und umgelegt. Das zusammengerollte Rohr wird lose auf einem Drehdorn in einem Reaktionsrohr aufgesetzt, das einen Durchmesser von 101,6 mm (entsprechend 4 Zoll) besitzt und durch das ein Heliumstrom aufrecht erhalten wird. Das betreffende Reaktionsrohr wird auf eine Temperatur von etwa 1300° G erhitzt.

100 Zusätzlich zu dem Drahtrohr wird eine Charge von etwa/g Zirkondioxydpartikeln mit e inem Durchmesser im Bereich von etwa 150 bis 250 Mikron eingeführt, um die relative G-rösse der für die Ablagerung zur Verfügung stehenden Fläche zu ändern. Wenn das Netz die Temperatur des Reaktionsrohres erreicht, wird dem nach oben gerichteten Heliumstrom Propan hinzugesetzt, und zwar hinter dem auf dem sich drehenden Dorn befindlichen Netz. Der Gasstrom weist bezüglich des Propans einen T_eildruck von 0,4 (G-esamtdruck eine Atmosphäre) auf. Das Propan zerfällt unter diesen Bedingungen und lagert auf dem Netz einen Überzug aus dichtem isotropen pyrolytischen Kohlenstoff ab. Der Propangasstrom wird solange beibehalten, bis ein etwa 200 Mikron dicker Überzug aus isotropem pyrolytischem Kohlenstoff auf der Aussenseite des Drahtnetzträgers abgelagert ist. Bei diesem Ablagerungsgrad bleibt die Gitterstruktur des Netzes erhalten.

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Das betreffende Netz wird dabei aber verfestigt. Ausserdem erhält es den physiologisch vorteilhaften Überzug aus pyrolytischem Kohlenstoff.

Die Protheseglieder können dazu verwendet werden, einen 38-mm-Bereich eines beschädigten oder ungesunden Knochens in der aus Pig. 7 ersichtlichen Weise zu ersetzen. Demgemäss v/erden also ca. 13 mm (entsprechend 1/2 Zoll) lange Knochensegmente der miteinander zu verbindenden Knochen ausgebohrt, so dass die Innenrohrteile in die Knochenenden-eingesteckt werden können. Die Gerippe-Prothesegliafer können dabei zum Beispiel mittels kleiner Stifte oder mit Hilfe kleiner Schrauben befestigt v/erden, die mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogen sind.

Beispiel IV

Ein Kniegelenk-Protheseglied wird in genau der gleichen Weise hergestellt, wie dies im Beispiel I erläutert worden ist. Eine Ausnahme hiervon bildet jedoch der Umstand, dass für die Erzielung einer festen Verbindung zwischen dem Protheseglied und dem natürlichen Knochen, an dem dieses Protheseglied befestigt wird, eine andere Struktur vorgesehen ist. Anstatt einer Reihe von Ansätzen und Nuten, wie dies bei dem Protheseglied gemäss Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist hier der Träger mit nur einem Ansatz versehen, der in der Mitte der Knochenverbindungsseite vorgesehen ist. Um den Umfang des Trägers herum ist dabei ein Metallnetzstreifen (aus einer 90$ Wolfram und 10$ Tantal enthaltenden Legierung) herumgewickelt und an diesem Träger befestigt, so dass eine Seite des Netzes' sich nicht ganz bis zu der Tragfläche hin erstreckt. Dafür überlappt das betreffende Netz jedoch auf der anderen Seite die Knochenverbindungsseite um eine Strecke von etwa 13 mm

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(entsprechend i/2 Zoll). Die Ablagerung des aus pyrolytischem Kohlenstoff bestehenden Überzugs wie bei dem Beispiel I dient dazu, das Netz weiter an dem Träger zu befestigen und das gesamte Protheseglied als eine Einheit fest zusammenzufügen. Auf die Ablagerung des aus pyrolytischem Kohlenstoff bestehenden Überzugs hin in der aus Beispiel I ersichtlichen V/eise wird die Tragfläche mit einem DiamantSchleifpulver auf Hochglanz gebracht.

Das Protheseglied kann nun dadurch in einen Knochen eingesetzt werden, dass die Knochenflache bearbeitet wird, an der das W betreffende Protheseglied anliegt, und zwar derart, dass diese Knochenfläche den Ansatz aufnimmt. Das mit dem pyrolytischen Kohlenstoff überzogene Netz wird dann über die Aussenseite des Knochenendes geführt. Das Netz kann mit Hilfe von Schrauben oder Stiften im Bedarfsfall befestigt werden. Durch das anschliessende Wachsen von Knochengewebe zu dem Protheseglied hin, und zwar einschliesslich der Knoehenverbiidingsfläche und des überlappenden Netzes, wird eine stabile Verbindung erzielt. Das in diesem Beispiel angegebene Verfahren kann im übrigen auch zur Verbindung anderer Arten von Prothesegliedern an natürliche Knochensegmente benutzt werden.

Wk Obwohl· in den Zeichnungen und Beispielen nur .bestimmte spezielle Ausführungsformen der Erfindung angegeben sind, und zwar was die speziellen Arten von Prothesegliedern, die speziellen Überziehverfahren zum Überziehen von Artikeln mit pyrolytischem Kohlenstoff, die Befestigungsmethoden und die Trägermaterialien anbetrifft, so dürfte einzusehen sein, dass auch andere Ausführungsformen anwendbar sind. Neben den Kniegelenken und Hüftgelenken können auch andere Gelenke (wie Pinger, Ellbogen und Schultergelenke) durch mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogene Prothesen ersetzt oder bei Ausfall wieder hergestellt werden.

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Heben langen Knochen können auch andere Knochen, wie Phlang-Knochen, Wirbelknochen, etc. ganz oder teilweise ersetzt oder wiederhergestellt werden..

Obwohl die angegebenen Beispiele insbesondere die Ablagerung von pyrolytischem Kohlenstoff durch die Verwendung von Propan angeben, dürfte einzusehen sein, dass auch andere Kohlenwasserstoffe oder Mischungen von Kohlenwasserstoffen verwendet werden können, um einen Überzug aus pyrolytischem Kohlenstoff auf dem jeweiligen Träger abzulagern. Die Variablen des Ablagerungsvorgangs können selbst dazu herangezogen werden, die Eigen- i schäften des jeweiligen Überzugs aus pyrolytischem Kohlenstoff zu ändern oder eine Anpassung an die G-rösse, den 'temperaturstabilen Bereich oder die Struktur des Trägermaterials vorzunehmen.

Eine Anzahl spezieller Verfahren zur Befestigung der Protheseglieder an natürliches Knochengewebe ist angegeben worden. Bezüglich des aus pyrolytischem Kohlenstoff bestehenden Überzugs wird angenommen, dass durch diesen ein besonderer G-rad an Oberflächenrauhigkeit oder Oberflächenporosität auf die Ablagerung hin erhalten wird, wodurch das Anhaften des wachsenden Knochengewebes unterstützt wird. Zur Stützung dieser Theorie, , durch die die Erfindung jedoch nicht beschränkt werden soll, sind Mikrofotografien unter Anwendung eines Elektronen-Abtastmikroskops hergestellt werden. Dabei zeigte sich, dass die bevorzugten pyrolytischen Kohlenstoffablagerungen eine Oberfläche aufwiesen, die unter starker Vergrösserung einer Koralle ähnlich sieht. Die Porosität ist dabei nur oberflächlich; der Hauptteil des Überzugs ist dicht. Er weist eine Dichte auf, die in einem bevorzugten Dichtebereich von etwa 1,9 g/cm bis etwa 2,2 g/cm⁵ liegt.

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Obwohl ein grosser Bereich von Trägermaterialien verwendet wanden kann, werden solche Materialien, deren Elastizitätsmodul nahe des Elastizitätsmoduls von natürlichen Knochen liegt , für die Verwendung in Prothesegliedern als Hauptersatz für Knochen besonders bevorzugt. Künstliche Graphite sind besonders bevorzugt. Für Gerippe-Protheseglieder können als Träger verschiedene widerstandsfähige Fasern und Drähte verwendet werden, die in verwebter Form aufgewickelt sind oder in nicht verwebter Struktur vorliegen. Aus derartigen Trägern hergestellte Protheseglieder eignen sich ferner für eine Ausbesserung zer*- fe splitteter oder erkrankter Knochen, wobei die Abstützung nicht zu einer Zerstörung bzw. Schädigung, Schwächung oder Entzündung führt, wie dies bei bisher bekannten Einrichtungen der lall sein kann. Ausserdem können die betreffenden Protheseglieder ständig als eine Baueinheit des gehalten Knochen segments im Körper verbleiben. Besteht der Wunsch, dass Metallfasern oder Netze mit grossen Modulen nicht zu verwenden sind, so können Fasern mit kleinerem Modul, wie Kohlenstoff-Fasern, Gewebe oder Netze bzw. Gatter, mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogen werden, um ein Gitterwerk mit kleinem Modul zu erhalten, das eine hohe Festigkeit besitzt, biologisch kompatibel ist und weitere Eigenschaften des pyrolytischen Kohlenstoffs aufweist.

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Claims

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PatentansTorüehe

Protheseglied für den Ersatz eines KnochengeMldes in einem lebenden Körper, mit einem Träger, der die Form des zu ersetzenden Knochenteiles "besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (12) einen Überzug (H) aus pyrolytischem Kohlenstoff aufweist, der eine Dichte von zumindest etwa 1,5 g/cm besitzt.
2. Protheseglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (12) ein poröses Gitterwerk aufweist, das das Hineinwachsen von Knochengewebe in den Träger (12) ermöglicht.
3. Protheseglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (12) als fas^,erförmiger Stoff vorligt.
4. Protheseglied nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (12) aus widerstandsfähigen Metallfasern besteht, die aus einer Wolfram, Tantal, Molybdän und Legierungen dieser Metalle entteLtenden Gruppe ausgewählt sind.
5. Protheseglied nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (12) aus einem Kohlenstoff-Faserstoff besteht.
6. Protheseglied nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (12) einen Wärmeausdehnungs koeffizienten von etwa 4 * 10" /⁰G bis etwa 8 * /⁰C aufweist.

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7. Protheseglied nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch

gekennzeichnet, dass der Träger (12) einen Elastizitäts-

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modul zwischen etwa 1' 10 psi bis etwa 5 · 10 psi besitzt.
8. Protheseglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (12) aus künstlichem G-raphit besteht.
9. Protheseglied nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der aus pyrolytischem Kohlenstoff bestehende Überzug (H) zumindest 25 Mikron dick ist und eine Dichte aufweist, die nicht grosser ist als 2,2 g/cm .
10. Protheseglied nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, dass eine Knochenverbindungsfläche (18) und eine Tragfläche (16) vorgesehen sind, dass der auf der Tragfläche (16.5 aufgebrachte Überzug (14) aus pyrolytischem Kohlenstoff einem Poliervorgang aussetzbar ist und dass der auf der Knochenverbindungsüäche (18) aufgebrachte pyrolytische Kohlenstoff relativ rauh ist.
11. Prdheseglied nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Knochenverbindungsfläche (18) Vorsprünge (20) aufweist.
12. Protheseglied nach einem der Ansprüche 1 bis 11 für einen Zahnersatz, dadurch gekennzeichnet, dass ein G-rundteil (52, 54) vorgesehen ist, das in einen Kieferknochen einsetzbar ist, dass ein Stützteil (46) zur Anbringung eines Zahnes vorgesehen ist, und dass zwischen dem Stützteil (46) und dem Grundteil (52, 54) ein Mittelteil (50) vorgesehen ist, das eine derartige Länge aufweist, dass der Stützteil (46) aus dem Kieferknochen herausragt.

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13· Protheseglied nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dasa der Grundteil (52, 54? 70, 74) mit Einschnitten (54}70) versehen ist, die durch den Überzug aus dem pyrolytiachen Kohlenstoff zu dem Träger hin laufen.

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