DE2205808A1

DE2205808A1 - Schaft fuer knochenimplantate

Info

Publication number: DE2205808A1
Application number: DE2205808A
Authority: DE
Inventors: Otto Frey
Original assignee: Sulzer AG; Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1972-02-02
Filing date: 1972-02-08
Publication date: 1973-08-16
Also published as: CA994956A; BE794808A; NL7202255A; DE2205808C3; GB1416267A; NL149368B; CH547631A; FR2169945B1; AT343792B; US3848273A; DE2205808B2; SE399177B; IT978715B; ATA1054172A; FR2169945A1

Description

P. 4572

Gebrüder Sulzer, Aktiengesellschaft, Wirrterthur / Schweiz Schaft für Knochenimplantate

Die Erfindung betrifft einen sich allseitig und· stetig gegen sein freies Ende hin verjüngenden Schaft zur Verankerung von Knochenimplantaten, die mit Hilfe eines aushärtenden Knochenzementes im Knochen verankert sind. Selbstverständlich besitzt der Begriff "stetig" im vorstehenden Zusammenhang nicht seine exakte, mathematische Bedeutung; er soll nur andeuten, dass die Verjüngung des Schaftes nicht durch dazwischenliegende Erweiterungen unterbrochen wird.

Knochenimplantate, z. B. Hüft-, Ellenbogen- oder Handgelenke, werden im allgemeinen mit ihrem Schaft in entsprechende Ausnehmungen der jeweiligen Knochen eingeschlagen und dort mit Hilfe eines der rasch abbindenden Knochenzemente, z. B. mit Hilfe von Methylmetacrylat, verankert. Die Erfahrung hat nun gezeigt, dass der Knochenzement beim Aushärten sehr oft einer Volumenänderung, entweder einer VoTumendehnung oder häufiger einer Volumenkontraktion unterworfen ist. Vor/allem die in Längsrichtung des Schaftes verlaufenden Volumenänderungen führen dabei sehr oft dazuy. dass sich der Knochenzement in Teilbereichen von der Schaftoberfläche löst. Durch diese Teilbereiche kann dann kein Belastungsfluss vom Schaft auf den Knochen mehr erfolgen. Die fehlende Belastung führt in der Folge dazu, dass sich der Knochen in diesen Teilbereichen zurückbildet, wodurch sich der Schaft zu lockern beginnt. Die sich in den noch festen Teil-

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bereichen zusammendrängenden Belastungen führen schliesslich häufig zu einem Brechen des Schaftes. Die geschilderten Unzulänglichkeiten sind zum grossen Teil dadurch bedingt, dass die heutigen Knochenzemente rasch aushärten und daher relativ hoch viskose und schlecht abbildende, d. h. sich nur schwer genau an die Oberfläche des Schaftes anpassende, Kunststoffe· sind.

Eine weitere an Knochenimplantate bzw. deren Schäfte zu stellende Forderung, die sich aus der täglichen Praxis heraus ergeben hat, besteht darin, dass das Implantat und seine Verankerung so beschaffen sein müssen, dass das Implantat jederzeit leicht herausnehmbar bleibt, ohne dass der den Schaft umschliessende Knochen zerstört wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die durch die Volumenänderung des Knochenzementes verursachten Lockerungen der Prothesenschäfte im Knochen unter Beachtung der zweiten, die Lösung der ersten Teilaufgabe erschwerenden Forderung zu beseitigen; die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Schaftes mindestens in Teilbereichen mit einer Texturierung versehen ist.

Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Tiefe der Textur zwischen 10 und 100/ΛΠΐ beträgt. Bei geringeren Tiefen kann eine ausreichende Haftung des Zementes an der Oberfläche des Schaftes nicht mehr gewährleistet werden, während bei in der Tiefe über 100/Um hinausgehenden Vertiefungen einerseits beim Einschlagen des Schaftes in den Knochenzement leicht Luftblasen zurückbleiben, die ein¹ Haftung beeinträchtigen, andererseits die Herausnehmbarkeit der

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Schäfte verschlechtert wird, je tiefer die Textur ausgebildet ist. Der im genannten Bereich optimale Wert für die Tiefe der Texturierung hängt sehr weitgehend von den verwendeten Knochenzementen ab,

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insbesondere von defrfjen Viskosität, Volumenänderung oder ihrer

Abbildfähigkeit, d. h. davon, in welchem Maße sie fähig sind, eine auf der Oberfläche des Schaftes vorhandene' Textur exakt auszufüllen, also auf ihrer Gegenfläche abzubilden.

Für die Haftung hat es sich als besonders geeignet erwiesen, wenn mindestens die Stütz- und Belastungsflächen des Schaftes mit einer quer zur Einführ- bzw. Ausziehrichtung in bzw. aus dem Knochen verlaufenden, regelmässigen Verzahnung· versehen sind, wobei - zur Erleichterung des Ausziehens - der Abstand zwischen den einzelnen Zähnen Bum verjüngten Ende des Schaftes hin zunehmen kann.

Bei anderen Ausführungsformen haben sich Texturen aus muschel- oder muldenförmigen Vertiefungen bewährt; selbstverständlich kann man mit Vorteil beide Arten der Textur gleichzeitig verwenden, wobei dann beispielsweise bei einem vielfachen, vieleckigen Schaft die Belastungs- und die Stützflächen mit einer Verzahnung und die übrigen Flächen mit muschelartigen Vertiefungen versehen sein können. Die Haftfähigkeit lässt sich weiter verbessern, wenn die texturierte Oberfläche des Schaftes darüberhinaus noch aufgerauht wird, was z. B. durch "Sandstrahlän" mit Hartglaskugeln von 0,05 - 0,2 mm Durchmesser erfolgen kann.

Um die Ermüdungs- oder Wechselfestigkeit des Schaftes zu erhöhen, 'st es zweckmässig, sowohl die Kanten und Ecken an den Uebergängen zwischen einzelnen Teilflächen einos vielflächigen, vieleckigen

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Schaftes als auch die erhabenen und auch die vertieften Uebergange zwischen den einzelnen Zähnen und zwischen und in den Mulden möglichst abgerundet und fliessend auszubilden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Oberschenkelknochen in den eine Gelenkkopfprothese eingesetzt ist;

Fig. 2 gibt schematisch einen Schnitt durch einen Arm wieder, in den. ein künstliches Ellenbogengelenk eingebaut ist; Fig. 3 stellt_/ebenfalls schematisiert, eine in einen Unterarm und einen Handwurzelknochen eingesetzte Handgelenkprothese dar; Fig. 4 gibt in einer starken Vergrösserung schematisch eine Aufsicht auf eine Texturierung aus regelmässig angeordneten, muldenförmigen Vertiefungen wieder;
Fig. 5 ist ein Schnitt V-V von Fig. 4; Fig. 6 und 7 zeigen in einer Ansicht und in einer Aufsicht einen Kopf eines Fräswerkzeuges, mit dem die Texturierung nach Fig. 3 und 4 hergestellt werden kann.

Die Gelenkkopfprothese 1 ist in einem operativ entsprechend vorbereiteten Oberschenkelknochen 2 implantiert, wobei ihr Schaft 3 mit Hilfe eines Knochenzementes 4, z. B. mit Methylmetacrylat, in einer Aushöhlung 5 des Knochens 2 verankert/, dessen kompaktere Corticalis dunkler gepunktet dargestellt ist als die schwammartig poröse Spongiosa. Der Schaft 3 selbst weist in seinem dem Kugelkopf näher liegenden Teil eine vieleckige, vielflächige Form mit abgerundeten

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Ecken und Kanten auf; diese Form ist zur Verhinderung von ungewollten Verdrehungen in ihrem Querschnitt drachenförmig (Fig. 6) und geht, sich voraussetzungsgemäss allseitig und stetig verjüngend, in dem¹zum freien Ende hin gelegenen Teil in einen etwa trapezförmigen Querschnitt mit ebenfalls abgerundeten Kanten='über.

Die erwähnten Lockerungen des Schaftes 3 treten bei der gezeigten Hüftgelenkprothese vor allem primär im Bereich A der Stützfläche 6 auf, und greifen dann im Laufe der Zeit besonders auch auf den Bereich B der Belastungsfläche 7 über.

Erfindungsgemäss ist die Oberfläche des Schaftes 3 mit einer Texturierung versehen, die in Fig. 1 durch auf der Oberfläche des Schaftes 3 angedeutete, muldenförmige Vertiefungen versinnbildlicht ist. Des v/eiteren ist auf den, nur als Schnittlinien erscheinenden, Stütz- und Belastungsflächen 6 und 7 versucht worden, die auf diesen Flächen als Texturierung aufgebrachte Verzahnung schematisch und skizzenhaft wiederzugeben, wobei auch die bereits erwähnte Zunahme des Zahnabstandes in Richtung auf das·freie Ende des Schaftes 3 angedeutet worden ist.

Als weiteres Beispiel von Implantatschäften mit texturierten Oberflächen ist in Fig. 2 schematisch ein Ellenbogengelenk 8 gezeigt, das mit dem sich allseitig verjüngenden Schaft 9 seines einen Teiles in eine. Ausnehmung des Oberarmknochens 10 eingesetzt und durch Knochenzement 4 gehalten istj der Schaft 11 des anderen Teiles ist in gleicher V/eise/der Elle 12 des Unterarmes fixiert.

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Bei dem in Fig. 3 gezeigten Handgelenk 13 sitzt der eine Schaft 14 - wiederum durch Knochenzement 4 gehalten - in der Speiche 25 des Unterarmes j der andere Schaft 26 ist ebenfalls mit Hilfe von Knochenzement 4 in einem Handwurzel- und/oder Mittelhandknochen 27 verankert.

Wie in Fig. 4 stark vergrössert hervorgehoben ist, besteht die Texturierung beispielsweise aus in Reihen a, b, c usw. regelmässig angeordneten, mulden- oder muschelförmigen Vertiefungen 15.

Werden innerhalb der einzelnen Reihen a, b und c die zwischen den einzelnen Muscheln 15 vorhandenen erhabenen Partien ebenfalls abgetragen, so entsteht die für die Stütz- und für die Belastungsfläche 6 bzw. 7 besonders vorteilhafte Verzahnung. Die Vorteile einer Verzahnung bestehen darin, dass im Zusammenwirken mit der sich allseitig und stetig verjüngenden Form der zuvor festsitzende Schaft bei einer Herausnahme unter Kraftanwendung nur um eine Verzahnungsstufe in Ausziehrichtung gelöst werden muss und dann ohne weiteres aus seinem Zementbett herausnehmbar ist.

Das Schaftmaterial 16 (Fig. 5) ist im allgemeinen eine der bekannten, für Knochenimplantate üblicherweise gebrauchte Metallegierung. Wie bereits betont, kann die Tiefe t der Texturierung zwischen 10 und iOOum betragen. Bei bereits ausgeführten Prothesenschäften und bei Verwendung von Methylmetacrylat als Knochenzement hat sich für t ein Wert von 20 - 30 um als optimal erwiesen. Weiterhin haben Versuche der Anmelderin gezeigt, dass bei muschelartigen Texturierungen zweckmässigerweise für die Grosse einer einzelnen Muschel

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15 in etwa die Werte

Länge u : Breite ν : Tiefe t = 12 : 4 : 1 eingehalten werden.

Die Oberfläche 17 des texturierten Schaftes 3 besitzt innerhalb der Textur noch eine aufgerauhte Beschaffenheit, durch die die Haftfestigkeit des Zementes 4 am Schaft 3 weiter erhöht wird. Wie erwähnt wird diese Rauhigkeit durch Strahlen mit Hartglaskugeln von 0,05 -0,2 mm Durchmesser erzeugt.

Hei einem bereits erprobten Herstellungsverfahren für die muschelförmige Texturierung wird der Schaft auf seinem Umfang quer zu einer Längsrichtung gefräst. Der dafür benötigte Fräser 20 ist in Fig. 6 und 7 gezeigt. Sein Kopf besitzt am Uebergang vom zylindermantelartigen Teil zur kreisförmigen Endfläche einen bestimmten, auf seinen Durchmesser d und die gewünschte Muldenabmessung abgestimmten Krümmungsradius r. Weiterhin ist der Kopf so ausgebildet, dass in seiner Mitte eine ebene Fläche s vorhanden ist, die ebenfalls einen bestimmten Durchmesser besitzt. Wie in Fig. 7 gezeigt, weist der Fräser 20 sechs Lippen 21 a und 21 b auf, von denen zwei einander gegenüberliegende 21a auf einem Durchmesser den ganzen Kopf überdecken, während die anderen vier 21b nur bis an den Rand der ebenen Fläche s heranreichen. Der Schaft 3 befindet sich während des Aufbringens einer Muscheltextur relativ zum Fräskopf 20 in der in Fig. 6 angedeuteten Lage.

V/ie erwähnt, ist die bei der Fräsoperation erreichte Tiefe t einer Mulde 15 im wesentlichen durch den Radius r des Fräskopfes gege-

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benj die Länge u lässt sich in gewissem Umfang durch die Drehzahl des Fräsers, und/oder durch den Vorschub beeinflussen, während die Breite ν durch Aenderungen am Zeilenvorschub der Fräsoperation in Grenzen variiert werden kann. Die Herstellung einer Verzahnung erfolgt mit dem gleichen Fräser 20, der dann statt mit seinen die Krümmung r aufweisenden Schneiden mit den Seitenflanken der Schneiden zur Wirkung kommt.

Als Beispiel sei angegeben, dass für die erwähnte Texturierung mit Verhältnissen von u : ν : t ^Ä=ⁱ12 : 4 : 1 und mit t «^20_/ctm der Fräser 20 einen Durchmesser d = 8 mm, einen Krümmungsradius T'^3_i2b mm und einen Durchmesser der ebenen Fläche sä!,5 mra besitzt. Für die erwähnte Texturierung beträgt weiterhin der Vorschub 250 mm/min. und die Umfangsgeschwindigkeit etwa 8 m/min.

Ergänzend sei noch erwähnt, dass die Texturierung auch beispielsweise mit Hilfe von Prägestempeln in die Schaftoberfläche eingeschlagen werden kann.

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Claims

Patentans pruche

1.) Sich allseitig und stetig gegen sein freies Ende hin verjüngender Schaft zur Verankerung von Knochenimplantaten, die mit Hilfe eines aushärtenden Knochenzementes im Knochen verankert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Schaftes (3) mindestens in Teilbereichen mit einer Texturierung versehen ist.

2. Schaft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Textur zwischen 10 und 100 um, insbesondere 20 - 30 um, beträgt.

3. Schaft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Stütz- und die Belastungsflächen (6 bzw. 7) mit einer quer zur Einführ- bzw. Ausziehrichtung in bzw. aus dem Knochen (2) verlaufenden, regelmässigen Verzahnung versehen sind.

4. Schaft nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den einzelnen Zähnen zum verjüngten Ende des Schaftes (3) hin, zunimmt.

5. Schaft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Textur

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aus regelmässig angeordneten, muldenförmigen VertiefungenYHesteht.

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