DE2451275A1 - Kuenstlicher gelenkersatz - Google Patents

Description

JAHG U;!!.;.iAKnhielder: Feldmühle Anlagen- und Produkcionsgesellschaft jS/'i?.''^ V^rI- ^mifc beschränkter Haftung JrX..¹'.:·■.■. V',:·.'.· I 4 Düsseldorf -Oberkassel, Fritz-Vomfelde-Platz

Anlage zur Eingabe vom 21.10.1974 - ; --.

Künstlicher Gelenkersatz

Die Erfindung betrifft einen künstlichen Gelenkersatz, insbesondere eine Hüftgelenkprothese mit in den Femur einsetzbaren Schaft, bei dem die Gelenkkugel durch einen Zapfen mit den Schaft verbunden ist.

Hüftgelenkprothesen sind in den letzten Jahren in zunehmendem Maße Gegenstand intensiver Forschung geworden, woraus eine Vielzahl von Schutzrechten resultiert. Im wesentlichen handelt es sich bei allen diesen Implantaten um Metall-Kunststoff-Verbindungen, wie sie beispielsweise in der DT-OS 2 220 304 oder der DT-AS 2 059 3Ö1 beschrieben werden. Den älteren Vorschlägen liegt dabei die Aufgabe zugrunde, eine Hüftgelenkprothese herzustellen, deren Gelenkkugel fest mit dem Schaft verbunden ist, jedoch bei Bedarf ohne Schwierigkeit ausgewechselt werden kann. Als Lösung wird vorgeschlagen, die Verbindung zwischen Kugel und Zapfen konisch auszuführen, wobei die Kugel im Normalfall aus einem Kunststoff, vorzugsweise Polyäthylen und der Zapfen aus Metall bestechen. Obwohl sich durch diese Vorschläge durchaus eine ausgezeichnete Verbindung zwischen Kugel und Zapfen ergibt, die gegebenenfalls noch durch weitere Verriegelung zusätzlich gesichert werden kann, weisen Implantate der vorgenannten Art den entscheidenden Nachteil auf, daß die Kugel nicht den hohen an sie gestellten Anforderungen gerecht werden kann. Das Material, gleichgültig ob es sich dabei um einen Kunststoff wie Polyäthylen oder um eine Metallegierung handelt, ist unter

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der Belastung durch die Reibung in der Gelenkpfanne einer erheblichen Beanspruchung unterworfen, die zu einem Abrieb und damit zum Verschleiß führt. Der Verschleiß ist insbesondere dann sehr bedenklich, wenn es sich bei den aufeinander gleitenden Teilen, also bei der Kugel und der sie umgebenden Kugelpfanne um Metalle handelt, da der dabei auftretende

^außerdem-

feine Metallstaub toxisch wirkt. Dadurch erfolgtYeme Lockerung des Gelenkes, so daß häufig ein erneuter chirurgischer Eingriff erforderlich wird.

Eine weitere ältere Schrift, die DT-OS 2 1^4 J5l6 schlägt vor, die aufeinander gleitenden Teile aus gesinterter Tonerde zu fertigen, d.h. also aus einem Material, das nicht nur eine sehr hohe Abrietfestigkeit besitzt, sondern auch eine ausgezeichnete Körpervertraglichkeit. Nachteil dieses Materials ist es jedoch, daß es von Natur aus eine hohe Sprödigkeit besitzt, weshalb die letztgenannte Offenlegungsschrift auch nicht die Verbindung zwischen Sinterkeramikkugel und Metallschaft mittels eines konischen Zapfens sondern mittels eines Gewindezapfens vorschlägt. Die Gewindeverbindungen geben jedoch einen erheblichen neuen Nachteil, da hier nicht ohne zusätzliche Mittel sichergestellt werden kann, daß sich das Gewinde nicht löst und damit eine Relativbewegung zwischen Kugelkopf und Schaft möglich jst, die einen kontrollierten Gebrauch der Gliedmaßen verhindert. Der entscheidende Nachteil ist aber, daß durch die Relativbewegung wiederum Metall abgerieben und damit der gefürchtete Metallstaub anfällt.

Der vorliegenden Erfindirgliegt damit die Aufgabe zugrunde, eine feste Verbindung zwischen einem Kugelkopf aus Keramik und einem Metallschaft zu schaffen, die durch im Körper auftretende Kräfte nicht gelöst werden kann, zugleich möglichst einfach in der Montage sein soll, desweiteren ein Sterilisieren der Einzeltteile gestattet und Gewähr dafür bietet, daß zv/ischen Kugel und Schale praktisch kein Abrieb auftritt.

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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen künstlichen Gelenkersatz, insbesondere eine Hüftgelenkprothese mit in den Femur einsetzbaren Schaft, bei dem die Gelenkkugel durch einen Zapfen mit dem Schaft verbunden ist, mit der kennzeichnenden Merkmalskombination, daß Schaft und Zapfen als integrales Teil aus einer Metallegierung von 15 bis j50 % Chrom, 2 bis 37 % Nickel, 2 bis 10 % Molybdän, Rest Kobalt ' bestehen, die Gelenkkugel aus gesinterter Oxidkeramik mit einen Aluminiumgehalt von über 9%7 % und einer Dichte von über 3,90 und einer Korngröße unter 8yum besteht und der Zapfen konisch ausgeführt und in einer entsprechend konischen Bohrung der Gelenkkugel selbsthemmend angeordnet ist.

Durch die Kombination der vorgenannten Merkmale ist es möglich, eine feste Verbindung zwischen der Gelenkkugel und dem Zapfen zu erreichen, ohne daß die Gelenkkugel aus Oxidkeramik auf Grund der auftretenden hohen Belastungen zerspringt. Die eingesetzte Metallegierung ist ein körperverträgliches Material, das gleichzeitig eine gewisse Elastizität - verglichen mit der eingesetzten Oxidkeramik - aufweist, wodurch die gute Verbindung zwischen der konischen Bohrung der Gelenkkugel und dem konischen Zapfen noch verbessert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung derErfinding liegt der Grad der Verjüngung zwischen 1:10 und 1:20. Es ist dabei sehr wessntlich, daß gerade diese Werte eingehalten werden, da von ihnen im wesentlichen die Belastung, die die Sinterkeramikkugel aufzunehmen hat, abhängig ist. Eine Verjüngung von 1:10 bedeutet, daß der Kegelwinkel bei 5° und 45 min. liegt, d.h. daß eine Belastung, die senkrecht zur Kegellängsausdehnung an der Kugel angreift, so aufgeteilt wird, daß sie - infolge der Keilwirkung, die der Zapfen auf die Kugel ausübt - die 20-fache Kraft an der Kegelmantelfläche erzeugt, d.h. daß diese Sprengkraft bei dem normalen Menschen mit dem Durchschnittsgewicht von 75 kg bei Verlagerung seines Gewichtes auf ein Bein, bereits eine Sprengkraft von 15OO kg erreicht.

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Die bisherigen Lösungen sahen daher als Kugel ein relativ elastisches Material, also Kunststoff oder auch Metall vor, d.h. daß die Fachwelt der Ansieht war, eine Befestigung von Keramik auf einem konischen Metallbolzen scheidet von vornherein aus, da die dabei auftretenden Sprengkräfte die Festigkeit von Keramik bei weitem überäeigt» Umso überraschender ist die Tatsache, daß es durch die Kombination eines bestimmten Oxidkeramikteils mit einer bestimmten Metallegierung unter Einhaltung eines bestimmten Kegelwinkels doch gelingt, eine feste Verbindung zwischen Gelenkkugel und Schaft bzw. Zapfen durch eine Kegelverbindung herzustellen. Der Kegelwinkel liegt entsprechend der Verjüngung zwischen 5 Grad 4^ Min, und 2 Grad 51 Min.

Ein größerer Kegelwinkel führt dabei zu einer lockeren Verbindung zwischen der Gelenkkugel und dem Zapfen^ die dadurch nicht selbsthemmend ist«, Ein kleinerer Kegelwinkel, wie er beispielsweise bei einer Verjüngung von l§50 mit 1 Grad und 8 min. auftritt,, führt andererseits bei der auftretenden Belastung durch den Körper zu so erheblichen Sprengkräften, daß auch die Festigkeit des speziell ausgewählten hochreinen Aluminiumoxids überschritten wird» Selbstverständlich bezieht sich die Aussage nicht auf die ruhende Belastung, die unter den gleichen Voraussetzungen wie vorher 7500 kg Sprengkraft ergäben, sondern schließt noch einen erheblichen Sicherheitsfaktor ein, da immerhin damit gerechnet werden muß, daß der Patient nach seiner vollständigen Wiedergenesung sein Hüftgelenk voll belasten können will und somit beispielsweise Sprünge ausführt, die zu erheblichen Belastungen führen können. Um hier die notwendige Sicherheit bieten zu können, wurde in einer Versuchsanordnung eine Prothese einer schwingenden Belastung ausgesetzt, wobei die Belastung auf die Kugel gerichtet war, so daß sich am Kegelmantel die größte Sprengkraft ergab. Als Verjüngungsverhältnis wurde in diesem Beispiel 1:10 gewählt, d.h. daß ein Kegelwinkel von 5Grad,43 min,jK) see,

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angewandt wurde. Damit ergab sich eine 20-fache Sprengkraft, verglichen mit der in Achsrichtung des Konus wirkenden angreifenden Belastung. Bei dieser Ausführung konnte die Belastung bis auf 1,5 t gesteigert werden, ehe eine Zerstörung des Gelenkersatzes auftrat.

Diese enorm hohe Festigkeit der eingesetzten Oxidkeramik bedingt eine analoge Festigkeit der eingesetzten Metallegierungen. Die Metallegierungen werden im allgemeinen als Gußmaterialien eingesetzt, Jedoch sieht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, daß die Legierungen schmiedbar sind, wobei eine besonders bevorzigte Ausgestaltung der ErfindungVorsieht, daß Schaft und Zapfen aus einer Legierung von 20 % Chrom, 35 % Nickel, 55 % Kobalt, 10 % Molybdän, 1 % Eisen und 1 % Titan bestehen. Dadurch, daß es sich hierbei um eine schmiedbare Legierung handelt, ist gewährleistet, daß das Material eine sehr geringe Bruchempfindlichkeit aufweist, d.h. einen hohen Ε-Modul besitzt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert:

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BXK Zeichnung ist die Hüftgelenkprothese ohne die Pfanne dargestellt, in die dfe Gelenkkugel 2 eingreift. Die Gelenkkugel 2, die im Schnitt dargestellt ist, weist eine konische Bohrung 3 auf, in die der Zapfen 4 eingreift. Der Zapfen 4 ist dabei so ausgeführt, daß sein konischer Teil'5 kürzer ist als die konische Bohrung 3 der Gelenkkugel 2, so daß am Fuß der konischen Bohrung j5 ein Luftraum erhalten bleibt.

Der Zapfen 4 endet in einem Bund 7, der mit dem Schaft 1 ein integrales Teil bildet. Der Schaft 1 ist dabei so weit in den Knochen 8 eingetrieben, daß der Bund 7 auf der gegebenenfalls abgefrästen Fläche des Ferarschaftes aufliegt. Der zwischen dem Knochen 8 und dem Schaft 1 verbleibende Raum ist dabei zur besseren Verankerung der Prothese mit einem Kitt 9 ausgefüllt.

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Claims (4)

12.443 . G. 2~4 5~Ϊ27 5 "· Anmelder^ Feldmühle Anlagen- und Froduktionsgesellschaft : -Tr-- mit beschränkter Haftung : ; 4 Düsseldorf-Oberkassel, Fritz-Vomfelde-Platz 4 Anlage zur_Eingabe_vom 21.10.1974 ; ■ !.iuii U1...1 . Patentansprüche

1. Künstlicher Gelenkejgatz, insbesondere Hüftgelenkprothese mit in den Femur einsetzbaren Schaft bei dem die Gelenkkugel durch einen Zapfen mit dem Schaft verbunden ist, gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale, daß Schaft und Zapfen als integrales Teil aus einer Metalllegierung von 15 bis 30 % Chrom, 2 bis 37 % Nickel, 2 bis 10 % Molybdän, Restgehalt Kobalt bestehen, die Gelenkkugel aus einer gesinterten Oxidkeramik besteht, die einen AlpO^-Gehalt von über 99*7 %> eine Dichte von über 3*90 und eine Korngröße von unter 8 um aufweist, der Zapfen konisch ausgeführt ist und in einer entsprechend konischen Bohrung der Gelenkkugel selbsthemmend angeordnet ist.

2. Künstlicher Gelenkersatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verjüngungsverhältnis des Konus zwischen 1:10 und 1:20 liegt.

3· Künstlicher Gelenkersatz nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeihnet, daß der Zapfen aus einer Legierung von 20 % Chrom, 35 % Nickel, 33 % Kobalt, 10 % Molybdän, sowie 1 % Eisen, 1 % Titan besteht.

4. Künstlicher Gelenkersatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallegierung schmiedbar ist. - ·

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