DE2454181C3

DE2454181C3 - Keramisches Implantat

Info

Publication number: DE2454181C3
Application number: DE2454181A
Authority: DE
Inventors: Helmut Ing.(Grad.) 8501 Rueckersdorf Locke; Anton Dr. 8561 Ottensoos Zeibig
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 1974-11-15
Filing date: 1974-11-15
Publication date: 1980-02-21
Also published as: AT336774B; DE2454181A1; US3979779A; FR2290881B1; CH583025A5; GB1532451A; JPS5159496A; DE2454181B2; ATA103875A; FR2290881A1

Description

Die Erfindung betrifft ein keramische Implantat für eine zementfreie Implantation mit einer inneren Öffnung zur paßgenauen Verbindung unmittelbar mit einem Knochenende. Ein solches Implantat kann zum Zwecke der statischen Defektüberbrückung oder als Einsatz eines künstlichen Gelenkes dienen.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß Metall-Implantate zwar grundsätzlich möglich sind, aber Keramik wegen ihrer besseren Verträglichkeit mit dem lebenden Organismus besser ist. Insbesondere bei hochreinem Aluminiumoxid treten unter Einwirkung der Körperflüssigkeit keine Korrosionserscheinungen auf. Insbesondere in der DE-OS 23 18 459 wird ein künstlicher Gelenkersatz aus gesinterter Oxidkeramik beschrieben. Der Vorschlag besteht darin, einen Gelenkkopf mit einer inneren öffnung formschlüssig auf einen bearbeiteten natürlichen Oberschenkelknochen aufzubringen. Um die Verbindung zwischen Knochen und Kugelkopf aus Oxidkeramik möglichst fest zu gestalten, sind Haltemittel in Form von Widerhaken oder eine poröse Oberfläche an der Stelle des Implantats vorgesehen, die mit dem Knochen direkt im Eingriff stehen. Des weiteren wird nach einer bevorzugten Ausführungsform der Gelenkkopf mit einem Innenvierkant versehen und auf dem eckig aufgefrästen Schenkelkopf aufgesteckt Der Nachteil eines solchen Implantates besteht darin, daß es nur einsetzbar ist, wenn der Femurkopf relativ gut erhalten ist In der Praxis ergibt sich auch die Schwierigkeit, daß unter den operativen Bedingungen der Femurkopf sich nur schlecht zu einem prismatischen Polygon bearbeiten läßt Die auftretende große Toleranz läßt dabei keinen allzufesten Sitz des Implantates zu. Außerdem besteht die Gefahr der Knochenfraktur im Schenkelhalsbereich durch die unspezifische Belastung, insbesondere beim Aufdrehen des Implantates mit dem selbstschneidenden Gewinde treten erhebliche Kräfte auf. Auch ist ein solches Implantat für die Verbindung von zwei Knochenresektionsendeii nicht verwendbar.

Die derzeitige gebräuchliche Art für die Einpflanzung einer Endoprothese ist das Einzementieren eines Schaftes in den Röhrenknochen. Der Knochenzement verursacht aber durch die exothermen Reaktionen und durch spätere auftretende chemische Spaltprodukte irreversible Veränderungen des angrenzenden Gewebes, was zu Entzündungen und Lockerungen des Implamates führen kann. Eine Abhilfe kann hier die zementfreie Implantation bringen, wie sie beispielsweise aus der DE-AS 20 59 381 bekannt ist Eine solche zweiteilige Hüftgelenkprothese besteht aus einem Kugelkopf und einem Schaftteil, wobei zur Schaffung einer spielfreien Einheit zwischen den beiden Teilen eine konische Bohrung im Kugelkopf und ein entsprechend geformter Zapfen verwendet wird. Ein solches zweiteiliges Implantat ermöglicht zwar eine paßgenaue Verbindung zwischen zwei Implantatteile, aber durch das Einführen des Schaftes in den Markraum des Röhrenknochens treten erhebliche mechanische und biologische Veränderungen auf, da vom Markraum aus die wesentlichen Versorgungsgefäße über den spongiosen Bereich zu der corticalen Peripherie des Knochens führen. Erschwerend in mechanischer Hinsicht kommt bei dieser intramedullären Befestigung hinzu, daß der Markraum einen verhältnismäßig geringen Durchmesser besitzt und somit Krafteinwirkungen auf den Schaft direkt auf die Knochenwandungen übertragen werden. Diese Krafteinwirkungen sind um so größer, je kürzer der in den Markraum eingeführte Schaft des Implantates ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein ein- oder mehrteiliges keramisches Implantat für eine zementfreie Implantation als Knochen- oder Gelenkersatz zu schaffen, wobei der Markraum nicht in Mitleidenschaft gezogen wird, der insbesondere wichtig für die Versorgung der Resektionsenden ist. Ferner wird gleichzeitig für Röhrenknochenfrakturen ein hülsenförmiges Stützelement gesucht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die innere Öffnung des Implantates für eine selbsthemmende Verbindung mit dem entsprechend bearbeiteten Knochenresektionsende kegelförmig ausgebildet ist.

Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und den zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen hervor. Es zeigt
Fig. 1 zwei einseitig mit Innenkegel ausgebildete Muffen und einer Hülse auf Knochenstümpfen im Querschnitt,

. Fig. la einen vergrößerten Ausschnitt zwischen Innenteil der keramischen Muffe und dem Knochen-

stumpf,

Fig.2 dreiteiliges implantat, bestehend aus Muffe, Schaft und Kegelteil für einen Oberarmijiochen im Querschnitt und

Fig.3 einteiliges Implantat für ein Hüftgelenk mit Trochanterbefestigung.

Die Vorteile der einzelnen Ausführungsformen werden zusammen mit der Beschreibung erläutert.

Grundsätzlich ist vorauszuschicken, daß eingehende Untersuchungen gezeigt haben, daß mit einer Muffenlänge von mindestens dem l,5fachen Durchmesse! des einzuführenden bearbeiteten Knochenresektionsendes bereits eine Festigkeit erreicht wird, die im Mittel etwa 75% der natürlichen Knochenfestigkeit unmittelbar nach der Operation erreicht wird. Wird dabei die innere Muffenlänge mit dem Wert /=1, der mittlere Durchmesser der Muffe mit d und der Quotient von Ud = h bezeichnet, dann kann der Vorlauf der dirnensioiisiosen Bi-jchbiegckraft F_rei foigcndcrmaßen beschrieben werden:

Frei —

1/1 + (a · /ι)²

wobei <x ein Faktor ist, der nur geringfügig von 1 abweicht

A b b. 1 zeigt den Verlauf dieser Funktion F_rci(h) und deren erste Ableitung F _re/ (h) in grafischer Darstellung. Daraus ist ersichtlich, daß im Intervall l</?<2 der Optimalbereich der Anordnung in bezug auf eine möglichst kurze Fassungslänge und damit kurze Strecke der biologischen und mechanischen Beschädigung des lebenden Knochens eine möglichst hohe und mechanische Festigkeit erreicht ist. Die A b b. 2 zeigt weiterhin eine grafische Darstellung des Ergebnisses von Festigkeitsmessungen mit der Muffe am Oberarmknochen, aus der ersichtlich ist, daß mit einem Quotienten h = 1,5 im Mittel Frd(h)= CO°/o der natürlichen Festigkeit des Knochens mit der Implantatverbindung erreicht wurden.

Ein weiterer Vorteil der Muffe besteht darin, wie aus Abb.3 hervorgeht, daß durch den großen Kreisringquerschnitt über die extramedulläre Befestigung einerseits die spezifische mechanische Belastung der Knochenoberfläche gering gehalten werden kann und damit unter Anwendung des Wölfischen Transformationsgesetzes eins Kompressionsbelastung für den Knochen gewählt werden kann, die nicht zur Resorption, sondern zu einer Stimulation des Knoehenwachstums führt und andererseits es gestattet, in werkstoffgerechter Weise ein großes Widerstandsmoment des Implantates im Gegensatz zu der intramedullären Schaftbefestigung zu erzielen. Was bedeutet, daß bei einer vorgegebenen zulässigen Materialspannung für die extramedulläre aufgesetzte Muffe ein wesentlich höheres Biegemoment als für den intramedullär befestigten Schaft zugelasser, werden kann. Wenn z. B. bei einem Röhrenknochen mit einem Markraumdurchmesser d_m = 3a, die mittlere Corticalisstärke a und die Wandstärke der Muffe wiederum a beträgt, dann eo verhalten sich die Widerstandsmomente der Muffe und einen intramedullär anbringbaren Schaftes wie 9:1, d. h., bei einer gleichen gegebenen zulässigen Materialspannung für beide Ausführungen kann mit der Muffe das Neunfache des Biegemoments der intramedullären Schaftbefestigung übertragen werden.

In Fig. 1 ist ein Verbindungselement für Röhrenknochenfrakturen dargestellt. Die beiden Knochenstümpfe J_ werden dabei mii einem speziell entwickelten Konusfräser so bearbeitet, daß ein paßgenauer Kegelstumpf vorhanden ist Als Anhaltspunkt für die kegelförmige Öffnung 24 der Muffe U werden die ursprünglichen Knochenabmessungen herangezogen. Dabei ist zu beachten, daß bei dünnen Corticalisstärken der hohe Schlankheitsgrad genutzt wird. Nach dem Abfräsen werden die einzelnen Muffen 11 von Hand auf den Knochenstumpf 1 aufgesteckt und durch eine kleine Drehbefestigung fest aufgezogen. Die beiden Muffen der kegelförmigen Öffnungen 24 werden mit einer Hülse 17 ausgerichtet. Die endgültige Fixation aller Keramikteile erfolgt dann durch Einspritzung von Polymethylmethacrylat in die Injektions- und Entlüftungskanäle 12. Die Oberfläche des Innenkegels der Muffe 11 ist in Fig. la erkennbar. Hier sind speziell geformte Rillen 32 eingearbeitet, die zur Aufnahme der neu gebildeten Knochensubstanz dienen.

Aus der Fig.2 ist die Verbindung eines Röhrenknochenresektionsendes mit einem Implantatteil zu sehen, wobei an Stelle der reduzierten Knochenlänge ein Schaftteil bzw. ein Distanzstück 26 mit Kugelkopf 27 einzusetzen ist. Das Distanzkstück 26 wird mit Polymethylmethacrylat in den zylindrischen Teil 25 der Muffe 11 eingeklebt, wobei die Muffe 11 durch den Boden 23 in den konusförmigen Teil 24 und in den zylindrischen Teil 25 unterteilt wird. Der zylindrische Teil 25 sowie das Ende des Distanzstückes 26 sind mit Ringnuten 15 für die Aufnahme von Polymethylmethacrylat versehen. Außerdem ist der geschliffene Kugelkopf 27 teilweise hohl ausgebildet und auf einen Zapfen 6 gesetzt, der entsprechende Nuten 15 ebenfalls enthält, um ein Verdrehen des Kugelkopfes 27 bei Beanspruchung zu vermeiden. Das Implantat wird dann in die PFanne des Schultergelenkes gelegt und schichtweise zugenäht, wobei die Sehnen- oder Muskelteile an bestimmten Stellen, nämlich den Bohrungen 3J angebunden bzw. befestigt werden können.

Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen keramischen Implantates mit einer kegelförmigen Öffnung ist aus Fig.3 zu entnehmen. Bei diesem einteiligen Implantat für eine Hüftgelenkendoprothese wird zusätzlich mit chirurgischen Schrauben das Trochanterteil 29 am Implantat angeschraubt. Grundsätzlich kann aber die Primärfixierung des keramischen Implantates durch Schrauben 28 erfolgen. Hierzu sind Bohrungen 33 mit unterschiedlichen Durchmesser in der Keramik notwendig. Außerdem befindet sich eine Nut 34 in der Bohrung, um als Sicherung gegen Verdrehung zu wirken. In diese Bohrung wird die Schraube 28 eingesetzt und mit Kunststoff bzw. Polymethylmethacrylat ausgegossen. Nach der Polymerisation kann die Schraube herausgedreht werden. Dabei besitzt das entstandene Kunststoffgewinde die Eigenschaft, daß es sehr spezifisch an das Gewindeprofil der Schraube angepaßt ist und sich nur mit einem gewissen Widerstand herausdrehen läßt. Diese Eigenschaft dient gleichzeitig als Schraubensicherung. In jeder Stellung bleibt die Schraube fest in ihrem Sitz, auch dann, wenn sie durch Beanspruchung bewegt wird. Es hat sich auch als günstig erwiesen, die Trochanter-Majer-Aufsitzfläche 22 mit Zungen 35 für die Aufnahme neu gebildeter Knochensubstanz zu versehen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß man die Implantate, wie bei den üblichen Metallschaften bekannt ist, nicht mehr in den Markraum des Knochens einschlagen oder durch

Knochenzement einkitten muß. Die Muffe dient als Trag- und Verbindungselement und soll ein Aufsplittern des Knochens bei Beanspruchung verhindern. Durch die genaue Paßform zwischen der Kegelhülse des keramischen Implantats und dem Resektionsende des Knochens kommt es zu einer günstigen Kraftübertragung, da eine flächenhafte Krafteinwirkung stattfindet, obwohl dieser durch das Abfräsen am Ende relativ schwach ausgebildet ist. Ferner entstehen durch die Bearbeitung des Resektionsendes infolge seines unregelmäßigen Querschnittes sogenannte asymmetrische Zungen am Auslauf der Kegelfläche, die ganz besonders geeignet sind, die Ausbildung von Knochensubstanz zwischen Implantat und Knochen zu fördern.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Keramisches Implantat für eine zementfreie Implantatation mit einer inneren öffnung zur paßgenauen Verbindung unmittelbar mit einem Knochenende, dadurch gekennzeichnet, daß die innere öffnung (24) des Implantats (11) für eine selbsthemmende Verbindung mit dem entsprechend bearbeiteten Knochenresektiunsende (1) kegelförmig ausgebildet ist.

2. Implantat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Implantat (11) muffenartig ausgebildet ist.

3. Implantat nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung zweier Krochenresektionsenden (1) auf der Gegenseite der inneren öffnung (24) eine gleichartige öffnung vorgesehen ist

4. Implantat nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung eines Knochenresektionsendes (1) mit einem anderen Implantat (25,26,27) auf der Gegenseite der inneren öffnung (24) eine entsprechend andere Verbindung vorgesehen ist

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Implantat (11) zweiteilig ausgeführt ist und eine Hülse (17) zur Verbindung der beiden Teile aufschiebbar ist.

t>. Implantat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere öffnung (24) ein verrundetes Gewinde (32) aufweist.

7. Implantat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere öffnung (24) eine oder mehrere Längsnuten aufweist.

8. Implantat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß chirurgische Schrauben (28) zur Sicherung der Verbindung mit dem Knochenresektionsende (1) angebracht sind.