DE2548077C3

DE2548077C3 - Hüftgelenkendoprothese

Info

Publication number: DE2548077C3
Application number: DE2548077A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Phys. Dr. Semlitsch
Original assignee: Feldmuehle AG
Current assignee: Cerasiv GmbH Innovatives Keramik Engineering
Priority date: 1974-10-29
Filing date: 1975-10-28
Publication date: 1986-03-27
Also published as: SE404486C; BE834985A; DE2451275A1; NL172727B; ATA824275A; DE2548077B2; NL7512574A; DE2548077A1; FR2289162A1; SE404486B; DE2451275C2; SE7512031L; JPS5167693A; NL172727C; CA1061951A; AT335051B; CH603149A5; GB1530624A; FR2289162B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Hüftgelenkendoprothese gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs.

Es sind in den letzten Jahren eine ganze Reihe konstruktiver Vorschläge für Gelenkendoprothesen gemacht worden. Für Hüftgelenke hat sich dabei nachfolgender Aufbau weitgehend durchgesetzt Der eine Gelenkteil besteht aus einem Schaftteil, der in den «· Femur eingreift und auf dessen freiem Ende eine Gelenkkugel befestigt ist. Oiese steht entweder als solche mit der noch intakten Gelenkpfanne in Eingriff oder aber mit einer künstlichen Gelenkpfanne. Aus einer Mehrzahl von Gründen ist man dazu übergegan- < >5 gen, Schaftteil und Gelenkkugel aus zwei getrennten Teilen herzustellen. Einmal benötigt man je nach dem Alter, dem Geschlecht und dem Körperbau des Patienten Gelenkkugeln unterschiedlicher Größe, zum anderen ist es häufig zunächst lediglich erforderlich, den Schaftteil des Gelenkes durch eine Prothese zu ersetzen, während die körpereigene Gelenkpfanne noch erhalten bleiben kann. Wird später auch der Austausch der natürlichen Gelenkpfanne gegen eine künstliche erforderlich, so ist meistens eine andere Größe für die Gelenkkugel notwendig. Bei getrennter Ausführung von Schaftteil und Gelenkkugel ist das auf verhältnismäßig einfache Art und Weise möglich, während der Austausch des Schaftteiles selbst nur unter großen Schwierigkeiten vorgenommen werden kann.

Von ganz wesentlicher Bedeutung für die Brauchbarkeit und Verträglichkeit der Gelenkendoprothese ist außerdem die Auswahl des geeigneten Materials, das dabei mit dem natürlichen Knochen in Eingriff steht insbesondere aber des Materials für die Teile, die sich im reibenden Eingriff miteinander befinden, also insbesondere der Gelenkkugel und der Gelenkpfanne. Zunächst hat man beide Teile aus Metall hergestellt, später ist man dann zu einer Kombination mit Kunststoff übergegangen. Nachteilig dabei ist jedoch, daß alle diese Materialien einer erheblichen Reibung ausgesetzt sind, mit der Zeit verschleißen und vor allem aber der dabei auftretende Abrieb physiologisch mit dem Knochengewebe unverträglich ist und zu Abstoßungserscheinungen und damit zu einer-Lockerung der Prothese führen. Außer dieser Lockerung der Prothese resultiert ein Spiel zwischen Gelenkkugel und Gelenkpfanne mit dadurch bedingtem zusätzlichem Verschleiß, so daß auf die Dauer die Lage und die Funktion der Kugel in der Pfanne nicht mehr erfüllt werden. So tritt beispielsweise bei der Kombination Polyäthylenpfanne/Metallkugel ein Abrieb auf, der schon sehr bald die Größenordnung eines halben Millimeters überschreitet Diese Verschleiß schreitet mit zunehmender Zeit weiter fort und macht nach einer gewissen Zeit eine neue Operation erforderlich. Dies ist u.a. auch der Grund, warum Gelenkendoprothesen bisher fast ausschließlich älteren Patienten eingepflanzt worden sind.

Um diese erheblichen Nachteile zu vermeiden, ist in der DE-OS 21 34 316 bereits eine Gelenkendoprothese für ein Hüftgelenk beschrieben, bei der die Gelenkkugel und die Gelenkpfanne aus gesintertem Tonerdepulver, also einem oxidkeramischen Material besteht Bei diesem sehr harten und verschleißfesten Material findet nach einer gewissen Einlaufzeit praktisch überhaupt kein Abrieb mehr statt Außerdem ist eine solche Oxidkeramik wesentlich körperverwandter als Metall. Dabei wird die Gelenkkugel mittels eines Kunststoffklebers auf einem zylindrischen, mit Rillen versehenen Zapfen am oberen Ende des Schaftteils befestigt.

Diese organischen Klebstoffe sind aber wiederum nicht körperbeständig und werden im Laufe der Zeit resorbiert, die Verbindung zum Schaftteil löst sich und es kommt zu Relativbewegungen zwischen der oxidkeramischen Gelenkkugel und dem aus Metall bestehenden zylindrischen Zapfen des Schaftteils. Bei der extremen Härte des oxidkeramischen Materials führt das zwangsläufig wieder zu hohem Metallabrieb mit allen damit verbundenen Nachteilen.

Aus dem DE-Gbm 74 36 033 ist bereits eine Gelenkendoprothese der im Oberbegriff des Anspruchs angegebenen Art bekannt. Dabei hat man versucht, die von Metall- bzw. Kunststoff-Gelenkendoprothesen her bekannte konische Steckverbindung, bei der ein konischer Zapfen, der sogenannte Vaterkonus, in eine entsprechende Aussparung der Gelenkkugel, den

sogenannten Mutterkonus, eingreift und so beide Teile seibsthemmend miteinander verbindet, auch für Gelenkendoprothesen mit einer Gelenkkugel aus Oxidkeramik geeignet zu machen. Das erschien zunächst gänzlich ausgeschlossen, weil es sich bei dem oxidkeramischen Material, insbesondere gesintertem Aluminiumoxid, um ein verhältnismäßig sprödes Material handelt, das extremen Belastungen wie sie bei solchen Gelenkendoprothesen auftreten, nicht standhält und die Gefahr besteht, daß die Gelenkkugel gesprengt wird.

Überraschenderweise zeigte sich aber, daß auch eine Gelenkkugel aus oxidkeramischem Material diesen großen auftretenden Sprengkräften dann Stand hält, wenn hinsichtlich der stofflichen und physikalischen Eigenschaften bestimmte Werte nicht unterschritten werden und der AkOrGehalt der gesinterten Oxidkeramik mindestens 99,7% beträgt, die Dichte über 3,90 und die Korngröße unter 8 μηι liegen und wenn der Vaterkonus aus einer Metallegierung von 15 bis 30% Chrom,

2 bis 37% Nickel, 2 bis 10% Molybdän. Restgehalt Kobalt besteht, ein bestimmtes Verjüngungsverhäitnls, nämlich zwischen 1:10 und 1 :20 eingehalten wird, wobei Vaterkonus und Mutterkonus das gleiche Verjüngungsverhältnis aufweisen.

Extremen Belastungen ist die Prothese beispielsweise bei der Wasserdampfsterilisation ausgesetzt, da das Metall des Vaterkonus einen wesentlich größeren Ausdehnungskoeffizienten hat als das oxidkeramische Material und so das oxidkeramische Material beschädigt oder gar gesprengt wird. Eine getrennte Sterilisation der Teile kommt wiederum für manchen Arzt nicht in Betracht und wird von diesem abgelehnt Er fordert am Operationstisch eine aufeinander abgestimmte Prothese, die bis zur Operation steril gehalten ist Außerdem ist die Gelenkkugel aus Oxidkeramik auch hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, weil auf ihr das gesamte Körpergewicht des Patienten ruht und insbesondere bei plötzlich auftretenden Stoßen bei der Überwindung von Hindernissen oder Unebenheiten diese so groß werden können, daß dies zur Zerstörung der Gelenkkugel aus Oxidkeramik führt Das führte auch zu der bereits erwähnten Lösung der DE-OS 2134 316, bei der das vorbekannte Prinzip einer selbsthemmenden konischen Steckverbindung ersetzt wurde durch Verkitten der beiden Teile mit einem Klebstoff.

In dem älteren deutschen Patent 25 48 591 ist bereits eine Hüftgelenkendoprothese vorgeschlagen worden, bei der der Vaterkonus aus Metall besteht und der Mutterkonus in der Gelenkkugel ein Verjüngungsverhältnis zwischen 1 :10 und 1 :20 aufweist und wobei der Verformungswiderstand der Oberflächenschicht des Vaterkonus gegenüber demjenigen in seinem Kern durch gewindeartige Rillen erniedrigt ist und die Oberfläche des keramischen Mutterkonus eine Rauhigkeit mit einem arithmetischen Mittelrauhwert R₁ zwischen 03 und

3 μπι besitzt. Der Kegelwinkel für den Vaterkonus des metallischen Gelenkteils ist dabei kleiner als der Kegelwinkel des keramischen Teils. Einmal hat es sich jedoch gezeigt, daß einerseits diese unterschiedlichen Konuswinkel nicht erforderlich sind, daß andererseits auch ein solches hochreines und dichtes Material aus Oxidkeramik nicht gänzlich die Gefahr ausschließt, daß es bei extremen Belastungen wie der Wasserdampisterilisation oder einer Sprungbelastung durch den Patien'.en nicht doch beschädigt oder gesprengt wird. Diese Gefahr hat sich insbesondere bei Gelenkkugeln kleineren Durchmessers ergeben, weil dabei das zwischen Kugelumfang und dem eingebrachten Mutterkonus verbleibende Oxidkeramikmateriaf verhältnismäßig dünn ist
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde sicherzustellen, daß die Gelenkendoprothese auch dann extremen Belastungen standhält, wenn die Gelenkkugeln verhältnismäßig kleinen Durchmesser aufweisen oder es sich um Gelenkendoprothesen für sehr schwergewichtige Patienten handelt

i" Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Hüftgelenkendoprothese besteht darin, daß für den Schaft und Vaterkonus auch andere, inzwischen eingeführte Metallegierun-

)5 gen, insbesondere des Titans Verwendung finden können. Durch die napfförmigen Vertiefungen wird die Oberfläche in ihrer Gesamtheit unterbrochen uad kann so durch Belastung leicht verformt werden.

Der Verfcrmungswiderstand der Oberflächenschicht des Vaterkonus ist gegenüber demütigen in seinem Kern erniedrigt, so daß sich bei Einwiriu'ng von Kräften, sei es durch das Erhitzen beim Sterilisieren, sei es durch das Körpergewicht und die Bewegungen, die miteinander im Eingriff stehenden Oberflächenbereiche der oxidVeramischen Gelenkkugel und der verformbar gestalteten Oberfläche des Vaterkonus ineinander verkeilen.

Besondere Bedeutung kommt der erfindungsgemäßen Gelenkendoprothese dann zu, wevm die Kugeln einen kleinen Durchmesser aufweisen. Bei kleinem Durchmesser kann der Konusdurchmesser aus Festigkeitsgründen kaum reduziert werden, es steht also in der Kugel nur wenig »Fleisch« zur Verfugung, um auftretende Kräfte aufzunehmen. Von entscheidender Bedeutung ist daher, daß das Material des Vaterkonus im Oberflächenbereich verformbar ist

Die Verformbarkeit des Vaterkonus hat aber auch fertigungstechnisch eine erhebliche Bedeutung, da jetzt Toleranzen etwas gröber gewählt werden können, d. h.

daß die üblichen Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden können.

In entsprechender Weise läßt sich die Verformbarkeit im gegenseitigen Eingriffsbereich auch durco entsprechende Anpassung des Oberflächenbereiches des Mutterkonus der Gelenkkugel aus Oxidkeramik erzielen. Hier hat sich insbesondere die Maßnahme bewährt, der Oberfläche eine gewisse Rauhigkeit durch Schleifen zu geben, wobei bevorzugt der arithmetischer Mittelrauhwert R₁ zwischen 0,5 und 3 μπι liegt

Da das oxidkeramische Material der Gelenkkugel von wesentlich größerer Härte ist als das Metall des Schaftteiles und Vaterkonus, beruht die Verformbarkeit, die hi teuren gegeben wird, darauf, daß der rauhe Oberflächenbereich des Mutterkonus verformend auf den weicheren Vaterkonus einwirkt

Von ganz erheblicher Bedeutung für die Funktionstüchtigkeit und Brauchbarkeit der Gelenkendoprothese ist natürlich auch das Material, aus dem sich der Schaftteil und insbesondere der dazugehörige Vaterkonus zusammensetzt. Dafür werden im allgemeinen Metallegierungen eingesetzt, die insbesondere korrosionsfest und stab¹¹ gegen die Einwirkung von Körperflüssigkeit sein müssen. In Betracht kommen dabei Legierungen a.-.f Kobaltbasis, desweiteren auch

t>5 Titanlegierungen, aber auch Edelstahle, wie sie beispielsweise unter der Werkstoff-Nr. 14 401, entsprechend VdEH-Bezeichnung 5 Cr Ni-Mo 81.10 oder unter der Werkstoff-Nr. 14 436 entsprechend VdEH-Bezeich-

nung 5 Cr Ni Mo 18/12 erhältlich sind. Für diesen Zweck können Gußmaterialien eingesetzt v/erden, besonders bevorzugt geeignet erwiesen haben sich jedoch schmiedbare Legierungen, unter diesen ganz besonders eine solche aus 20 Gew.-% Chrom, 35 Gew.-% Nickel, 5 33Gew.-% Kobalt, 10Gew.-% Molybdän sowie Gew.-% Eisen und 1 Gew.-% Titan, wobei natürlich geringfügige Mengenverhältnisse Änderungen in diesem Bereich möglich sind. Dieses Material ist korrosionsbeständig, wird von Körperflüssigkeiten nicht io angegriffen und weist eine geringe Bruchempfindlichkeit auf, d. h. besitzt eine sehr hohe Biegewcchselfestigkeii.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Zeichnungen näher erläutert, wobei damit jedoch nur 15 das Grundprinzip angedeutet ist und wegen der vielfältigen Möglichkeiten in der Beeinflussung der Verformbarkeit der Oberflächenbereiche der beiden miteinander im Eingriff stehenden Mantelflächenbereiche von Vater- und Mutterkonus auf die obige 2" Beschreibung verwiesen wird.

Fig.I zeigt dabei eine Hüftgelenkprothese im Schnitt ohne Pfanne,

F i g. 2 einen Teilausschnitt des Vaterkonus.

In F i g. 1 ist die Hüftgelenkprothese ohne die Pfanne 25 dargestellt, in die die Gelenkkugel 2 eingreift Die Gelenkkugel 2, die im Schnitt dargestellt ist, weist eine konische Bohrung, den Mutterkonus 3 auf, in die ein Zapfen 4 eingreift Der Zapfen 4 ist dabei so ausgeführt, daß sein konischer Teil, der Vaterkonus 5 kürzer ist als 3o der Mutterkonus 3 der Gelenkkugel 2, so daß am Fuß des Mutterkonus 3 ein Luftraum 6 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 Femurschaftes aufliegt, der zwischen dem Knochen 8 und dem Schaft 1 verbleibende Raum ist dabei zur besseren Verankerung der Prothese mit einem Knochenzement 9 ausgefüllt. Der Vaterkonus 5 ist, wie in F i g. 2 gezeigt, mit napfförmigen Vertiefungen 11 versehen, so daß sich ein Gitterwerk bildet Das Aufbringen dieses Gitterwerkes geschieht zweckmäßig durch einen Rändelvorgang, d. h. daß diese definierte Oberflächenrauhigkeit in den Vaterkonus 5 eingepreßt wird, wobei die napfförmigen Vertiefungen 11 eine Tiefe und einen Abstand zueinander aufweisen, der zwischen 0,05 und 0,03 mm liegt. Metall ist bekanntlich einfacher zu bearbeiten als Oxidkeramik, weshalb vorzugsweise die napflormigen Vertiefungen 11 in das Metall, also den Vaterkonus 5 eingebracht sind. Es ist jedoch auch möglich, den Mutterkonus 3 in seiner Oberfläche zu gestalten, d. h. daß im wesentlichen die Oxidkeramik grob geschliffen wird. Unter einem groben Schliff ist ein Schliff mit einer Diamantschleifscheibe von D 150 zu verstehen, d. h. mit einer Diamantschleifscheibe, die Diamantkörner mit einem Durchmesser von 150μιη enthält. Durch diesen Schliff ergibt sich eine mittlere Rauhtiefe /?, in der Keramik wn ca. 2 μπι. Im Gegensatz zu diesem groben Schliff ist die Kugeloberfläche der Gelenkkugel 2 fein poliert, weil hier die Reibung der beiden im Eingriff stehenden Gelenkflächen soweit wie möglich reduziert sein soll.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hüftgelenkendoprothese mit einem ersten Gclenkteil, bestehend aus einem in den Femur einsetz- baren Schaftteil, auf dessen konischem Zapfen (Vaterkonus) eine Gelenkkugel mit einer entsprechenden Aussparung (Mutterkonus) befestigt ist, die ihrerseits in Eingriff kommt mit einem zweiten Gelenkteil in Form einer Gelenkpfanne und wobei die Gelenkkugel aus gesinterter Oxidkeramik mit einem AI₂O₂-GeIIaIt von mindestens 99,7%, einer Dichte von über 330 und einer Korngröße unter 10 μΐη besteht, der Vaterkonus aus Metall besteht und der Mutterkonus in der Gelenkkugel ein Verjüngungs- is verhältnis zwischen 1 :10 und 1 :20 aufweist und wobei ferner der Verformungswiderstand der Oberflächenschicht des Vaterkonus gegenüber demjenigen in seinem Kern erniedrigt ist und die Oberfläche des keramischen Mutterkonus eine Rauhigkeit mit einem arithmetischen Mittelrauhwert R₃ zwischen 0,5 und 3um besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungswiderstand der Oberflächenschicht des Vaterkonus (5) durch napfförmige Vertiefungen (11) erniedrigt ist und der Vaterkonus (5) das gleiche Verjüngungsverhältnis wie der Mutterkonus (3) aufweist

2. Hüftgelenkendoprothese mit einem ersten Gelenkteil, bestehend aus einem in den Femur einsetzbaren Schaftteil, auf dessen konischen Zapfen (Va- terkonus) eine GeJenkkugel mit einer entsprechenden Aussparung (Mutterkonus) befestigt ist, die ihrerseits in Eingriff kommt mit eiiem zweiten Gelenktei) in Form einer Gelet.kpfanne und wobei die Gelenkkugel aus gesinterter Oxidki -dmik mit einem Al2O3-Gehalt von mindestens 99,7%, einer Dichte von über 330 und einer Korngröße unter 10 μΐη besteht, der Vaterkonus aus Metall besteht und der Mutterkonus in der Gelenkkugel ein Verjüngungsverhältnis zwischen 1 :10 und 1 :20 aufweist und wobei der Verformungswiderstand der Oberflächenschicht des Vaterkonus gegenüber demjenigen in seinem Kern durch gewindeartige Rillen erniedrigt ist und die Oberfläche des keramischen Mutterkonus eine Rauhigkeit mit einem arithmetischen Mittelrauhwert R₁ zwischen 0,5 und 3 μηι besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Vaterkonus (5) das gleiche Verjüngungsverhältnis wie der Mutterkonus (3) aufweist.

50