DE2548591C2

DE2548591C2 - Gelenkendoprothese

Info

Publication number: DE2548591C2
Application number: DE19752548591
Authority: DE
Inventors: Erhard Dipl.-Phys. Dr 7310 Plochingen; Semlitsch Manfred Dr.; Frey Otto; Winterthur Doerre (Schweiz)
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1975-10-27
Filing date: 1975-10-30
Publication date: 1977-12-15
Also published as: CA1060601A; FR2329249B1; CH598806A5; US4058856A; DE2548591B1; GB1497969A; ATA603876A; FR2329249A1; AT341654B

Description

6. Prothese nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die aufgerauhte Keramikoberfläche des Mutterkonus zusätzliche wellenförmige Rillen eingeschliffen sind, deren Wellenlänge zwischen 1 und 3 mm und deren Tiefe bei 0,02 mm liegt.

Verbindungen, und es kommt zu einer reibenden

Relativbewegung zwischen keram.schem Gelenkkopf

\ MefXfen was bei der extremen Härte der

Kerami't ei entsprechend hohen Metallabrieb

s fiihren "kann. Darüber hinaus besteht be. diesen

Klebstoffen häufig die Gefahr einer Tox.z.tät, die vom

Die Erfindung betrifft eine Gelenkendoprothese, insbesondere eine Hüftgelenkprothese, bei der ein erster, oxidkermaischer Gelenkteil über eine selbsthemmende, konische Steckverbindung auf einem zweiten, metallischen Gelenkteil befestigt ist, wobei das Verjü.igungsverhältnis des Mutterkonus für den keramischen Gelenkteil zwischen 1 :20 und 1 :10 liegt. Das Verjüngungsverhältnis des Konus ist dabei bekanntlich die Differenz der beiden Durchmesser bezogen auf die Länge; in diesem Fall beträgt also die Differenz '/io bis '/20 der Länge.

Es sind Gelenkprothesen für ein Hüftgelenk bekannt (DT-OS 2134316), bei denen ein oxidkeramischer Gelenkkopf mittels eines Klebstoffes aus Kunststoff auf einem zylindrischen Zapfen eines metallischen Verankerungsschaftes befestigt ist Es hat sich nun erwiesen, daß diese Klebstoffe nicht körperbeständig sind und im Laufe der Zeit resorbiert werden. Damit lösen sich die

TÄÄ^{Hps 552383}· ^DT-^Gbm

74 36 033) bei einer derartigen Keram.k-Metall-Verbundkonsiruktion die beiden aus den in ihren Eigenschäften sehr verschiedenen Materialien bestehenden Gelenkteile über eine konische Steckverbindung selbsthemmend miteinander zu verbinden. Hier hat sich nun oezeiet daß diese Steckverbindung u. U. bei gewissen , c Ltremen Belastungen die Gefahr in sich birgt, daß der Gelenkkopf aus dem relativ spröden keramischen Material reißt und zerspringt. Derartigen extremen Belastungen ist die Prothese beispielsweise infolge unterschiedlicher Wärmedehnungen von Keramik und ,n Metall bei einer Hochtemperaturstenlisat.on ausgesetzt die bekanntlich bei einer Temperatur von etwa 135° C erfolgt- sehr hohe, mechanisch ausgeloste Beanspruchungen treten z. B. bei plötzlichen Stoßen auf, wie sie u.a. beim Landen nach einem Sprung

's vorkommen. . .

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Steckverbindung für eine Verbundkonstruktion einer Gelenkendoprothese zu schaffen, bei welcher Verbindung elastische und/oder plastische Verformungen des metallischen w Gelenkteils ein Zerspringen des Keramikteils möglichst verhindern, ohne daß die übrigen mechanischen Eigenschaften des metallischen Verankerungsteils nachteilig beeinflußt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch gelost, „ daß der Kegelwinkel « für den Vaterkonus des " metallischen Gelenkteils kleiner ist als der Kegelw.nkel B des keramischen Teils und daß ferner der Verformi-ngswiderstand der Oberflächenschicht des Vaterkonus gegenüber demjenigen in seinem Kern erniedrigt ist Unter dem Verformungswiderstand des Konus wird dabei der Widerstand gegen plastische und/oder elastische Verformungen verstanden.

Mit dieser neuartigen Konstruktion der Verbindung ist zum einen gewährleistet, daß die Auflage des 4, Mutterkonus immer am verjüngten Ende einsetzt und bei jeder plastischen Verformung der Oberfläche des Vaterkonus schrittweise gegen den weiter geöffneten Teil der Konen fortschreitet, ohne daß vorzeitig eine Auflage oder Verbindung an den weiten Enden beider _So Konen erfolgt, die wegen des relativ langen Wirkungs-" ■ hebelarmes einer daran angreifenden Belastung fur ein Zerspringen des Gelenkkopfes besonders förderlich wäre

Die erhöhte Verformbarkeit nur des Oberflächenbe-

,5 reichs des metallischen Vaterkonus bewirkt eine

" größere Nachgiebigkeit dieser Oberfläche, ohne daß dadurch die mechanischen Eigenschaften des metallischen Teils als Ganzes nachteilig beeinflußt werden. Dieser Effekt läßt sich verbessern, wenn der Bereich, in

dem der Verformungswiderstand der Oberflächenschicht erniedrigt ist, vom verjüngten Ende des Vaterkonus aus tiefenmäßig abnimmt, wobei diese Abnahme vorteilhafterweise unter einem Winkel γ erfolgen kann, der gleich oder größer ist als der

Kegelwinkel ß; durch diese Maßnahme wird erreicht, daß der Widerstand gegen eine elastische und/oder plastische Verformung zunimmt, je weiter der Gelenkkopf auf den metallischen Vaterkonus gepreßt wird. Die

erfindungsgemäß erstrebten Verformungen der Oberfläche des Metallteils werden bei den Sterilisationsbeanspnichungen beispielsweise vorwiegend elastischer und bei stoßartigen, mechanischen Belastungen plastischer Natur sein.

Zwischen den Winkeln χ und β bzw. B und y ftpstehen danach die nachstehenden Ungleichungen:

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0.005

Die Verminderung des Verformungswiderstands der Oberflächenschicht, kann vorteilhafterweise durch in ihrer Tiefe abnehmende gewindeartige Rillen realisiert werden, zwischen denen in Umfangsrichtung verlaufende Vorspränge gebildet sind, deren Auflagebrcite vom verjüngten Ende des Vaterkonus aus kontinuierlich zunimmt. Es ist jedoch auch möglich, diese Wirkung durch eine Wärmebehandlung, durch poröse Ausbildung des Oberflächenbereichs oder durch eine relativ zum Kern des metallischen Gelenkteils weiche und nachgiebige Beschichtung aus einer geeigneten Metalllegierung zu erzielen, deren Dicke vom verjüngten Ende aus abnimmt.

Darüber hinaus hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn auch die Oberfläche des keramischen Mutterkonus eine Struktur besitzt, um insgesamt eine noch bessere Verzahnung mit dem metallischen Vaterkonus zu erreichen. Die Oberflächenrauhigkeit dieser Struktur hat vorteilhafterweise einen arithmetischen Mittenrauhwert Ra, der /.wischen 0,5 und 3 μπι liegt. Nach DIN 4762 ist der Mittenrauhwert Ru definiert ah. der arithmetische Mittelwert der absoluten Beträge der Abstände des Istprofils vom mittleren Profil. Zusätzlich eingeschliffene, in Umfangsrichtung verlaufende Rillen können diese Wirkung erhöhen. Ihre Wellenlänge soll vorzugsweise zwischen 1 und 3 mm und ihre Tiefe bei 0,02 mm liegen. Auf diese Weise wird ein optimales Tragbild der Oberfläche erreicht, wobei unter »Tragbild« der prozentuale Anteil der konischen Mantelflächen verstanden wird, in dem beide Konen aufeinander aufliegen und sich gegenseitig abstützen. Dieser Anteil läßt sich nach dem Lösen der Konen flächenmäßig ausmessen, da die Oberflächen beider Konen in den tragenden Bereichen optisch wahrnehmbar verändert worden sind.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Hinzuziehung der Zeichnung näher erläutert, wobei die einzige Figur, stark vergrößert, einen Schnitt durch eine Verbundprothese der genannten Art im Bereich der konischen Steckverbindung zeigt.

In der vergrößerten Darstellung einer Steckverbindung befindet sich der Mutterkonus 1 in einem nur andeutungsweise skizzierten Gelenkkopf 2 aus einem bekannten biokeramischen Material. Der Kegelwinkel des Mutterkorns ist mit β bezeichnet: das Vcrjüngungs-

verhältnis des Mutterkonus beträgt 0,100, woraus sich dann für β ein Winkel von etwa 5° 43' bestimmen läßt.

In diesen Mutterkonus 1 ist ein Vaterkor.us 5 eingeschoben, der auf dem zapfenartigen Ende eines Gelenkteils 3 angeordnet ist. Dieser Teil 3 besteht aus einem der bekannten für Implantate verwendeten Metalle oder aus einer Metallegierung; es wird vorzugsweise als Guß- oder Schmiedewerkstück hergestellt und ist als Hohlkörper ausgebildet.

Der Kegelwinkel λ des Gelenkteils 3 wird gemäß den erwähnten Ungleichungen gewählt und ist in der Darstellung relativ zum Winkel β stark übertrieben zu klein wiedergegeben.

Die Oberfläche des Vaterkonus 5 trägt eine Struktur, die unter einem Winkel >', der ebenfalls auf Grund der angegebenen Beziehung ausgewählt ist und im vorliegenden Beispiel mindestens annähernd gleich dem Kegelwinke) β des Mutterkonus 1 ist, vom verjüngten Ende des Vaterkonus 5 aus stetig abnimmt. Sie besteht aus Rillen 4 mit abnehmender Tiefe, die beispielsweise als Gewinde in den Vaterkonus eingeschnitten sind, wobei mit der abnehmenden Tiefe ihr V-förmiger Querschnitt immer enger wird, so daß die zwischen den Rillen 4 stehengebliebenen Gewindevorsprünge 6 eine mit abnehmender Tiefe zunehmende Auflagebreite haben. Mit der Abnahme des Rillenquerschnitts und der gleichzeitigen Zunahme der Auflagebreite wird eine vom verjüngten Ende des Konus 5 aus fortschreitende Abnahme der elastischen und plastischen Verformbarkeit der Oberflächenstruktur erreicht.

Die Abmessungen dieser Struktur sind im allgemeinen einige Hundertstel Millimeter; so betragen beispielsweise im Bereich des verjüngten Endes die Tiefe und der Abstand zweier benachbarter Rillen 4 0,05 mm und ihre Breite unmittelbar an der Oberfläche etwa 0,03 mm. so daß in diesem Bereich Auflagebrciten der Vorsprünge 6 von etwa 0,02 mm vorhanden sind.

Für die Herstellung der beschriebenen Struktur ist es beispielsweise möglich, dem Metallkonus zunächst einen äußeren Kegelwinkcl von der Größe des Winkels γ zu geben, in diesen Rohling des Konus 5 das erwähnte Gewinde einzuschneiden und anschließend den Kegelwinkel durch vom verjüngten Ende zunehmende. Material abtragende Überarbeitung auf den vorgesehen Wert ix zu bringen. Die Einhaltung der geforderten Toleranzen bei der Herstellung der geschilderten Oberflächenstruktur läßt sich dabei beispielsweise durch optische Mittel überwachen.

Die Herstellung der beiden Konen 1 und 5 erfolgt durch mechanische Bearbeitung der Rohlinge, wobei die Einhaltung der Toleranzen beispielsweise mit je einem Satz kalibrierter Meßstückc erfolgt, die axial gegeneinander auf bzw. in dem Konus verschiebbar sind und mit denen die relativ engen Toleranzen für die Winkel der Konen in Differenzmessungen dieser axialen l.ängsversehiebtingen umgesetzt werden, die auf Grund der relativ starken Verjüngung der Konen gut meßbar und reproduzierbar yu überwachen sind.

Hierzu 1 Blau Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gelenkendoprothese, insbesondere Hüftgelenkprothese, bei der ein erster, oxidkeramischer Gelenkteil über eine selbsthemmende, konische Steckverbindung auf einem zweiten, metallischen Geienkteil befestigt ist, wobei das Verjüngungsverhältnis des Mutterkonus (zweimal Tangens des halben Kegelwinkels ß/2) für den keramischen Gelenkteil zwischen 1:20 und 1:10 liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel λ für den Vaterkonus (5) des metallischen Gelenkteils (3) kleiner ist als der Kegeiwinkel β des keramischen Teils (2) und daß ferner der Verformungswiderstand der Oberflächenschicht des Vaterkonus (5) gegenüber demjenigen in seinem Kern erniedrigt ist.

2. Prothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich, in dem der Verformungswiderstand der Oberflächenschicht erniedrigt ist, vom verjüngten Ende des Vaterkonus (5) aus tiefenmäßig abnimmt.

3. Prothese nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vaterkonus (5) eine Oberflächenstruktur (4) trägt, die von seinem verjüngten Ende aus unter einem Winkel γ, der gleich oder größer ist als der Kegelwinkel ß, tiefenmäßig abnimmt.

4. Prothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des keramischen Mutterkonus (1) eine Rauhigkeit besitzt, deren arithmetischer Mittenrauhwert Ra zwischen 0,5 und 3 μΐη liegt.

5. Prothese nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenstruktur aus in ihrer Tiefe abnehmenden gewindeartigen Rillen (4) besteht, zwischen denen in Umfangsrichtung verlaufende Vorsprünge (6) gebildet sind, deren Auflagebreite vom verjüngten Ende des Vaterkonus (5) aus kontinuierlich zunimmt.