DE2621122A1 - Osteosyntheseplatte - Google Patents

Osteosyntheseplatte

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DE2621122A1
DE2621122A1 DE19762621122 DE2621122A DE2621122A1 DE 2621122 A1 DE2621122 A1 DE 2621122A1 DE 19762621122 DE19762621122 DE 19762621122 DE 2621122 A DE2621122 A DE 2621122A DE 2621122 A1 DE2621122 A1 DE 2621122A1
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DE19762621122
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Horst Dipl Chem Dr Rer Boeder
Caius Prof Dr Burri
Guido Dipl Ing Dr Te Gistinger
Udo Ing Grad Gruber
Philip Dr Rer Nat Rose
Dietmar Dr Med Wolter
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Sigri GmbH
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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/56Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor
    • A61B17/58Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor for osteosynthesis, e.g. bone plates, screws, setting implements or the like
    • A61B17/68Internal fixation devices, including fasteners and spinal fixators, even if a part thereof projects from the skin
    • A61B17/80Cortical plates, i.e. bone plates; Instruments for holding or positioning cortical plates, or for compressing bones attached to cortical plates
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61FFILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30Joints
    • A61F2/3094Designing or manufacturing processes
    • A61F2/30965Reinforcing the prosthesis by embedding particles or fibres during moulding or dipping

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Description

  • Osteosyntheseplatte
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Implantationsteil für die Osteosynthese zur Stabilisierung einer Fraktur.
  • Im Bereich der Knochenchirurgie ist es bekannt, reponierte Bruchstücke einer Fraktur kraftschlüssig mit einem die Bruchstelle überbrückenden Kraftträger zu verbinden und die Fragmente dabei mit einer vorgegebenen kleinen Druckspannung zu belasten. Der Kraftträger besteht vorzugsweise aus einer langgestreckten, der Form des Knochens angepaßten mit den Knochenteilen verschraubten Metallplatte. Die Verwendung derartiger als Osteosyntheseplatte bezeichneter Implantate ermöglicht eine Belastung der Fraktur mit begrenzten Kräften und das Bewegen der betroffenen Gliedmaßen bereits kurzzeitig nach erfolgter Implantation, wodurch Folgekrankheiten, wie Muskelschwund, Gelenksteife usw. weitgehend verhindert werden.
  • Es ist bekannt, daß ein konservativ behandelter Knochenbruch durch Ausbildung eines sogenannten Kallus heilt.
  • Der Kallus ist ein die Bruchstelle manschettenförmig umgebendes Bindegewebe, das im Laufe des Heilungsprozesses sich ständig umwandelt, bis zum Schluß wieder eine knöcherne Verbindung zwischen den Bruch flächen entstanden ist. Wird ein Bruch, wie oben beschrieben, operativ durch Verschrauben der Bruchstücke mit einem Kraftträger versorgt, so kommt es zu einer sogenannten primären Knochenheilung, d.h., der Knochen wächst ohne erkennbare Veränderung des umgebenden Bindegewebes zusammen. Ursache für die primäre Knochenheilung ist im wesentlichen die Ruhestellung der Fraktur im Bruchbereich.
  • Als Kraftträger für die Osteosynthese werden ausschließlich Platten aus hochwertigen Stahllegierungen, z.B.
  • Co-, Ni-, Chrom-, Mo-, Ti-Schmiedestähle verwendet, die nach tierexperimentellen und klinischen Untersuchungen den an ein Implantat zu stellenden Anforderungen nur unvollkommen genügen, da lo der Knochen im Bereich des Kraftträgers verschwächt wird, und 2. in der Gewebsumgebung Zellreduktionen aufgrund der Cytotoxizität sich vom Implantat ablösender Metallpartikel erfolgen.
  • Die Ursache für die Schwächung des Knochens ist darin zu sehen, daß keine ausreichenden physiologischen Belastungsreize (Streß) auf die Bruchstelle einwirken können, da an das fixierte Glied angelegte Kräfte von dem steifen Kraftträger aufgenommen und übertragen werden Unter diesen Bedingungen nimmt nach dem Wolffschen Gesetz im Bereich des Kraftträgers der Calciumgehalt des Knochens ab, die kompakte Struktur des Knochens wird aufgelockert, spongiosiert und die Menge des Knochengewebes nimmt ab. Vor allem die strukturellen Änderungen des Knochens bewirken eine Abnahme der Elastizität und ebenfalls der Bruchfestigkeit,und zwar ist die Reduktion in den direkt an den Platten anliegenden Knochenteilen am größten. Die Abnahme von Festigkeit und Elastizitätsmodul betragen etwa 30 bis 40 % und auch nach Entfernung des Kraftträgers werden die Ausgangs- oder Durchschnittswerte nicht wieder erreicht. Die Folge ist eine erhöhte Bruchgefahr in diesem Bereich.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein für die Osteosynthese geeignetes Implantationsteil zu schaffen, das sich gegenüber menschlichem Körpergewebe chemisch inert verhält, keine toxischen Gewebsveränderungen induziert und bei verhältnismäßig geringem Gewicht eine hohe Bruchfestigkeit auch unter Dauerbeanspruchung aufweist.
  • Es ist weiter eine Aufgabe der Erfindung, die elastischen Eigenschaften des Implantats derartig zu verändern, daß eine Schwächung der Knochensubstanz im Bereich des Kraftträgers nicht auftritt und damit ein Abfall der elastischen Eigenschaften des Knochens vermieden werden kann.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Implantationsteil der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Teil aus einem physiologisch inerten mit faserförmigem Kohlenstoff verstärkten Werkstoff besteht.
  • Es ist bekannt, Implantate aus physiologisch inerten Werkstoffen wie beispielsweise thermoplastische Kunstharze, wie Polyäthylen, Polytetrafluoräthylen, härtbare Kunstharze, wie Phenolformaldehyd, Epoxyde, Elastomere, wie Silikonkautschuk und Kohlenstoff als Prothesen zu verwenden. Für Osteosyntheseplatten sind die beispielhaft genannten Werkstoffe jedoch nicht geeignet. Kunststoffe verformen sich wegen ihres kleinen Elastizitätsmoduls erheblich, so daß die notwendige Schonung der Fraktur nicht immer erreicht wird und für Platten aus Kohlenstoff ist die Bruchwahrscheinlichkeit wegen des spröden Charakters des Werkstoffs zu groß. Diese Nachteile werden durch Verstärkung der physiologisch inerten Werkstoffe mit faserförmigem Kohlenstoff nicht nur behoben, sondern Variationen der räumlichen Anordnung der Kohlenstoffasern in dem Werkstoff und die Eigenelastizität der jeweils gewählten Faserqualität ermöglichen es, das elastische Verhalten einer Osteosyntheseplatte in einfacher Weise dem Elastizitätsmodul des Knochens anzupassen. Nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung entspricht daher der Elastizitätsmodul des kohlenstoffaserverstärkten Werkstoffs dem Modul des ungeschädigten Knochens.
  • Aus der Gruppe der Kunstharze eignen sich wegen des kleinen Kaltflusses insbesondere härtbare Harze. Die Verstärkungsfasern selbst werden in bekannter Weise durch Carbonisieren vernetzter Fasern aus Cellulose, Polyacrylnitril oder Pech hergestellt. Die nach der Carbonisierung bzw. Graphitierung vollständig aus Kohlenstoff bestehenden Fasern sind physiologisch inert und weisen einen Elastizitätsmodul von etwa 10 - 30 kN/mm und eine Biegefestigkeit von ca. 100 bis 300 N/mm2 auf.
  • Zur Herstellung der faserverstärkten Osteosyntheseplatten werden Kohlenstoffasern in der Form von Stapelfasern mit Kunstharz gemischt und das Gemisch geformt oder parallel ausgelegte Fäden oder Gewebe werden mit einem härtbaren Kunstharz beschichtet, die Schichten übereinandergestapelt und dann zu einem Formkörper der gewünschten Form und Maße-verpreßt. Das Harz kann dann in bekannter Weise thermisch oder katalytisch gehärtet werden. Kohlenstoffaserwerstärkte Kohlenstoffkörper lassen sich aus den kohlenstoffaserverstärkten Kunstharzkörpern durch Carbonisieren des Kunstharzes herstellen, d.h., durch Erhitzen der Körper in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre auf eine Tempera-0 tur von ca. 1000 C. Kohlenstoffkörper können auch dadurch erhalten werden, daß Kohlenstoffgewebe oder -gewirke durch thermische Zersetzung von kohlenwasserstoffhaltigen Gasen bei Temperaturen oberhalb etwa 800 0C mit Pyrokohlenstoff imprägniert und beschichtet werden. Die Eigenschaften des Pyrokohlenstoffs lassen sich durch Änderung der Reaktionsbedingungen, insbesondere von Temperatur, Partialdruck des kohlenwasserstoffhaltigen Gases und Verweilzeit den jeweiligen Erfordernissen in weiten Grenzen anpassen.
  • Der Elastizitätsmodul kohlenstoffaserverstärkter Implantationsteile wird im wesentlichen durch den Anteil an Kohlenstoffasern, deren Orientierung und deren Elastizitätsmodul bestimmt. Durch unterschiedliche Konzentrationen der Verstärkungsfasern über das Plattenvolumen oder auch durch vorgegebene Orientierungen der Fasern ist es schließlich möglich, den Kraftfluß in der Platte zu beeinflußen und damit bestimmte Volumenteile stärker oder weniger stark zu belasten.
  • Zur besseren Anpassung an die zu verbindenen Knochenteile ist es zweckmäßig, das Implantationsteil als gekrümmte Platte auszubilden, die in vielen Fällen ohne eine zusätzliche Anpassung verwendet werden kann.
  • Ist eine genaue Anpassung erforderlich, so sind die gewünschten Formen durch Schleifen, Fräsen oder Drehen herauszuarbeiten. Zur Vermeidung von elektrochemischen Korrosionsvorgängen infolge der Ausbildung von Lokalelementen ist es zweckmäßig, bei der Verwendung von Metallschrauben als Befestigungselemente des Implantationsteils die Schrauben mit einem Kunstharzüberzug oder einem Kohlenstoffüberzug zu versehen, zumindest im Bereich des Kontaktes. Ebenso ist es möglich, die gesamte Oberfläche der Platte mit einem besonders beständigen Harz, wie Polyäthylen, Polyacetal oder auch Silikonkautschuk, zu beschichten.
  • Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, daß infolge der gleichen oder wenigstens angenähert gleichen Elastizität von Kraftträger und Knochen der durch wechselnde Druckbelastungen ausgelöste physiologische Reiz auch auf die Knochen teile im Bereich des Kraftträgers übertragen wird, da unter diesen Bedingungen ein Teil der Kraft über den Knochen selbst geleitet wird. Entkalkung und strukturelle Veränderung des Knochens und damit dessen unerwünschte Schwächung werden vollständig vermieden. Die erfindungsgemäßen Implantationsteile sind zudem gewebeverträglicher als die bekannten Kraftträger und induzieren keine toxischen Veränderungen des umliegenden Gewebes.
  • Die Erfindung wird im folgenden durch Beispiele erläutert.
  • Beispiel 1 Streifen aus Kohlenstoffgewebe in Satinbindung wurden mit einem handelsüblichen Epoxydharzsystem, das einen Härter und einen Beschleuniger enthielt, beschichtet.
  • Die Streifen wurden in eine Halbrohrform eingelegt und mit Hilfe eines konvexen Stempels an die Formwand gedrückt, um das überschüssige Harz aus dem Gewebestapel zu quetschen. Das Harz wurde dann durch Erwärmen der Form auf eine Temperatur von ca. 80 0C ausgehärtet.
  • Der Verbundwerkstoff, dessen Faservolumen ca. 33 % betrug, hatte in der Gewebeebene einen Elastizitäts-2 modul von 32 kN/mm , die Biegefestigkeit der zylindrisch 2 gekrümmten Platte betrug ca. 200 Nimm . Der Elastizitätsmodul von Knochen beträgt vergleichsweise etwa 14 - 28 kN/mm2.
  • Beispiel 2 r Ein Kohlenstoffgarn mit den Eigenschaften - Reißfestigkeit 1,6 kN/mm2, E-Modul 0,2 MN/mm2, Dichte 1,72 g/cm3 -wurde kontinuierlich durch einen eine 10 %ige Lösung von Phenolformaldehydharz in Äthanol enthaltenden Trog gezogen und das Lösungsmittel durch Lagern des Garns bei Temperaturen zwischen 20 und 3000 zum überwiegenden Teil entfernt. Das Kohlenstoffgarn wurde dann in gleichlange Abschnitte zerschnitten, die in paralleler Anordnung in eine Preßform eingelegt und zu einem Körper mit einem Faseranteil von 30 Vol.% verdichtet wurden. Der Preßdruck betrug ca. 3 bar.
  • Zur Aushärtung des Phenolformaldehydharzes wurde der Verbundkörper anschließend in einem Wärmeschrank 30 min auf 100 0C und dann weitere 30 min auf 100C erhitzt. Der Harzkörper wurde dann mit einem Steinkohlenteerpech, dessen Erweichungspunkt ca. 75 0C betrug, imprägniert und dazu in einem Autoklaven einem Druck von zunächst 0,3 bar und nach Zugabe des Teerpeches von etwa 3 bar ausgesetzt, wobei die Verweilzeit ca. 30 min betrug.
  • Der imprägnierte Körper wurde unter einer Stickstoffatmosphäre in einem Muffelofen mit einem Temperatur-0 0 gradienten von ca. 15 C/h auf 900 C erhitzt. Die aus dem ausschließlich aus Kohlenstoff bestehenden Vrbundwerkstoff herausgearbeitete Platte für die Osteosynthese wies folgende Eigenschaften auf: Elastizitätsmodul - 20 kN/mm Biegefestigkeit - 100 N/inm2 Dichte - 0,8 g/cm3 3 Patentansprüche

Claims (3)

  1. Patentansprüche Implantationsteil für die Osteosynthese zur Stabilisierung einer Fraktur, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Teil aus einem physiologisch inerten durch faserförmigen Kohlenstoff verstärkten Werkstoff besteht.
  2. 2. Implantationsteil nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Elastizitätsmodul des kohlenstoffaserverstärkten Werkstoffs dem Modul des ungeschädigten Knochens entspricht.
  3. 3. Implantationsteil nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Matrix aus Kohlenstoff besteht.
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