DE2625529A1

DE2625529A1 - Gelenkprothese

Info

Publication number: DE2625529A1
Application number: DE19762625529
Authority: DE
Inventors: Caius Prof Dr Burri; Dietmar Dr Med Wolter
Original assignee: Sigri GmbH
Current assignee: Sigri GmbH
Priority date: 1976-06-05
Filing date: 1976-06-05
Publication date: 1977-12-15

Description

Gelenkprothese Die Erfindung betrifft eine Prothese aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kohlenstoff für den Ersatz eines Gelenks in einem lebenden Körper nach Patent (Patentanmeldung P 26 21 123.4).
Wichtige Voraussetzungen für den zufriedenstellenden Betrieb eines implantierten Gelenkersatzes sind Verträglichkeit mit dem Körpergewebe, Beständigkeit gegen die vielfältigen auf das Gelenk einwirkenden mechanischen Kräfte und die Ableitung der Kräfte auf das körpereigene Knochengewebe. Auch bei guter chemischer Beständigkeit und günstiger konstruktiver Gestaltung können Lockerungen von Implantaten nicht mit Sicherheit ausgeschlossen werden, da nach dem Wolffschen Transformationsgesetz sich die stoffliche Zusammensetzung und die Struktur des Knochens den jeweiligen Belastungsreizen entsprechend ändert. Als Werkstoffe für Gelenkprothesen sind besonders Metalle, wie Edelstähle und eisenfreie Legierungen, Kunstharze, wie Polytetrafluoräthylen und Polyäthylen sowie Kombinationen dieser Stoffe vorgeschlagen worden. Für belastete Gelenke, wie z0B das Hüftgelenk, ist wegen der günstigen Abrieb- und Gleiteigenschaften und der rusreichenden mechanischen Festigkeit die Kombination Metall/ Kunststoff weit verbreitet. Es ist ebenfalls vorgeschlagen worden, die Oberflächen von Metallprothesen mit einer Glaskeramik zu beschichten0 Zwischen Glaskeramik geeigneter chemischer Zusammensetzung und dem Knochen entsteht bei Ruhigstellung durch wahrscheinlich chemische Bindungen ein direkter inniger Kontakt. Es bildet sich zunächst eine gelartige amorphe Schicht, in der apatitähnliche Mineralien entstehen, die möglicherweise mit dem Hydroxylapatit des Knochengewebes eine chemische Bindung eingehen.
Andererseits bestehen beträchtliche Unterschiede im elastischen Verhalten von Prothesenträger und Gewebe, wodurch Abbauerscheinungen im Knochen induziert werden können Nach der Patentanmeldung P 26 21 123o4 ist es bekannt, die für die Langzeitstabilität von Prothesen nachteilige Resorption des Knochengewebes dadurch zu verhindern, daß aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kohlenstoff bestehende Prothesen verwendet werden. Derartige Prothesen weisen den gleichen oder nahezu den gleichen Elastizitätsmodul wie Knochen auf und ermöglichen eine gleichmäßige, Überbelastungen des Knochens ausschließende, Krafteinleitung vom Knochen auf die Prothese und umgekehrt, wodurch Störungsreize, die ein dauerhaftes Verwachsen der Prothese im Knochengewebe behindern, eliminiert werden. Durch die Anordnung der Verstärkungsfasern in mehreren gegeneinander geneigten Scharen, wobei die Längserstreckung der Fasern innerhalb einer Schar mit einer Hauptbelastungsrichtung des Gelenks zusammenfällt, kann der Kraftfluß zudem analog der Struktur des natürlichen Knochens gezielt verändert werden. Kohlenstoff und ebenfalls Graphit sind physiologisch inerte Werkstoffe, die aufgrund ihrer porösen Struktur mit dem Knochengewebe eine feste Verbindung eingehen können. Für die Ausbildung-einer Verbindung von ausreichender Festigkeit wird jedoch mehr Zeit als bei der Verwendung von Glaskeramik benötigt und die Verbindungsfestigkeit ist häufig etwas kleiner.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Prothese der eingangs genannten Art zu schaffen, die etwa die gleiche Elastizität wie ein Knochen aufweist und chemische Bindungen mit dem Knochengewebe bildet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Prothese aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kohlenstoff gelöst, deren Oberfläche wenigstens zu einem Teil mit einer Schicht aus Glaskeramik überzogen ist. Die Dicke der Schicht beträgt vorzugsweise 0,01 bis 0,1 mm.
Unter Glaskeramik im Sinne der Erfindung werden kristallisierte Gläser verstanden, die etwa 40 - 60 % SiO2, 10 - 30 % CaO, 5 - 10 % P205, 20 - 30 % Alkalioxide und gegebenenfalls weitere Verbindungen enthalten. Die Glaskeramik wird auf den Prothesenkern aus verstärktem Kohlenstoff zweckmäßigerweise durch Flammspritzen aufgebracht oder die Keramikschicht wird aufgesintert. Die Dicke der Schicht sollte zweckmäßigerweise 0,01 bis 0,1 mm betragen, da in diesem Dicken-Bereich eine ausreichende Menge reaktiven Materials vorhanden ist und andererseits die Elastizität der Prothese kaum beeinträchtigt wird.
Die Prothese selbst enthält stiel- oder zapfenförmige Elemente, die in entsprechende Ausnehmungen des Knochens eingreifen. Besonders günstig verhalten sich Schraubverbindungen, wobei Gewinde in den Zapfen bzw. die Ausnehmung geschnitten sind Die Glaskeramikbeschichtung erstreckt sich vorzugsweise auf diese Teile der Prothese, die mit der Gegenprothese im Eingriff stehenden Flächen werden zweckmäßigerweise je nach den vorliegenden Bedingungen zur Verbesserung der Gleiteigenschaften mit einer Schicht aus Kohlenstoff-Fluorid versehen oder mit einem geeigneten Kunstharz, wie Polytetrafluoräthylen, Polyäthylen oder einem Silikonkautschuk imprägniert. In einer anderen Ausführungsform ist die Prothese oberflächlich vollständig mit einer Schicht aus Glaskeramik überzogen, die im Bereich der Gleitflächen gegebenenfalls mit den obengenannten Harzen imprägniert ist.
Zur Befestigung der Gelenkprothese ist es zweckmäßig, den Knochen selbst oder den Markraum mit einem Gewinde zu versehen. Für Hüftgelenkprothesen wird beispielsweise nach Resektion des Hüftkopfes und des Schenkelhalses in den Oberschenkel schaft vom Markraum her ein Gewinde in den kompakten Knochen geschnitten und der stielartige mit einem Gewinde versehene Teil der Prothese in dieses Gewinde geschraubt. Die Verankerung der Pfanne erfolgt beispielsweise durch sich in Ausnehmungen des Darmbeins, des Sitz- und Schambeins erstreckende Zapfen. Die Bruchfestigkeit der Prothese soll N/mm2 mindestens 50 - 100 N/mm2 betragen, der Elastizitätsmodul vorzugsweise 10 - 40 kN/mm2 und damit dem Elastizitätsmodul von Knochen, der im Mittel etwa 20 kN/mm2 beträgt, praktisch entsprechen.
Gegenüber den bisher bekanntgewordenen Lösungsvorschlägen hat die erfindungsgemäße Gelenkprothese den Vorteil, daß durch die Ausbildung chemischer Bindungen eine feste Verbindung zwischen Implantat und lebendem Gewebe erzielt wird und Spannungen sowie Relativbewegungen zwischen Implantat und Knochen wegen des übereinstimmenden oder fast übereinstimmenden elastischen Verhaltens von Implantat und Knochen nicht oder nur in einem für die Resorption von Knochensubstanz unerheblichen Betrag möglich sind. Die Prothesen "verwachsen" in einer verhältnismäßig kurzen Zeit mit dem Knochengewebe, die Festigkeit der Bindung ist mindestens so groß wie die Festigkeit des Knochens und schädliche Veränderungen des Knochengewebes werden durch das isoelastische Verhalten vermieden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels erläutert.
Zur Herstellung einer Hüftgelenkprothese wurde Kohlenstoffgarn mit einer Reißfestigkeit von 1,6 kN/mm2 2 und einem Elastizitätsmodul von 0,16 MN/mm kontinuierlich durch eine 2 %-ige Lösung von Phenolformaldehydharz in Äthanol gezogen und das Lösungsmittel durch Lagern des Garns im Temperaturbereich zwischen 20 und 30 0C zum überwiegenden Teil entfernt Das Garn wurde in gleichlange Abschnitte zerschnitten, die in eine halbzylindrische sich stielartig verjüngende Preßform eingelegt wurden, wobei die Fäden in der Nähe der Formwandung deren Konturen folgten und mit steigender Distanz von der Wandung zunehmend parallel zur Mittelebene der Form orientiert waren Die Anordnung wurde dann unter einem Druck von 0,5 bar zu einem Körper mit einem Faseranteil von ca. 50 % verdichtet.
Zur Härtung des Phenolformaldehydharzes wurde der Verbundkörper 30 min auf 100 0C und dann weitere 30 min auf 1500C und zum Carbonisieren des Harzes in einer Stickstoffatmosphäre mit einem Temperaturgradienten von ca. 20 0C/h auf 9000C erhitzt. Der Verbundkörper wurde nach dem Abkühlen mit einem Steinkohlenteerpech, dessen Erweichungspunkt 750C betrug, imprägniert und dazu in einen Autoklaven eingesetzt, dessen Druck zunächst auf ca 0,3 bar vermindert und nach Zugabe des Teerpechs auf etwa 2 bar erhöht wurde. Die Verweilzeit betrug insgesamt ca. 30 min, die Temperatur 150 0C0 Der imprägnierte Körper wurde dann wie oben beschrieben auf 9000G erhitzt.
Aus dem Rohkörper wurde die Prothese mit abgesetztem Kugelkopf und einer stielförmigen Verlängerung mit eingeschnittenem Gewinde herausgearbeitet und durch Flammspritzen mit einer 0,05 mm-dicken Glaskeramikschicht überzogen, deren Zusammensetzung etwa wie folgt war: Si02 - 45 % Na2 0 - 20 % CaO - 20 % P205 - 10 % 2 5 - 10 % CaF2, P203, Al203 - Rest Im Bereich des Kugelkopfs wurde die Glaskeramikschicht mit Polytetrafluoräthylenwachs imprägniert, dessen VisKosität bei einer Temperatur von 360 0C ca. 80 Pa s betrug. Die Biegefestigkeit der Prothese betrug ca. 80 Nimm2, 2 der Elastizitätsmodul ca. 20 kN/mm , so daß das Bruch-und insbesondere das elastische Verhalten der Prothese den durchschnittlichen Eigenschaften menschlicher Knochen entspricht.
Entzündliche Reaktionen waren beim "Einwachsen" der Prothese nicht festzustellen Die Neubildung von Knochengewebe setzte etwa zwei Wochen nach der Implantation ein, wobei die Kollagenfibrillen vorwiegend parallel zu den Oberflächen des Implantats orientiert waren. Das neugebildete Knochengewebe lag schließlich ohne bindegewebige Zwischenschicht direkt an dem Implantat an.
2 Patentansprüche

Claims

Patentansprüche ))Prothese aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kohlenstoff für den Ersatz eines Gelenks in einem lebenden Körper nach Patent .0. (Patentanmeldung P 26 21 123.4), dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß wenigstens ein Teil der Prothesenoberfläche mit einer Schicht aus Glaskeramik überzogen ist.

29 Prothese nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Dicke der Glaskeramikschicht 0,01 - 0,1 mm beträgt0