DE2649782B2

DE2649782B2 - Gieß- oder preßgeformter Kunststoffknochen

Info

Publication number: DE2649782B2
Application number: DE2649782A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Zuerich Heller; Urs Dr.Med. Kronbuhl Schneider
Original assignee: Contraves AG; Synthes AG Chur
Current assignee: AO Technology AG
Priority date: 1975-12-05
Filing date: 1976-10-29
Publication date: 1979-01-04
Also published as: AT356938B; US4106219A; GB1567936A; JPS5270623A; ATA816776A; CH601877A5; DE2649782A1; DE2649782C3; FR2334160B1; JPS5941587B2; FR2334160A1

Description

Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein gieß- oder preßgeformter Kunststoffknochen in der Form und Größe eines menschlichen Extremitäten-Röhrenknochens für Übungszwecke in der Behandlung von Knochenbrüchen durch mechanisches Verbinden von Knochenbruchteilen.

Zum Stand der Technik über das chirurgische Behandeln von Knochenbrüchen sei auf das Buch »Manual der Osteosynthese« von M. E. Müller, M.

Allgöwer, H. Willenegger, Springerverlag Berlin, Heidelberg, New York 1969 verwiesen. Es wird darin an Hand von vielen Abbildungen und zugehörigen Beschreibungen dargelegt, welche technischen Hilfsmittel und Methoden den Orthopädie-Chirurgen zur Behandlung schwerer Knochen-Brüche und -Zertrümmerungen, insbesondere im Extremitätenbereich, zur Verfügung stehen, um den Verunfallten schon nach relativ kurzer Zeit den Wiedergebrauch und anschließend die Heilung der verletzten Glieder zu ermöglichen. Diese Behandlungsmethoden und besonders der mechanisch-technisch richtige Gebrauch der verfügbaren Hilfsmittel, bzw. Verbindungselemente, erfordern zum Vermeiden folgenschwerer Fehler den Besuch intensiver Ausbildungskurse in Knochenchirurgie, und das praktische Üben der mechanischen Verbindungstechnik an Übungsknochen. Als solche standen bisher hauptsächlich nur Tierknochen aus Schlachthäusern, in seltenen Fällen auch Menschenknochen zur Verfügung. Die verfügbaren Tierknochen weichen vor allem hinsichtlich ihrer inneren und äußeren Architektur, aber auch hinsichtlich ihrer Festigkeit wesentlich von den analogen Menschenknochen ab. Menschenknochen werden aus berufsethischen Gründen nur ungern als Übungsmateria! verwendet Zudem können sie oft erst nach langer dauernder Konservierung und Vorbehandlung verwendet werden, in deren Verlauf sie sich hinsichtlich Festigkeit Bruchverhalten und mechanischer Bearbeitbarkeit gegenüber den entsprechenden Eigenschaften des lebenden Knochens oft nachteilig verändern.

Kunststoffknochen sind als Spiel- und Nageknochen für Hunde oder zum Zeigen der äußeren Knochenformen bzw. für die Zusammensetzung von Demonstrationsskeletten bekanntgeworden, wobei in beiden Fällen keine Markhöhlen vorgesehen werden und überhaupt die Innenstruktur in keiner Weise der natürlichen Knochenbauweise irgendwie entsprechen müssen.

Beispielsweise in der US-PS 24 72 819 sind aus Holz geformte Knochenmodelle und ganze Gliedmaßen-Skelettmodelle beschrieben, die in ihren Außenformen weitgehend wirklichen menschlichen Knochen entsprechen und für Anatomie- und Chirurgiestudenten eine gewisse Übungshilfe für die sachgemäße Richtung von Bruchstellen und die Orientierung der Einzelknochen in Gelenkverbindungen ermöglichen.

Wegen der sehr wesentlichen Verschiedenheit zwischen einer massiven Naturholzstruktur und einer Knochenstruktur mit Markhöhle, Knochenbälkchen-Gewebe und kompakter Außenschale kann man aber für eine Verbindung von Bruchteilen nicht gleiche Werkzeuge und nicht gleiche Verbindungsmittel (Schrauben usw.) verwenden.

Weiterhin zeigt die US-PS 29 95 833 ein dem menschlichen Knochengerüst nachgebildetes Skelett welches als Demonstrations-Modell für die Anatomie ausgebildet und vorgesehen ist. Bei diesem Skelett sind die einzelnen, in der äußeren Formgebung entsprechend dem menschlichen Vorbild ausgebildeten Gliedmaßen aus Kunststoff hergestellt und an den Gelenkstellen durch speziell für diesen Verwendungszweck ausgebildete Zapfen od. dgl. beweglich miteinander verbunden.

In der äußeren Formgebung entsprechen die Kunststoffteile zwar den menschlichen Knochen, jedoch sind sie im Strukturaufbau nicht vergleichbar und weisen außerdem keinen Markhöhlenraum auf.

Bei einem anderen menschlichen Knochengerüst aus

Kunststofflcnochen (US-PS 29 88 823) sind in den Knochen nicht näher erläuterte Hohlräume vorgesehen. Diese entsprechen jedoch nicht der wahrheitsgetreuen Innen-Ausbildung eines menschlichen Knochens mit Markhöhlenbereich und Knochenbälkchen-Gewebebereich.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren zur Herstellung künstlicher Skelette (DE-PS 8 35 074) werden die einzelnen Knochen aus angepaßtem, organischem oder anorganischem Gußmaterial mit verschiedenen Festigkeitswerten gegossen. Die dort angesprochenen Festigkeitswerte sind nur im Hinblick auf die erwünschte Stabilität der herzustellenden Skelette erwähnt, nicht jedoch im Hinblick auf eine originalgetreue Festigkeitsstruktur. Zur Darstellung von Knochenbrüchen und zu Übungen zur Richtung und Heilung durch mechanisches Verbinden der Bruchteile sind diese Skeletteile nicht geeignet, da sie in ihrer Struktur keine Ähnlichkeit mit dem Aufbau des menschlichen Knochens haben, sondern diesen nur in der äußeren Form gleichen bzw. ähneln.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe .zugrunde, Kunststoffknochen der eingangs genannten Art zu schaffen, die von Chirurgen als Übungsknochen gebraucht werden können und an denen in weitgehend zu den Ernstfallobjekten ähnlicher Weise die einleitend erwähnten Verfahrenstechniken zur dauernden, steifen Verbindung von Knochenbruchteilen mit satt in die passend auszubohrende Markhöhle eingetriebenen Marknägel und/oder mit äußerlich angeschraubten Halteschienen oder anderen Verbindungselementen geübt werden können. Solche Kunststoffknochen sollen darum bezüglich ihrer Außenform, der Form ihres Innenhohlraumes, sowie auch bezüglich ihrer Außenwamlstruktur in genügend guter Annäherung den äuße'en, kompakten Wandteilen des natürlichen Vorbildes hinsichtlich Festigkeit, Bruchverhalten und mechanisch ir Bearbeitbarkeit ausreichend gut ihrem natürlichen Vorbild entsprechen. Dabei ist vor allem wichtig, daß das verwendete Kunststoffmaterial ebensogut wie natürliche Knochensubstanzen mit den für die Knochenchirurgie üblichen Bohr- und Gewindeschneide-Werkzeugen bearbeitet werden kann. Viele Arten von üblichen Kunststoffmaterialien wie z. B. Thermoplaste oder hochfeste, mit Glasfasern verstärkte Kunststoffe neigen dazu, beim Bohren und Gewindeschneiden das verwendete Werkzeug festzuklemmen und so entsprechende Bearbeitungstechniken wesentlich zu erschweren.

Diese Aufgabe wird errindungsgemäß dadurch gelöst, daß der röhrenförmige Innenraum in der Knochen-Schaftmitte mit einem im wesentlichen gleichmäßigen engen Querschnitt als Markhöhlenbereich und daran anschließend jeweils bis zu den Knochen-Schaftenden mit sich erweiternden Bereichen in der Formgebung dem menschlichen Knochenbälkchen-Gewebsbereichen entsprechend ausgebildet ist und daß die in Gewicht, Festigkeit und mechanischer Bearbeitbarkeit annähernd dem menschlichen Röhrenknochen entsprechende mikrozellulär strukturierte geschäumte Kunststoff-Knochenwand eine im wesentlichen mit der natürlichen Knochenhaut vergleichbare, ungeschäumte äußere Grenzschicht aufweist.

Der erfindungsgemäße Übungsknochen ähnelt im Aufbau und seiner -nneren Struktur dem wirklichen menschlichen Knochen so weitgehend und verhält sich bei Brüchen und bei Bearbeitung zur mechanischen Verbindung der Bruchteile dem menschlichen Knochen so ähnlich, daß er dem Übenden die gleichen Verhältnisse und Möglichkeiten bietet und an ihn die gleichen Anforderungen stellt wie der Ernstfall. Dies wird von den bekannten Kunststoffknochen nicht geboten.

Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Kunststofflcnochen als einstückiger Polyurethan-Hartschaumgießling mit praktisch ungeschäumten Grenzschichten und einer mikrozellulär strukturierten Zwischenschicht

ίο seiner Wandung ausgebildet

Mit Vorteil hat der Innenraum im Bereich des mittleren Schaftteiles einen gleichmäßig engsten und profilierten Querschnitt, der zwischen nach innen vorstehenden Rippen und/oder Zapfen Ausnehmungen zur Aufnahme von beim Ausbohren auf einen vorbestimmten Innendurchmesser anfallenden Spänen aufweist

Dabei können je nach besonderen Wünschen mindestens diese Erweiterungen des Innenraumes im Bereich der Kopfenden mit einem besonderen Leichtschaum-Stützmateria! ausgefüllt werden, das seinerseits mit Schmiermittel getränkt sein kann, um die bei einer wirklichen Markhöhlenbohrung auftretenden Verhältnisse noch besser nachzuahmen.

Weil auf andere Weise ein Kerneinsatz zur Bildung des Innenhohlraumes der geschilderten Art nach Erhärtung der Wandstruktur aus der Gießform nicht entfernbar ist, es sei denn, man fertige den Kunststoffknochen aus zwei später miteinander zu verklebenden Längshälften, gießt man zweckmäßigerweise den Kerneinsatz in einer entsprechenden Gießform in an sich bekannter Weise aus einem Material mit einem Schmelzpunkt im Bereiche von etwa 50 bis 100° C, aus einem Wachs oder einer passenden Metall-Legierung

J5 z. B. aus »Woods Metall«, »Roses Metall«, »Wismut-Lot« oder »Wismut-Cadmium-Lot«. Derartige Kerneinsatz-Gießlinge können nach Aushärtung des gegossenen Knochens durch Formerhitzung geschmolzen und durch ein Ablaß-Loch entleert werden.

Es könnte auch vorgesehen werden, den Kerneinsatz aut einem Material herzustellen, das nach der Aushärtung des Kunststoffknochens mit Hilfe von Wasser oder einem anderen Lösungsmittel physikalisch oder chemisch aus dem Innenraum herausgelöst werden

v, kann. Eine weitere Möglichkeit kann darin bestehen, den formgebenden Kerneinsatz aus einem Stützmaterial zu fertigen, das ohne wesentlichen Nachteil im Innenraum des fertigen Kunststoffknochens belassen werden kann.

ίο Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kunststoffknochens ist in
F i g. 1 im Längsschnitt und in

Fi <j. 2 im Querschnitt nach der Linie H-II von Fig. 1 der Zeichnung dargestellt.

> Der in der Zeichnung dargestellte Kunsutoffknochsn ist vorzugsweise als Polyurethan-Hartschaum-Gießling ausgebildet Er entspricht bezüglich seiner Außenform und seines Innenraumes weitgehend dem Schienbein (Tibia) eines menschlichen Unterschenkels. Sein Innen-

'·' raum 10 hat im Mittelteil des Knochenschaftes seinen engsten und in diesem Bereich etwa gleichmäßigen Querschnitt und entspricht dort etwa der Markhöhle des natürlichen Vorbildes. In diesem engsten Mittelabschnitt 10_m ist der Innenraum profiliert und bildet gemäß Fig. 2 zwischen nach innen vorstehenden Rippen 11 Ausnehmungen 12 zur Aufnahme von beim Ausbohren auf einen vorbestimmten Zylinderdurchmesser für die Fixation eines einzutreibenden Marknagels entstehen-

den Spänen. Dieser Markhöhlenteil 10_m kann z. B. etwa auf einen Zylinder gemäß dem in Fig. 2 gestrichelt eingezeichneten Kreis 13 ausgebohrt werden, in welchem der einzutreibende Marknagel auf eine Länge von etwa 10 bis 15 cm festsitzen muß, um die gegenseitige Fixation der Knochenteile bei einem Mittelschaftbruch zu sichern. Von diesem profilierten Markhöhlen-Mittelteil 10_m aus erweitert sich der Innenraum 10 nach dem proximalen Kopfende und nach dem distalen Kopfende des ganzen Kunststoffknochens, d. h. in die Bereiche des Knochenbälkchengewebes des natürlichen Vorbildes hinein (Spongiosa-Bereich). Diese erweiterten oberen und unteren Endteile des Innenraumes 10 sind mit 10_p (proximal), bzw. mit lOrf (distal) bezeichnet und können für den vorgesehenen Verwendungszweck ohne Nachteil leer belassen werden. Sofern es aber von den Verwendern aus besonderen Gründen gewünscht würde, könnte der ganze Innenraum 10 oder auch nur dessen ei wciici ic Emuicmc 1O_n üfiu JGj 7.. B. nach dem Aushärten des Knochenkörpers durch Hilfsbohrlöcher mit einem Schaumstoff-Reaktions-Gemisch, das zu einer Leichtschaum-Struktur aushärtet, z. B. einem grobzelligen, gefüllt werden, das z. B. auch mit einem Schmiermittel getränkt werden könnte.

Die den genannten Innenhohlraum 10 umschließende Wandung 1 des dargestellten Kunststoffknochens besteht mit Vorteil aus einer, in einer, einen darin eingesetzten Formkern enthaltenden, mehrteiligen, und verschlossenen Gießform gegossenen und in der verschlossenen Form ausgehärteten Polyurethan-Hartschaumstruktur. Im Bereich der proximalen Erweiterung 10p des Innenraumes 10 kann die Wandung 1 seitlich verdickt und mit Innenrippen und/oder Zapfen 110 versehen sein, die einer einzutreibenden Winkelplatte einen ähnlichen Stützhalt wie das Knochenbälkchengewebe im natürlichen Vorbild bieten. Als Beispiel eines zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kunststoff- bzw. Übungsknochens geeigneten Polyurethan-Hartschaum-Reaktionsgemisches sei eine flüssige Mischung aus

lOOGew.-Teilen Polyolen,

110 Gew.-Teilen höherfunktionellen Isocyanaten, und
5 Gew.-Teilen Treibmittel

genannt, die bei Raumtemperatur etwa nach 15 Sekunden zu schäumer, und anschließend auszuhärten beginnt Es ist vorteilhaft, sowohl für die Außenform als auch für den Kern Metall zu verwenden und vor dem Einspritzen des Reaktionsgemisches mindestens die Außenschalen auf relativ tiefere Temperaturen abzukühlen (15°C bir 20° C), damit die an diesen Form- bzw. Kern-Oberflächen anliegenden Reaktionsgemisch-Schichten gekühlt und deswegen am Schäumen verhindert werden, so daß sie nach Aushärtung ungeschäumte Harthautschichten 1* bilden, die etwa der natürlichen Knochenhaut entsprechen, während zwischen der äußeren und inneren Harthautschicht der Wandung 1 als mikrozelluläre Hartschaumschichten mit geschlossenen Zellen von etwa 0,5 bis 2,0 mm 0 entstehen. Eine solche Wandstruktur bleibt bis zu Temperaturen von etwa 125°C fest, hat ein Raumgewicht von etwa 1000 g/Liter und Druckfestigkeitswerte

ι von etwa 800 bis 1500 kg/cm².

Als Kernmaterial zur Bildung des Innenhohlraumes 10 dient mit Vorteil eine Legierung mit niederem Schmelzpunkt (60°C bis 95°C). Damit wird der Kerneinsatz in an sich bekannter Weise in einer

in Spezialform gegossen. Dabei ist es vorteilhaft, einem solchen Kern-Gießling mindestens einen axial vorstehenden Vierkantzapfen anzuformen, der bzw. die in entsprechende Ausnehmungen der Außenformteile eingesetzt werden und damit den Formkern in der richtigen Orientierung festhalten. Solche Richt-Zapfen 21 sind in F i g. I der Zeichnung punktiert eingezeichnet und hinterlassen nach dem Ausformen entsprechende Löcher in den Gelenk-Kopfflächen des ausgeformten f-· — —* —* — "!.—~ —I.— — — IVUMSLSLt-HIKIIlSVIICtIS. k

mit einer erhärteten Kunststoffpaste ausgefüllt werden.

Die Einspritzkanäle für das Einführen des flüssigen Reaktionsgemisches in die Form hinterlassen gestrichelt gezeichnete Zapfen 22, die abgeschnitten werden.

Nach dem Aushärten des geschäumten Reaktionsge-

2) misches wird die Gießform auf etwa 100"C erhitzt, um das Kernmetall zu schmelzen und auslaufen zu lassen.

Ein an Hand der Zeichnung ausgebildeter und gemäß vorstef anden Angaben hergestellter Kunststoffknochen, bestehend aus einer Polyurethan-Hartschaumstruktur und einem Innenhohlraum entspricht in bezug auf sein Gewicht seine Außen- und Innenform, die Bearbeitbarkeit setner Struktur, insbesondere deren Verschraubbarkeit sowie in bezug auf seine Festigkeit, bzw. sein Bruchverhalten weitgehend dem natürlichen

r> Vorbild. Durch Anritzen der Außenhaut längs vorwählbarer Bruchlinien und/oder Schwächung der Wandstärke längs einer besonderen Innennute 14 und Applikation entsprechender Biege- und/oder Torsionskräfte lassen sich bestimmte Bruchtypen vorbestimmen. Es

to lassen sich auch durch Zerschlagen ganz schwere Trümmerbrüche nachbilden.

Der in Osteosynthese auszubildende Chirurg findet im beschriebenen Kunststoffknochen ein sehr brauchbares Übungsobjekt, an welchem er die manuell-mechani-

4") sehe Technik zum Zusammenfügen und Verschrauben und/oder Vernageln von Knochen-Bruchstücken über und prüfen lassen kann. Andere Typen von menschlichen Knochen, vorzugsweise von Schaftknochen mit Markhöhle, lassen sich nach der gegebenen Lehre ohne

*i Schwierigkeiten herstellen.

In F i g. 1 der Zeichnung ist die Wandui·^ der proximalen Erweiterung 10_p des Innenraumes 10 im Bereich unter der Tuberositas durch eine Innen-Ausnehmung geschwächt, um an dieser Stelle 15 die Herstellung eines Wanddurchbruches zum Einführen eines Marknagels und von dessen Vortriebsorganen zu erleichtern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gieß- oder preßgeformter Kunststoffknochen

in der Form und Größe eines menschlichen Extremitäten-Röhrenknochens für Übungszwecke in der Behandlung von Knochenbrüchen durch mechanisches Verbinden von Knochenbruchteilen, dadurch gekennzeichnet, daß der röhrenförmige Innenraum (10) in der Knochen-Schaftmitte mit einem im wesentlichen gleichmäßig engen Querschnitt als Markhöhlenbereich (\0_m) und daran anschließend jeweils bis zu den Knochen-Schaftenden mit sich erweiternden Bereichen (10^ 10_pJin der Formgebung dem menschlichen Knochenbälkchen-Gewebsbereichen entsprechend ausgebildet ist und daß die in Gewicht, Festigkeit und mechanischer Bearbeitbarkeit annähernd dem menschlichen Röhrenknochen entsprechende mikrozellulär strukturierte geschäumte Kunststoff-Knochenwand (1) eine im wesentlichen mit der natürlichen Knochenhaut vergleichbare, ungeschäumte äußere Grenzschicht (\h) aufweist

2. Kunststoffknochen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (10) im Markhöhlenbereich {\0_m) einen profilierten Querschnitt hat, der zwischen nach innen vorstehenden Rippen und/oder Zapfen (U) Ausnehmungen (12) aufweist

3. Kunststoffknochen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die erweiterten Bereiche (10p, lOjJdes Innenraumes (10) im Bereich der Kopfenden mit einem aushärtbarrn Scha' vnstoff als Stützmaterial ausgefüllt sind.

4. Kunststoffknochen nach .* ispruch 1, dadurch gekennzeichnet daß er aus zwei miteinander verbundenen Längsschnitt-Hälften besteht

5. Kunststoffknochen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß ein zur Bildung des Innenraumes dienender Kerneinsatz im Fertigprodukt enthalten bleibt

6. Kunststoffknochen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Knochenwand (1) im Bereich mindestens einer der proximalen und/oder distalen erweiterten Bereiche (10p, IO4) des Innenraumes (10) durch nach innen gerichtete Rippen und/oder Zapfen (110) verstärkt ist.

7. Kunststoffknochen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Knochenwand (1) innenseitig mindestens eine eingeformte Schwächungsnut (14) längs einer vorbestimmten Bruchlinie enthält.

8. Kunststoffknochen nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des proximalen erweiterten Bereiches {\0_p) des Innenraumes (10) im Bereich unter der Tuberositas durch eine Innenausnehmung (15) geschwächt ist r>