DE2742098A1 - Endoprothese mit einer metall- keramik-verbindung - Google Patents

Endoprothese mit einer metall- keramik-verbindung

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Description

Endoprothese mit einer Metall-Keramik-Verbindunq
Die Erfindung bezieht sich auf eine Endoprothese, insbesondere eine Hüftgelenkprothese mit einem in den Knochen einsetzbaren Metallschaft, auf dessen freiem Zapfen unmittelbar ein mit einer angepaßten Bohrung versehener Keramikkopf aufgesetzt ist.
Eine solche Endoprothese ist z.B. aus der deutschen Offenlegungsschrift 25 48 077 bekannt geworden. Bei der in dieser Druckschrift offenbarten Gelenkendoprothese erfolgt die Verbindung zwischen dem Metallschaft und dem Keramikkopf in der Weise, daß der freie Zapfen des Metallschaftes als Vaterkonus ausgebildet ist, während die Bohrung im Keramikkopf als Mutterkonus ausgeführt ist und die beiden Teile unmittelbar zusammengepreßt werden, so daß eine rein kraftschlüssige Verbindung entsteht. Um einerseits relativ kleine Konuswinkel verwenden zu können und dadurch einen sicheren Reibschluß zu erhalten, andererseits aber die Gefahr der Sprengung des Keramikkopfes bei Erhitzung der Endoprothese zur Sterilisation herabzusetzen, wird in der genannten Druckschrift vorgeschlagen, den Vaterkonus und/oder den Mutterkonus mit einer Rillenprofilierung geringster Profiltiefe zu versehen, um dadurch Deformationsräume zwischen dem Metallschaft und dem Keramikkopf zu schaffen, in die hinein der Metallschaft sich elastisch ausdehnen kann. Da-
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durch soll die Flächenpressung auf den Innenkonus des Keramikkopfes in Grenzen gehalten werden, um die Gefahr einer Sprengung des unelastischen Keramikkopfes zu vermeiden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese bekannte Verbindungstechnik mit selbsthemmendem Konus für die Befestigung einer biokeramischen Hüftgelenkkugel auf dem Metallschaft immer noch nicht sicher genug ist,
insbesondere dann, wenn eine Wechselbelastung auf die Verbindung ausgeübt wird.
Aus der DT-OS 23 18 396 ist bekannt, die Verbindung von Metallschaft und Keramjkkopf einer Endoprothese als Schraubverbindung auszuführen. Dabei hat sich jedoch gezeigt, daß ein ausreichend feines Gewinde für die Verschraubung im Keramikkopf sowohl aus
Gründen des Herstellungsaufwandes als auch aus Festigkeitsgründen nicht anwendbar ist. Es wurde deshalb vorgeschlagen, als
Zwischenglied zwischen den Keranikkopf und den Metallschaft eine Gewindebuchse aus Metal] in den Keramikkopf einzusetzen und dort zu befestigen. Auf diese Weise konnte zwar ein Feingewinde zwischen Gewindebuchse und Metallschaft zur Anwendung kommen,
es ergaben sich jedoch erhebliche Probleme für die Befestigung
der Gewindebuchse im Keramikkopf. Darüberhinaus erwies es sich
als notwendig, zusätzliche konstruktive Maßnahmen zur Sicherung der Schraubverbindung vorzusehen, d. h. es konnte auf spezielle Schraubensicherungen nicht verzichtet werden. Durch die Verwendung eines Zwischengliedes zwischen Metallschaft und Keramikkopf und durch die Notwendigkeit von Schraubensicherungen wurde der Aufbau einer solchen Endoprothese derart kompliziert, daß
man den Gedanken an eine Schraubverbindung zwischen Keramikkopf und Metallschaft wieder vollständig aufgegeben hat.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Endoprothese
der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der die Ver-
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bindung zwischen Metallschaft und Keramikkopf sowohl unter Wechselbelastung als auch unter Temperatureinfluß einerseits absolute Sicherheit gegen Lösen bietet, andererseits eine Überbelastung des Keramikkopfes ausgeschlossen ist. Gleichzeitig soll eine solche Verbindung konstruktiv einfach aufgebaut sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Verbindung zwischen Metallschaft und Keramikkopf eine Schraubverbindung ist, wobei das Innengewinde im Keramikkopf ein Rundgewinde mit angenähert sinusförmigem Profil ist, während das Außengewinde an dem Zapfen des Metallschaftes ein Plachgewinde ist, dessen Profilhöhe h größer ist als die Profilbreite b.
Der Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, daß es durch die spezielle Ausgestaltung der Schraubverbindung möglich geworden ist, eine an sich für den Anwendungsfall der Endoprothese einer Steckverbindung überlegene Schraubverbindung anzuwenden. Die große Sicherheit gegen Lösen der Schraubverbindung wird bei der erfindungsgemäßen Lösung dadurch erzielt, daß die über einen relativ geringen Fußquerschnitt weit herausragenden Gewindeflanken des Metallzapfens beim Festziehen der Verschraubung elastisch deformiert werden. Dadurch ergibt sich zum einen eine gleichmäßige Aufteilung der längs der Gewindeberührungslinie entstehenden Spannkraft und eine nachfedernde Wirkung, die einer Tellerfeder vergleichbar ist. Andererseits läßt sich ohne Überbeanspruchung des Keramikkopfes eine hohe Vorspannung der Schraubverbindung erzielen und damit eine hohe Sicherheit gegen Lösen bei Wechselbeanspruchung. Eine weitere Sicherheit gegen Lösung der Schraubverbindung bildet die große Reibung zwischen Metall und Keramikoberfläche der Gewindeflanken. Schließlich wird die Gefahr einer Überbeanspruchung des Keramikkopfes bei Erhitzung
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der kompletten aus Keramik-Gelenkkopf und Metallschaft bestehenden Endoprothese zum Zweck der Sterilisation dadurch ausgeschlossen, daß zwischen den einzelnen Gewindegängen aufgrund der unterschiedlichen Gewindeformen von Gewindezapfen und Gewindebohrung ausreichendes Spiel bis zu einigen Zehntel Millimetern im Falle der durch die Wärmedehung bewirkten Vergrößerung des Gewindezapfens zur Verfugung steht. Durch diese Unempfindlichkeit gegen Erhitzung kann eine erfindungsgemäß ausgebildete Endoprothese ohne jegliche Gefahr einer Hochtemperatur-Sterilisation von über 2500C ausgesetzt werden. Aus der weitgehenden Unempfindlichkeit gegen Wärmedehnung ergibt sich ferner der Vorteil, daß man in der Auswahl der Metallegierungen für den Metallschaft nicht an solche gebunden ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient dem des verwendeten keramischen Werkstoffes entspricht. Es können also z. B. außer Titan oder Titanlegierungen für den Metallschaft auch Chrom-Kobalt-Stähle oder andere Chromstahllegierungen zur Anwendung kommen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll der Quotient h/b aus Profilhöhe h und Profilbreite b des Außengewindes nicht kleiner sein als 2. Bei anderen Materialkombinationen und Bauteilabmessungen können wieder andere Zahlenwerte für den Quotienten h/b gelten.
In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der erste Gewindegang des Metallzapfens von geringerer Breite ist als die übrigen Gewindegänge. Hierdurch kann erreicht werden , daß noch bevor der Keramikkopf den äußeren Bund des Metallschaftes berührt, der erste Gewindegang an einem schulterförmigen Ansatz am Gewindeende im Keramikkopf sich anlegt und beim Anziehen der Verschraubung der erste Gewindegang plastisch deformiert, d.h. verquetscht wird, was eine zusätzliche Sicherung gegen ein Lösen der Verschraubung ergibt.
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Im weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Sicherung der Schraubverbindung eines metallischen Gewindezapfens mit Flachgewinde und eines Keramikkopfes mit einem Innengewinde, das ein angenähert sinusförmiges Profil ausweist, in dem der Metallschaft vor dem Einschrauben in den Keramikkopf auf eine Temperatur von etwa 250 C erhitzt wird. Durch die Erhitzung des Metallschaftes dehnt sich dieser in seiner Länge aus. Der Keramikkopf kann dann mit einem normalen Anzugsdrehmoment, das durch die feinpolierte Kugeloberfläche begrenzt ist, auf dem Metallschaft festgezogen werden, wobei sich der Festsitz der Verschraubung durch die sich bei der Abkühlung ergebende Kontraktion durch eine Erhöhung der achsialen Schraubenkraft verstärkt. Es wird hiermit also erreicht, daß das Drehmoment für das Lösen der Schraubverbindung erheblich größer ist als es für das Anziehen aufgrund der hochfein polierten Kugeloberfläche des Keramikkopfes erreicht werden kann oder durch Benutzung eines äußeren Vielkantansatzes erforderlich würde." So z. B. werden mit einer Kugel von 32 mm (? mit normalem Anzugsmoment von ca. 3.000 N · cm und einer Erhitzungstemperatur von ca. 250 C Drehmomente für das Lösen der Verschraubung erforderlich, die über 4.000 Ncm d.h. jenseits der durch den Reibungsschluß auf der Kugeloberfläche gegebenen Grenze liegen. Eine solchermaßen festgezogene Kuge] läßt sich bei Raumtemperatur nur mehr wieder lösen, wenn die Kugeloberflache angerauht d. h. der Reibungsschluß erhöht wird.
Da sich bei der Erwärmung der Gewindezapfen in Länge und Breite dehnt, kann es von Vorteil sein, die Gewindeflanken des Keramikkopfes ungleich zu gestalten. Durch eine flachere Avisführung der Seite kann das durch die Kontraktion im Durchmesser bedingte Abrutschen des metallischen Profils vermindert werden, wodurch der Betrag der sich ausbildenden achsial gerichteten Schraubenkraft größer wird.
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Obwohl die erfindungsgemäße Verschraubung speziell für die Anforderungen bei der Verbindung eines Keramikkopfes und eines Metallschaftes bei einer Endoprothese geeignet ist, soll doch darauf hingewiesen werden, daß eine solche Verschraubung ganz allgemein bei der Verbindung eines Keramikbauteils und eines Metallbauteils vorteilhaft angewendet werden kann.
Weitere Einzelheiten und Ausbildungen der Erfindung werden im Rahmen der Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei die Fig. 1: eine Hüftgelenkprothese ohne die Gelenkpfanne darstellt,
Fig. la: einen vergrößerten Ausschnitt hinsichtlich des Innen- und Außengewindes,
Fig. 2; den Querschnitt des Keramikkopfes mit Ilehrkantbund, Fig. 3: den vergrößerten Ausschnitt insbesondere des ersten Gewindeganges des Metallzapfens.
Ein Metallschaft IJ1 ist soweit in den Oberschenkelknochen eingetrieben, daß ein Bund 1^3_ des Metallschaftes 11 auf einer Fläche dieses Knochens aufliegt. Oberhalb eines Anschlagbundes 5^ weist der Metallschaft 11 einen Gewindezapfen I^ auf, dessen Außengewinde 3_ als Flachgewinde ausgeführt ist. Die Profilhöhe des Flachgewindes ist mit h, die Profilbreite mit b bezeichnet. Der Quotient h/b aus Profilhöhe h und Profilbreite b beträgt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa zwei. Auf dem Gewindezapfen 1 ist ein kugelförmiger Keramikkopf 2_ aufgeschraubt, der einen, das Gewindeloch umgebenden Mehrkantbund £ aufweist. Ein Sechskantbund 6 ist in Fig. 2 besonders dargestellt und dient zum Anziehen der Schraubverbindung mittels eines Schraubenschlüssels. Das Innengewinde A_ im Keramikkopf 2 ist ein Rundgewinde mit angenähert sinusförmigem Profil.
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Des weiteren ist ein Teil des Keramikkopfes 2 und des Metallzapfens 1 im fertig montierten Zustand in Fig. 3 vergrößert dargestellt. Der erste Gewindegang 1_ des Metallzapfens 1, der von geringerer Breite ausgeführt ist als die übrigen Gewindegänge 3, ist dabei von einem schul terf örmigen Ansatz 8^ am Ende des Innengewindes 4 im Keramikkopf 2 deformiert worden, woraus sich eine zusätzliche Sicherung gegen Lösen der Verschraubung ergibt.
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Claims (8)

  1. 2 7 /;" η 9 δ
    Patentansprüche
    Endoprothese, insbesondere Hüftgelenkprothese mit einem in den Knochen einsetzbaren Metallschaft, auf dessen freiem Zapfen unmittelbar ein mit einer angepaßten Bohrung versehener Keramikkopf aufgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen Metallschaft (11) und Keramikkopf (2).eine Schraubverbindung ist, wobei das Innengewinde (4) im Keramikkopf (2) ein Rundgewinde mit angenähert sinusförmigem Profil ist, während das Außengewinde (3) an d,em Zapfen (1) des Metallschaftes (11) ein Flachgewinde ist, dessen Profilhöhe h größer ist als die Profilbreite b.
  2. 2. Endoprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient h/b aus Profilhöhe h und Profilbreite b des Metallgewindes (3) größer ist als der entsprechende Quotient h/b des Keramikgewindes (4).
  3. 3. Endoprothese nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewindeprofil (4) des Keramikkopfes (2) auf der tragenden Seite flacher gehalten ist als auf der freien Gegenseite.
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  4. 4. Endoprothese nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkopf (2) eine Kugel ist, die einen das Gewindeloch umgebenden Mehrkantbund (6) aufweist.
  5. 5. Endoprothese nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Gewindegang (7) des Metallzapfens (1) von geringerer Breite b ist als die übrigen Gewindegänge.
  6. 6. Endoprothese nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkopf (2) aus Aluminiumoxid, der Metallschaft (11) aus Titan oder einer Titanlegierung besteht.
  7. 7. Endoprothese nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkopf (2) aus Aluminiumoxid, der Metallschaft (11) aus Chrom-Kobalt-Stahl besteht.
  8. 8. Endoprothese mit der Schraubverbindung eines metallischen Gewindezapfens (1) mit Flachgewinde und eines Keramikkopfes (2) mit Innengewinde (4) nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewindezapfen des Metallschaftes vor dem Einschrauben in den Keramikkopf auf eine höhere Temperatur, vorzugsweise auf etwa 2500C gebracht worden ist.
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