DE2838333A1 - Gelenkendoprothese - Google Patents

Description

• Gelenkendoprothese
• Die Erfindung betrifft eine Gelenkendoprothese mit zwei aufeinander gleitenden Prothesenteilen.
• Der Ersatz von natürlichen Gelenken, die ihre Funktionsfähigkeit durch Tt nkheit oder Unfall verloren haben, durch künstliche Gelenke ist bekannt. Solche Gelenke sind u. a. das Hüft-, Knie-, Sprung-, Bllbogen-, Schulter-oder Fingergelenk. Bestimmend für die Funktionstüchtigkeit einer Gelenkendoprothese ist einerseits die Gleitpaarung des Gelenkes und andererseits die Verankerung im natürlichen Knochen. Es ist außer Frage, daß für die Gleitpaarungen des Gelenkes und für das Verankerungsteil jeweils Werkstoffe mit sehr spezifischen Werkstoffeigenschaften erforderlich sind.
• Von den Gleitpaarungen sind hervorragende tribologische Eigenschaften und extrem niedere Verschleißraten unter den besonderen Beanspruchungen im Körper und eine vollständige Biokompatibilität des Abriebes zu fordern. Für die Verankerungsteile ist in erster Linie die mechanische Kompatibilität mit den knöchernen Lager entscheidend. Als Werkstoffkombination für die Gleitpaarung wird derzeit überwiegend Metall mit höchstmolekularem Niederdruck-Polyäthylen verwendet. Diese Gleitpaarung hat sich in begrenztem Umfang bewährt.
• Die derzeit bekannte, mittlere FunktionstücIitigkeit von Gelenkendoprothesen liegt entscheidend unter 10 Jahren, was im Sinne eines dauerhaften Gelenkersatzes als unbefriedigend zu bezeichnen ist.
• Wenn sich die beschränkte Funktionstüchtigkeit auch nicht eindeutig der Gleitpaarung bzw. dem Verankerungsteil zuordnen läßt, so steht fest, daß das Polyäthylen infolge der hohen mechanischen Belastung des Gelenkes zum Kaltfluß neigt und darüber hinaus Alterungsprozessen unterworfen ist, welche die mechanischen und tribologischen Eigenschaften verschlechtern.
• Außerdem haben die entstehenden Abriebpartikel, sowohl des Polyäthylens, als auch der metalle bzw. Metallegierungen, negative biologische Reaktionen zur Folge. Schließlich ist zu erwähnen, daß Verschleiß und Kalt fluß des Polyäthylens bei fortgeschrittenem Stadium zu einer Funktionsminderung der Prothesen durch die sich mit der Zeit ändernden relativen geometrischen Positionen der Gleitpartner zueinander führen.
• Es ist deshalb in der DE-OS 2700621 vorgeschlagen worden, das Polyäthylen mit Kurzschnittfasern zu verstärken. Durch diese Maßnahme können die Neigung des Polyäthylens zum Kaltfluß und die Abriebrate verringert werden. -Befriedigende Funktionsdauern können aber dennoch nicht erreicht werden, da durch die Faserverstärkung die Alterungserscheinungen der Polyäthylenmatrix und die damit verbundenen Konsequenzen, wie erhöhte Reibung und erhöhter Verschleiß, nicht bee; Gemäß wird vorgeschlagen, Kugel und Pfanne von Hüftgelenkendoprothesen aus A1203 zu fertigen. Mit dieser Gleitpaarung werden die erstrebten niedrigen Verschleißraten erreicht, solange keine Trockenreibung durch zu hohe Flächenpressung vorliegt.
• Unab#iängig davon hat auch diese Gleitpaarung ihre besonderen Nachteile. Erstens kann wegen des extrem hohen Eiastizitätsmoduls der Al 203-Keramik keine mechanische Kompatibilität mit dem knöchernen Lager erreicht werden; Zweitens sind wegen der komplizierten Formen der rnenschlichten Gelenkflächen bei Gleitwerkstoffen mit sehr hohen Elastizitätsmoduli linien- bzw. punktförmige Berührungen nicht immer zu vermeiden, deren Folge untragbare Verschleißraten sind.
• DE-OS 2134316 beschreibt eine Prothese mit einer Gleitpaarung aus Al 203 und Polyäthylen. Diese Gleitpaarung unterliegt jedoch nach wie vor den Nachteilen des Polyäthylens, wie Kaltfluß, Alterung und zu hohe Verschleißraten.
• Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Gelenkendoprothese der eingangs genannten Art zu schaffen, die die oben beschriebenen Nachteile herkömmlicher Gelenkendoprothesen nicht aufweist und insbesondere folgenden Anforderungen in optimaler Weise Rechnung trägt: 1. Absolute biologische Kompatibilität Diese Forderung besagt, daß der Implantatwerkstoff weder in Form des Implantates, noch in Form des durch die Reibung entstehenden Abriebstaubes irgendeine Abstoßungs- oder Entzündungsreaktion des Körperge webes hervorrufen darf.
• 2. Optimale Gleit- und Verschleißeigenschaften Diese Forderung besagt, daß der Reibungskoeffizient möglichst niedrig sein muß, um die durch Reibung übertragenen Momente auf das jeweilige Gegenlager und damit auf die Grenzschicht Implantat/Knochen so gering wie möglich zu halten.
• Die Verschleißraten müssen so niedrig sein, daß die Menge des Abriebstaubes vom Gewebe toleriert wird und die Eindringtiefe des einen Lagers in das Gegenlager auch nach jahrzeiintelangem Gebrauch so gering ist, daß keine Funktionsminderung durch Einschränkung des Bewegungswnfanges resultiert.
• 3. Mechanische Kompatibilität Diese Forderung besagt, daß der Kraftflußverlauf vom Prothesenlager in das knöcherne Gegenlager sich am physiologischen Kraftfluß in den knöchernen Strukturen orientieren muß. Große Steifigkeitssprünge zwischen Implantat und Knochen bewirken örtliche Spannungsspitzen, die den Knochen zu Abbaureaktionen veranlassen und damit Lockerungen hervorrufen. Es muß deshalb an ein Implantatmaterial die Forderung gestellt werden, daß der Elastizitätsmodul größenordnungsmäßig dem Elastizitätsmodul von kompakten Knochenmaterialien entspricht.
• Diese Aufgabe wird durch eine Gelenkendoprothese der eingangs genannten Art gelöst, bei der mindestens ein Prothesenteil aus einem Kohlenstoff-Siliziumcarbid-Verbundwerkstoff, im folgenden Verbundwerkstoff genannt, besteht, Der Siliziumcarbidanteil des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes beträgt in der Regel 30 - 70 Gewichtsprozent Der Verbundwerkstoff erhält den Kohlenstoff und das Siliziumcarbid in feinverteilter Form, wobei die größten Partikel eine maximale Abmessung von 200 /um haben Die Herstellung des Verbundwerkstoffes ist auf verschiedene Art und Weise möglich. Besonders vorteilhaft ist es, vorgefertigte Kohlenstoffteile, die bereits die erwünschte Form des Prothesenteils haben, in einer Schmelze aus flüssigem Siliziummetall zu behandeln.
• Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, für das andere Protllesenten eines Gelenkes ebenfalls den erfindungsgellläßen Verbundwerkstoff zu verwenden. In anderen Fällen kann es jedoch auch günstig sein, für das andere Prothesenteil als Werkstoff isotropen Kohlenstoff einzusetzen. Unter isotropem Kohlenstoff ist ein feinkörniger, polykristalliner Kohlenstoff zu verstehen, der aus kohlenstoffhaltigen Feststoffen und einem organischen Bindemittel nach keramischen Arbeitsmethoden hergestellt ist. Vorteilhaft ist ein Kohlenstoff, der durch eine Härte >35 liB 2,5/5 und eine Biegefestigkeit >70 N/mm­ charakterisiert ist.
• Die überragenden Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verbundwerkst-offes kommen jedoch auch dann noch zur Wirkung, wenn das andere Prothesenteil aus bekannten Materialien, wie Metall oder Polyäthylen, besteht, so daß der Verbundwerkstoff auch in dieser Kombination verwendet werden kann.
• Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff weist den Vorteil auf, daß weder das Siliziumcarbid, noch der Kohlenstoff, noch die Kombination der beiden Werkstoffkoniponenten irgendeine Abstoßungsreaktion des Körpers verursachen.
• Dies gilt sowohl für kompakte Prothesenteile , als auch für die im künstlichen Gelenk entstehenden Abriebpartikel.
• Die überragende Biokompatibilität dieses Verbundwerkstoffes hat weiter zur Folge, daß bei Verankerung eines Prothesenteiles im Knochen der Knochen formschlüssig an das Implantat heranwächst. Somit ist es mit diesem Verbundwerkstoff auch möglich, auf den üblicherweise zur Fixierung verwendeten Knochenzement zu verzichten. Solche Anwendungen sind beispielsweise gegeben bei der Fixierung von iiüftgelenks pfannen oder Kappenprothesen für den Hüftgelenkskopf.
• Das überragende Gleitverhalten des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes in korrosiven Medien und bei hohen Belastungen ist in der Technik bekannt. Das höchstbelastete menschliche Gelenk, nämlich das Hüftgelenk, ist bei relativen Gleitgeschwindigkeiten von etwa 0,05 m/sec mit maximalen Lasten von etwa 3.000 N beaufschlagt. Für künstliche ifüftgelenke, deren Gleitpartner ausschließlich aus dem erfindungsgemäf3en Verbundwerkstoff bestehen, ergeben sich maximale Flächenpressungen von etwa 20 N/mm­.
• In diesem Belastungsbereich besitzt der Reibungskoeffizient den außergewöhnlich niedrigen Wert von ca. 0,1.
• Die überragenden Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes zeigt teilweise auch ein isotroper Kohlenstoff der eingangs beschriebenen Art als möglicher Gleitpartner des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes. Diese Einschränkung bezieht sich ausschließlich auf die Biegefestigkeit des isotropen Kohlenstoffes, in keinem Falle jedoch auf die Bickompatibilität. Für eine Gleitpaarung aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff mit dem isotropen Kohlenstoff für das Hüftgelenk ergibt sich, entsprechend den voranstehend beschriebenen Belastungen, eine maximale Flächenpressung von nur 10 N/mm­.
• Diese Reduzierung der maximalen Flächenpressung gegenüber einer Gleitpaarung, bei der beide Gleitpartner aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff bestehen, ist auf den kleineren Druckmodul des isotropen Kohlenstoffes zurückzuführen. Aber selbst für diese Gleitpaarung mit dem weicheren, isotropen Kohlenstoff betragen die jährlichen Verschleißraten bei mittlerer Belastung des liüftgelenks weniger als 0,04 mm3. Diese verschwindend geringe Menge wird unter Berücksichtigung der Biokompatibilität der Werkstoffkomponenten in jedem Falle vom Körpergewebe toleriert. Die Eindringtiefe des Kopfes in die Pfanne von etwa 2 - 4 /um pro Jahr liegt um zwei Zehnerpotenzen niedriger als bei der herkömmlichen Gleitpaarung Metall/ Polyäthylen. Bei einer Beanspruchungsdauer des künstlichen Gelenkes von 30 Jahren resultieren für die Gleitpaarung Verbundwerkstoff/isotroper Kohlenstoff Eindringtiefen von ca. 0,12 mm. Solche Eindringtiefen führen in keinem Falle zu einer Verminderung der Funktionsfähigkeit infolge verminderten Bewegungsumfanges.
• Für die herkömmliche Gleitpaarung Metall/Polyäthylen ergibt sich dagegen nach 30 Jahren eine rechnerische Verschleißtiefe des Polyäthylens von etwa 10 mm. Verschleißtiefen von mehreren Millimetern führen zu Einschränkungen des Bewegungsumfanges und zu Hebelwirkungen vom Prothesenhals auf den Prothesenrand. Daraus wiederum resultieren unzulässige Belastungen an der Grenzfläche Knochen/Implantat. In der Praxis werden Eindringtiefen von 10 mm nicht beobachtet, da die Prothesen infolge Lockerung in der Regel bereits nach 7 - 10 Jahren explantiert werden müssen.
• Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Gleitpaarungen, bei denen ein Gleitpartner aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff besteht, liegt in der bekannten Tatsache, daß Kohlenstoffwerkstoffe Notlaufeigenschaften besitzen. Durch Fehlstellung oder -kurzzeitige Überlastung können an Prothesen#'leitflächen derart hohe Flächenpressungen entstehen, daß der Schmierfilm abreißt.
• In solchen Fällen zeigen die konventionellen Gleitwerkstoffe ein katastropliales Allsteigen der Verschleißraten.
• Verschleißvorgänge dieser Art sind bei den beschriebenen Gleitpaarungen mit dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff als Gleitpartner nicht zu erwarten, weil Kohlenstoff infolge seiner lamellaren Kristallstruktur auch bei Trockenreibung gute Gleiteigenscilaften aufweist.
• Betrachtet man die Gleitpaarung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes mit einem metallischen Gleitpartner, so liegt der Vorteil einer derartigen Gleitpaarung in dem Ersatz des bisher allgemein verwendeten Polyäthylens und damit in der Vermeidung der eingangs aufgeführten Nachteile des Polyäthylens. Als konkretes Beispiel sei auf die Möglichkeit des Ersatzes des Tibia-Plateaus durch den Verbundwerkstoff anstelle von Polyäthylen hingewiesen.
• Abschließend sei noch aufgeführt, daß auch die geringe Dichte des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes von 2,6 g/cm3, wie die geringe Dichte des als günstiger Gleitpartner infrage kommenden isotropen Kohlenstoffes von 1,8 g/cm3 bei den verhältnismäßig voluminösen, künstlichen HUft- und Kniegelenken beachtliche Gewichtsersparnisse gegenüber etallprothesen erbringen,

Claims (5)

1. P a t e n t a 1l s p r ü c h e ============================= 1. Gelenkendoprothese mit zwei aufeinander gleitenden Prothesenteilen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens das eine Prothesenteil aus Siliziuincarbid-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff besteht.
2. 2. Gelenkendoprothese nach Anspruch 1, d a -durch gekennzeichnet, daß der Siiiziumcarbid-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff as 30 - 70 Gewichtsprozent Kohlenstoff und 70 - 30 Gewichtsprozent Siliziumcarbid besteht.
3. 3. Gelenkendoprothese nach Anspruch 1 bis 29 d a d u r c Ii g e k e n n z e i c h n e t daß der Verbundwerkstoff den Kohlenstoff und das Siliziumcarbid in feinverteilter Form enthält.
4. 4. Gelenkendoprothese nach Anspruch 1 bis 3 d a d u r c h g e k e n n z e i c Ii n e t9 daß das andere Prothesenteil ebenfalls aus dem Siliziumcarbid-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff besteht.
5. 5. Gelenkendoprothese nach Anspruch 1 bis 39 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß das andere Prothesenteil aus Kohlenstoff besteht.