DE4006714A1

DE4006714A1 - Komponente eines orthopaedischen implantats sowie verfahren zur herstellung derselben

Info

Publication number: DE4006714A1
Application number: DE4006714A
Authority: DE
Inventors: Howard Charles Price; Jack Eldon Parr; Michael E Hawkins; Carl Henry Jacobs
Original assignee: Bristol Myers Squibb Co
Current assignee: Zimmer Inc
Priority date: 1989-03-09
Filing date: 1990-03-03
Publication date: 1990-09-13
Anticipated expiration: 2010-03-04
Also published as: IT9019594A1; CA2011724A1; JPH02297360A; AU5076290A; GB9005261D0; JP3103088B2; GB2231800A; GB2231800B; CA2011724C; DE4006714B4; ES2021966A6; CH686341A5; FR2644057B1; IT1241681B; AU632095B2; FR2644057A1; IT9019594A0

Description

Die Erfindung betrifft eine Komponente eines orthopädischen Implantates sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Komponente. Das orthopädische Implantat läßt sich bei der operativen Erneuerung und/oder Rekonstruktion menschlicher Gelenke verwenden. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Tibia-Lagerplatte zur Verwendung in einer Totalkniearthro plastik; statt dessen ist die Erfindung auch bei anderen Lagerkomponenten für orthopädische Implantate verwendbar.

In der Kniearthroplastik war es lange üblich, Kniegelenke in der Weise zu rekonstruieren, daß eine Femur-Komponente am distalen Ende des Femur und eine Tibia-Komponente am proxi malen Ende der Tibia befestigt wurde. Die Tibia-Komponente hält eine Lagerplatte mit einer Gelenkfläche, die in Gleit berührung mit der Femurkomponente steht. Die Lagerplatte wurde bisher aus Flocken oder einem Pulver eines Polymers hergestellt, wobei der Lagerplatte die gewünschte Geometrie durch Druckgießen verliehen wurde. Auch war es möglich, einen Block aus gegossenem bzw. extrudiertem Polymer durch spanabhebende Bearbeitung in die gewünschte Form zu bringen. Wird ein Polymer in Flockenform benutzt, so sind die Poly mermoleküle zufällig ausgerichtet, so daß ein Teil der Mole küle in Richtung der Gleitbewegung zwischen der Femur-Kompo nente und der Lagerplatte ausgerichtet ist, während die anderen Moleküle die Gelenkfläche in einer Richtung senk recht zur Gleitbewegung schneiden. Es wird vermutet, daß die Ausrichtung der Moleküle in einer Richtung senkrecht zur Gleitbewegung einen Widerstand gegen die Gleitbewegung erzeugt, und dieser Widerstand hat als Folge der Gleitbewe gung der Femurkomponente relativ zur Lagerplatte einen ent sprechenden Abrieb zur Folge.

Durch die Erfindung soll eine Komponente für ein orthopädi sches Implantat sowie ein Verfahren zum Herstellen derselben geschaffen werden, bei denen diese Nachteile vermieden werden.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin dung sind in den Ansprüchen gekennzeichnet.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine vorgegebene Orien tierung der Polymer-Fasern in einer Tibia-Lagerplatte erzeugt, derart, daß die vorgegebene Orientierung im wesent lichen parallel zur Gleitbewegungsrichtung in einem Kniege lenk verläuft. Die vorgegebene Orientierung wird durch Verwendung längsverlaufender Polymer-Fasern erreicht, die gewoben oder in Schichten angeordnet sind, wobei jede Faser in der Längsrichtung verlaufende Moleküle enthält.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden mehrere der Schichten in laminierter Anordnung übereinander gestapelt, wobei die Fasern jeder gewebten Schicht in einer vorgegebe nen Richtung verlaufen. Danach werden die Schichten durch eine Verfestigung fest miteinander verbunden, und ein Preß stempel, der während oder nach der Verfestigung verwendet wird, verleiht einer konturierten Außenfläche die gewünschte Endform. Insbesondere wird eine Tibia-Lagerplatte durch Übereinanderstapeln mehrerer Faserschichten aus Polyäthylen mit extrem hohem Molekulargewicht (UHMWPE) gebildet. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht jede Schicht aus einem feinen Gewebe, und das UHMWPE ist vorzugsweise Spectra 900 (Allied Signal Corporation). Der Verfestigungsvorgang umfaßt vorzugsweise ein Druckgießen; es ist jedoch auch mög lich, Pultrusion, isostatische Kompression oder Extrusion zum Verfestigen der Fasern zu benutzen.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Tibia-Lagerplatte aus einer Kombination von Polymer-Flocken und/oder Polymer-Schnittfasern mit Schichten aus gewebten, längsverlaufenden Fasern gebildet. Die Schichten werden mit den Schnittfasern und/oder Polymer-Flocken druckgegossen, derart, daß die Gelenkfläche der Tibia-Lagerplatte durch die Schichten der längsverlaufenden Fasern gebildet wird, während die Schnittfasern und/oder Polymer-Flocken als "Un terlage" der geschichteten längsverlaufenden Fasern dienen und zur Gelenkfläche beabstandet bleiben.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Tibia-La gerplatte aus längsverlaufenden Fasern gebildet wird, die ihre molekulare Orientierung in der Längsrichtung nach dem Kompressions-Gießvorgang beibehalten. Die Fasermoleküle sind daher in einer Ebene ausgerichtet, die im wesentlichen par allel zu der Zwischenfläche zwischen der Femurkomponente und der Tibia-Lagerplatte verläuft, wodurch der Widerstand gegen eine Bewegung an dieser Zwischenfläche verringert wird. Durch diese Widerstandsverringerung dürfte das Entstehen von Abriebteilchen ebenfalls verringert werden, so daß das Ein dringen von Abriebteilchen in das das Kniegelenk umgebende Gewebe weitestgehend unterbunden wird.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen frontalen Querschnitt durch ein Kniegelenk zur schematischen Veranschaulichung einer Tibia-Lagerplatte;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Tibia-Lagerplatte und die Tibia-Schale in Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Herstellen der Tibia-Lagerplatte;

Fig. 5 eine der Fig. 3 entsprechende Ansicht eines ande ren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Die in Fig. 1 gezeigte Kniegelenkprothese umfaßt eine Femur-Komponente 12 aus metallischem Material und eine Tibia-Komponente 14 aus einer metallischen Schale 16 und einer Tibia-Lagerplatte 18. Die Femur-Komponente 12 ist an dem distalen Femur eines Patienten durch geeignete Mittel wie Knochenzement oder Knocheneinwuchs über eine poröse Fläche auf der mit dem Knochen in innigem Kontakt stehenden Seite der Femur-Komponente befestigt. In der gleichen Weise ist die Tibia-Komponente 14 an der proximalen Tibia durch geeignete Mittel befestigt, derart, daß die Tibia-Schale 16 an der Tibia angebracht ist. Zapfen 20 können vorgesehen werden, um die Befestigung an der Tibia zu verstärken.

Die Tibia-Schale 16 besitzt einen Umfangsrand 22, der zusam men mit einer Bodenfläche 24 eine Ausnehmung 26 bildet. Die Tibia-Lagerplatte 18 paßt in die Ausnehmung 26 und ist an der Tibia-Schale durch geeignete Mittel befestigt, um ein Lösen zu verhindern. Falls eine modulare Tibia-Komponente erwünscht ist, kann die Tibia-Schale 16 so abgewandelt wer den, daß unterschiedliche Größen von Tibia-Lagerplatten entsprechend unterschiedlichen Größen der Femur-Komponenten 12 an der Tibia-Schale befestigbar sind. Die obere Kontur der Tibia-Lagerplatte umfaßt gewölbte Vertiefungen 28, 30, an denen die gewölbten Walzenabschnitte 32 bzw. 34 der Fe mur-Komponente 12 gleitend anliegen. Bei der Herstellung der Tibia-Lagerplatte 18 werden mehrere längsverlaufende Fasern zu einer textilen Schicht 40 (Fig. 4) so verwoben, daß die Faserausrichtung durch das Webmuster aufrechterhalten wird, und jede einzelne Faser 36 erstreckt sich über die Breite oder Länge der Schicht 40. Wie in Fig. 2 gezeigt, verlaufen die Fasern 36 in einer lateral-medialen Richtung sowie in einer anterior-posterioren Richtung. Die Längen- und Brei tenabmessung jeder Schicht ist ungefähr gleich der maximalen Längen- und Breitenabmessung der Tibia-Lagerplatte 18. Mehrere Schichten 40 werden, wie in Fig. 4 gezeigt, zwischen einem Pressenstempel 42 und einer Form 44 überein ander gelegt. Der Pressenstempel 42 besitzt eine Außenfläche 46, deren Kontur der Kontur der Vertiefungen 28, 30 ent spricht. Wenn daher der Pressenstempel 42 gegen die Schich ten 40 gedrückt wird, werden die gewölbten Vertiefungen 28, 30 in das Teil eingeprägt, das aus der Form 44 entfernt wird. Wenn der Pressenstempel 42 in einem Kompressions- Gießvorgang gegen die Schichten 40 angedrückt wird, sind die Form 44 und der Pressemstempel 42 mit Heizelementen ausgerü stet, um die Fasern auf eine Temperatur zu erwärmen, die eine Verschmelzung und Verfestigung sämtlicher Fasern erlaubt, ohne daß der Großteil der diskreten Fasern ihren Fasercharakter verlieren. Wenn der Pressenstempel den erwärmten Schichten 40 eine Kontur verliehen hat, ist eine Tibia-Lagerplatte 18 in Form einer starren Struktur aus den Schichten 40 entstanden. Die Tibia-Lagerplatte 18 wird dann aus der Form 44 entfernt, worauf sie fertig geschnitten bzw. bearbeitet wird, um Kratzer zu entfernen und/oder der Tibia-Lagerplatte 18 ihre endgültige Form zu verleihen, bevor sie zusammen mit der Tibia-Schale 14 Verwendung fin det.

Eine nach dem beschriebenen Verfahren hergestellte Tibia- Lagerplatte 18 enthält ersichtlich eine beträchtliche Anzahl von einzelnen Fasern innerhalb der starren Struktur, so daß es möglich ist, ein Gewebe. bzw. Orientierungsmuster in der Tibia-Lagerplatte 18 zu erkennen. Ein solches "Erkennen" um faßt ein visuelle Betrachtung, Streulichtverfahren, Röntgen strahl-Prüfmethoden sowie Polarisationsmikroskopie. Eine geeignete Faser zum Herstellen der Tibia-Lagerplatte 18 ist Polyäthylen Spektra 900 (Allied Signal Corporation) einer Dichte von 0,97 g/cm³ und eines Faserdurchmessers von 38µ. Statt dessen kann die Tibia-Lagerplatte 18 aus Polyäthylen Spectra 1000 (Allied-Signal Corporation) einer Dichte von 0,97 g/cm³ und einer Faserdicke von 20/25µ hergestellt werden. Jede Faserschicht 40 ist auch in Tuchform als Spectra 900 Plain Weave S 902 Scoured cloth von Allied Signal Corporation beziehbar.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 umfaßt die Tibia- Lagerplatte 118 mehrere gewebte Schichten 140 aus längsver laufenden Fasern an der Gelenkfläche 128. Ein erster Bereich 102 wird aus längsverlaufenden Fasern hergestellt, und ein zweiter Bereich 104 besteht aus Polymer-Schnittfasern und/oder Polymer-Flocken 106. Die Tiefe des ersten Bereiches 102 ist geringer als die Tiefe des zweiten Bereiches 104, so daß nur der unmittelbar an der Gelenkfläche 128 angrenzende Bereich der Tibia-Lagerplatte 118 mit den gewebten Schichten aus längsverlaufenden Fasern versehen ist.

Wenn auch bei den Ausführungsbeispielen die Erfindung anhand einer Tibia-Lagerplatte erläutert wurde, versteht es sich jedoch, daß die Erfindung auch bei anderen Polymer-Lagerkom ponenten einsetzbar ist. Beispielsweise umfaßt eine Hüftge lenkpfannenprothese eine metallische Schale zur Befestigung an einem Hüftgelenk und ein in der metallischen Schale gehaltenes Polymer-Lager, das den Kopf einer Hüftgelenkpro these aufnimmt. Dieses Polymer-Lager kann aus mehreren längsverlaufenden Polymer-Fasern in einer textilen Schicht hergestellt sein, wobei eine entsprechende Form und ein Pressenstempel die entsprechende Kontur für die metallische Schale und die Hüftgelenkprothese erzeugen. Außerdem können statt Polyäthylen auch andere Polymere verwendet werden, sofern das Polymer in Faserform zur Verfügung steht.

Claims

1. Komponente eines orthopädischen Implantats, gekennzeichnet durch eine starre Gelenklagerfläche aus einem Polymer mit einzelnen längsverlaufenden Fasern, die so angeordnet sind, daß sie die Lagerfläche bilden.

2. Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Großteil der Fasern im wesentlichen parallel zur Richtung der Gelenkbewegung ausgerichtet sind.

3. Komponente nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Fasern in mehreren Schichten angeordnet sind, die übereinander gestapelt sind, um die Lagerfläche zu bilden.

4. Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer Polyäthylen ist.

5. Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen diskreten Fasern so angeordnet sind, daß sie eine Tibiakomponente für die Kniearthroplastik bilden, bei der der Großteil der Fasern im wesentlichen parallel zur Lagerfläche ausgerichtet sind, so daß praktisch keine sich schneidenden Fasern an der Lagerfläche vorhanden sind.

6. Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in einem Gewebe muster angeordnet sind.

7. Verfahren zum Herstellen einer Tibiakomponente, dadurch gekennzeichnet, daß

a) eine Vielzahl von Fasern eines Polymeren so ange ordnet werden, daß mehrere Faserschichten entstehen, und
b) die Faserschichten miteinander verfestigt werden, um die Fasern zusammenzuschmelzen, während ihre Ausrichtung beibehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Faserschichten 20 oder mehr vor dem Ver festigungsschritt beträgt.

9. Komponente eines orthopädischen Implantats in Form einer Tibia-Lagerplatte aus einem Polymer, deren Oberseite in Gleitberührung mit einer Femur-Komponente steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Tibia-Lagerplatte eine Schichtstruk tur mit einer Anzahl von untereinander verbundenen Faser schichten besitzt.

10. Komponente nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß die Faserschichten in einer vorgegebenen Ausrich tung angeordnet sind.

11. Komponente nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß die Ausrichtung so getroffen ist, daß die Fasern im wesentlichen parallel zur Oberseite verlaufen.

12. Komponente eines orthopädischen Implantats, gekennzeichnet durch eine starre Lagerfläche mit einer Viel zahl von in Längsrichtung verlaufenden Fasern eines Polymers angrenzend an der starren Lagerfläche und anderen Formen des Polymers, die von der starren Lagerfläche entfernt liegen, wobei die anderen Formen des Polymers mit den längsverlau fenden Fasern verschmolzen sind, um eine starre Struktur für die Komponente zu bilden.

13. Komponente nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, daß die längsverlaufenden Fasern ein geringeres Volumen der Komponente als die anderen Formen des Polymers einneh men.

14. Komponente nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die längsverlaufenden Fasern so angeord net sind, daß sie einzelne Schichten längsverlaufender Fasern bilden, wobei die Schichten miteinander verschmolzen sind.

15. Komponente nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine der anderen Formen des Polymers eine Flockenform ist.