DE4006714B4

DE4006714B4 - Komponente eines orthopädischen Implantats

Info

Publication number: DE4006714B4
Application number: DE4006714A
Authority: DE
Inventors: Howard Charles Warsaw Price; Jack Eldon North Webster Parr; Michael E. Columbia City Hawkins; Carl Henry South Bend Jacobs
Original assignee: Bristol Myers Squibb Co
Current assignee: Zimmer Inc
Priority date: 1989-03-09
Filing date: 1990-03-03
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2010-03-04
Also published as: GB2231800A; JPH02297360A; FR2644057A1; CA2011724C; IT9019594A1; AU632095B2; FR2644057B1; ES2021966A6; GB2231800B; CH686341A5; GB9005261D0; AU5076290A; JP3103088B2; IT1241681B; CA2011724A1; IT9019594A0; DE4006714A1

Abstract

Komponente eines orthopädischen Implantats, mit einer starren Gelenk-Lagerfläche, die von gewebten einzelnen längsverlaufenden Fasern aus einem Polymer gebildet wird, wobei die einzelnen diskreten Fasern im Gewebe so angeordnet sind, dass sie eine Tibia-Komponente für die Kniearthroplastik bilden, bei der der Großteil der Fasern im wesentlichen parallel zur Lagerfläche ausgerichtet ist, so dass praktisch keine sieh schneidenden Fasern an der Lagerfläche vorhanden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Komponente eines orthopädischen Implantates. 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 Totalkniearthroplastik; 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 proximalen Ende der Tibia befestigt wurde. Die Tibia-Komponente hält eine Lagerplatte mit einer Gelenkfläche, die in Gleitberührung 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 Polymermoleküle zufällig ausgerichtet, so daß ein Teil der Moleküle in Richtung der Gleitbewegung zwischen der Femur-Komponente und der Lagerplatte ausgerichtet ist, während die anderen Moleküle die Gelenkfläche in einer Richtung senkrecht 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 Gleitbewegung der Femurkomponente relativ zur Lagerplatte einen entsprechenden Abrieb zur Folge.

Aus der DE 38 79 980 T2 ( EP 0 277 721 B1 ) ist eine tragende Prothesenvorrichtung zum Implantation bekannt, die einen in Längsrichtung gekrümmten, länglichen Körper hat, der eine Matrix aus biokompatiblem Polymermaterial umfasst, die die Form eines gekrümmten Körpers bestimmt, sowie eine Vielzahl von verstärkenden Faserlagen aufweist, die in die Matrix eingebettet sind, wobei die Verstärkungsfasern endlos und in jeder Lage parallel ausgerichtet sind und die Fasern in wenigstens einer der Lagen an der Längsachse des Körpers ausgerichtet sind. Die Lagen der Fasern innerhalb des gekrümmten Körpers sind in annähernder Übereinstimmung mit der Krümmung desselben krummlinig ausgebildet.

Durch die vorliegende Erfindung soll eine Komponente eines orthopädischen Implantats sowie eine Tibia-Lagerplatte geschaffen werden, welche einen möglichst geringen Abrieb als Folge von Gleitbewegungen der Femur-Komponente relativ zur Tibia-Lagerplatte haben.

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

Durch die vorliegende Erfindung wird eine vorgegebene Orientierung der Polymer-Fasern in einer Tibia-Lagerplatte erzeugt, derart, daß die vorgegebene Orientierung im wesentlichen parallel zur Gleitbewegungsrichtung in einem Kniegelenk 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 vorgegebenen Richtung verlaufen. Danach werden die Schichten durch eine Verfestigung fest miteinander verbunden, und ein Preßstempel, 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 möglich, 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 "Unterlage" der geschichteten längsverlaufenden Fasern dienen und zur Gelenkfläche beabstandet bleiben.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Tibia-Lagerplatte 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 parallel 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 Eindringen von Abriebteilchen in das das Kniegelenk umgebende Gewebe weitestgehend unterbunden wird.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigt:
1 einen frontalen Querschnitt durch ein Kniegelenk zur schematischen Veranschaulichung einer Tibia-Lagerplatte;
2 eine Draufsicht auf die Tibia-Lagerplatte und die Tibia-Schale in 1;
3 einen Querschnitt entlang der Linie 3-3 in 1;
4 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Herstellen der Tibia-Lagerplatte;
5 eine der 3 entsprechende Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Die in 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 zusammen 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 werden, 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 Femur-Komponente 12 gleitend anliegen. Bei der Herstellung der Tibia-Lagerplatte 18 werden mehrere längsverlaufende Fasern zu einer textilen Schicht 40 (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 2 gezeigt, verlaufen die Fasern 36 in einer lateral-medialen Richtung sowie in einer anterior-posterioren Richtung. Die Längen- und Breitenabmessung jeder Schicht ist ungefähr gleich der maximalen Längen- und Breitenabmessung der Tibia-Lagerplatte 18. Mehrere Schichten 40 werden, wie in 4 gezeigt, zwischen einem Pressenstempel 42 und einer Form 44 übereinander gelegt. Der Pressenstempel 42 besitzt eine Außenfläche 46, deren Kontur der Kontur der Vertiefungen 28, 30 entspricht. Wenn daher der Pressenstempel 42 gegen die Schichten 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 Pressenstempel 42 mit Heizelementen ausgerüstet, 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 findet.
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" umfaßt ein visuelle Betrachtung, Streulichtverfahren, Röntgenstrahl-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 S902 Scoured cloth von Allied Signal Corporation beziehbar.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 5 umfaßt die Tibia-Lagerplatte 118 mehrere gewebte Schichten 140 aus längsverlaufenden 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-Lagerkomponenten einsetzbar ist. Beispielsweise umfaßt eine Hüftgelenkpfannenprothese ein metallische Schale zur Befestigung an einem Hüftgelenk und ein in der metallischen Schale gehaltenes Polymer-Lager, das den Kopf einer Hüftgelenkprothese 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

Komponente eines orthopädischen Implantats, mit einer starren Gelenk-Lagerfläche, die von gewebten einzelnen längsverlaufenden Fasern aus einem Polymer gebildet wird, wobei die einzelnen diskreten Fasern im Gewebe so angeordnet sind, dass sie eine Tibia-Komponente für die Kniearthroplastik bilden, bei der der Großteil der Fasern im wesentlichen parallel zur Lagerfläche ausgerichtet ist, so dass praktisch keine sieh schneidenden Fasern an der Lagerfläche vorhanden sind.
Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Großteil der Fasern im wesentlichen parallel zur Richtung der Gelenkbewegung ausgerichtet ist.
Komponente nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in mehreren Schichten angeordnet sind, die übereinander gestapelt sind, um die Lagerfläche zu bilden.
Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer Polyethylen ist.
Komponente eines orthopädischen Implantats mit einer starren Lagerfläche mit einer Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden Fasern eines Polymers angrenzend an der Lagerfläche und Schnittfasern des Polymers entfernt liegend von der Lagerfläche, wobei die Schnittfasern mit den längsverlaufenden Fasern verschmolzen sind, um eine starre Struktur für die Komponente zu bilden, und die längsverlaufenden Fasern ein geringeres Volumen der Komponente als die Schnittfasern einnehmen.
Komponente nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die längsverlaufenden Fasern so gewebt sind, dass sie einzelne Schichten gewebter längsverlaufender Fasern bilden, wobei die Schichten miteinander verschmolzen sind.
Komponente in Form einer Tibia-Lagerplatte aus einem Polymer, deren Oberseite in Gleitberührung mit einer Femur-Komponente bringbar ist, wobei die Tibia-Lagerplatte eine Schichtstruktur aus einer Anzahl von untereinander verbundenen gewebten Faser schichten besitzt, bei der die Faserschichten aus einer vorgegegebenen Ausrichtung angeordnet sind.
Komponente nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung so getroffen ist, dass die Fasern im wesentlichen parallel zur Oberseite verlaufen.