DE4441695A1

DE4441695A1 - Anisotrop elastische Hüftgelenk-Endoprothese

Info

Publication number: DE4441695A1
Application number: DE4441695A
Authority: DE
Inventors: Gerd Hoermansdoerfer; Wulf-Dieter Dr Med Schellmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-11-23
Filing date: 1994-11-23
Publication date: 1996-06-13
Also published as: WO1996015736A1

Description

Die Erfindung betrifft eine spezielle Hüftgelenk-Endoprothese zur Anwendung in der Humanmedizin, vorzugsweise für die sogenannte zementfreie Implantation.

Derartige Hüftgelenk-Endoprothesen sind in verschiedenen Ausfüh rungsformen bekannt. Sie bestehen üblicherweise aus einem Schaft zur Einbringung in die obere Markhöhle des Oberschenkelkochens (Femur) einem sich anschließenden Hals und einem kugelförmigen Gelenkkopf, wobei der Gelenkkopf bei modernen Konstruktionen häu fig über einen genormten Konus aufsteckbar ist. Es sind auch Aus führungen bekannt, welche zwischen Schaft und Hals einen Kragen besitzen, um eine Auflage auf der Resektionsfläche des Femurs zu realisieren. Die bekannten Schäfte solcher Hüftgelenk-Endoprothe sen sind in ihren Abmessungen und ihrer Formgebung den anatomi schen Gegebenheiten der oberen Markhöhle des Femurs mehr oder we niger grob angenähert und bestehen in der Regel aus massivem Me tall. Es ist üblich, die Oberfläche derartiger Schäfte zu struk turieren, um eine möglichst stabile Verankerung im knöchernen La ger zu erzielen. Dabei geht man davon aus, daß gröbere Struktu rierungen vor allem einen günstigen Einfluß auf die Primärfixa tion haben, während feinere Strukturierungen, z. B. durch eine Sandstrahlbehandlung oder in Form einer Beschichtung aus porösem Metall, ein sogenanntes Einsprießen von Knochensubstanz begün stigen, um die Sekundärfixation des Implantats zu verbessern.

Trotz derartiger Vorkehrungen kann jedoch eine dauerhafte Veran kerung solcher Starrschaft-Endoprothesen kaum garantiert werden. Es hat sich nämlich gezeigt, daß vor allem durch das Einbringen des künstlichen Schaftes in den Femur in die elastischen Verhält nisse des beteiligten Knochensystems eingegriffen wird. In der Folge sind daher Umbauvorgänge im Knochen und teilweise auch Lockerungen des Implantats zu beobachten. In diesem Zusammenhang ist von Interesse, daß rein geometrisch betrachtet, der natürli che Kugelkopf des Hüftgelenks beim Menschen genau senkrecht ober halb der Kondyläen des Kniegelenks positioniert ist. Der Femur stellt nun allerdings nicht die kürzeste Verbindungslinie zwi schen diesen beiden Punkten dar. Vielmehr ergibt sich aus dem Verlauf des Oberschenkelhalses vom Kugelkopf weg zum Trochanter major hin und weiter nach unten zurück zum Kniegelenk eine aus gelenkte Linie, welche entfernt an einen Bogen erinnert. Diese Formgestalt bewirkt beim Einleiten von vertikaler Last auf den natürlichen Hüftkopf ein geringes Ausfedern des Femurs, weil der Femur zum Teil mit axialen und zum Teil mit Biegekräften bean sprucht wird. Dieses elastische Verhalten ist in Verbindung mit den Dämpfungseigenschaften des Knochens vorteilhaft, da es bei dynamischer Beanspruchung des Knochenapparats, z. B. beim Laufen, zu einer Abschwächung der in das Becken geleiteten Lastspitzen führt.

Die oben genannten Überlegungen waren in der Vergangenheit be reits Grundlage für die Entwicklung von sogenannten iso-elasti schen Schaft-Implantaten, bzw. auch solchen mit quasi isotrop elastischen Eigenschaften. Ein zur zweiten genannten Gruppe ge hörender Hüftgelenkschaft ist z. B. aus der Deutschen Patentanmel dung OS-DE 3737372 A1 bekannt. Er besteht im wesentlichen aus einem schraubenfederartigen Element aus Metall, welches in sei ner äußeren Kontur der Formgestalt bekannter Schäfte entspricht. Der Schaft bezieht dabei seine Elastizität aus der Geometrie des schraubenfederartigen Elements, wobei diese Elastizität durch den Werkstoff, die Materialstärke, die Steigung der Wicklung usw. einstellbar ist. Aufgrund seiner Konstruktion besitzt solch ein Schaft quasi isotrop elastische Eigenschaften, welche sowohl in einer elastischen Biegsamkeit, als auch in einer elastischen Dehnbarkeit bzw. je nach Wickelabstand auch Kompressibilität zum Ausdruck kommen. Tatsächlich ist jedoch ein derartiges Verhalten dem des knöchernen Femurs nur teilweise kongruent. Tiefer gehende Überlegungen über die elastischen Mikrobewegungen des Femurs un ter Last führen zu der Erkenntnis, daß aufgrund der axialen Stei figkeit des Femurs und seiner insgesamt bogenähnlichen Geometrie die mittels vertikaler Last induzierten Kräfte im wesentlichen in Biegung und nicht in Längenänderungen umgesetzt werden. Die auf tretende Biegung wiederum baut im zur Körpermitte zeigenden Sek tor des Femurs Druckspannungen, bzw. im nach außen zeigenden Sek tor Zugspannungen auf, welchen noch in beiden Sektoren eine ge ringe axiale Druckspannungskomponente überlagert ist. Aus den ge nannten Zusammenhängen kann auf ein stark anisotrop elastisches Verhalten des Femurs geschlossen werden. Es bestand daher im Hin blick auf Hüftgelenk-Endoprothesen die Aufgabe zur Schaffung ei nes Implantats mit einem in Bezug auf seine Elastizität besser an den Femur angepaßten Charakteristik.

Die erfinderische Grundidee ist nun, eine derartige Hüftgelenk- Endoprothese abweichend von bisherigen Konstruktionen mit einer anisotrop elastischen Charakteristik auszustatten, welche der des Femurs nahekommt. Dabei konzentriert sich die praktische Aus führung der Erfindung darauf, die angestrebte Charakteristik mittels einer funktionellen Aufgliederung des Schaftes zu reali sieren. Danach besteht der Schaft aus einem schlanken Kern mit axialer Erstreckung, welcher mit einer mantelartigen Struktur umhüllt ist. Der schlanke Kern ist dazu ausgelegt, die Funktion eines elastischen Elements extremer Anisotropie zu übernehmen, welche durch eine sehr hohe Steifigkeit in axialer und radialer Richtung bei gleichzeitig guter Biegsamkeit gekennzeichnet ist. Die mantelartige Struktur wiederum, welche den Kern umhüllt, ist in ihren mechanischen Eigenschaften wahlweise auf eine relativ isotrope Elastitizät hin, oder auf eine stärkere axiale Elastizi tät bei radialer Steifigkeit hin optimiert. Die anisotrop elasti sche Charakteristik der erfindungsgemäßen Hüftgelenk-Endoprothese insgesamt ergibt sich aus der Summierung der Eigenschaften beider Funktionselemente.

Für die praktische Ausführung der Erfindung werden zwei Vorschlä ge gemacht, welche anhand der beiden Zeichnungsfiguren gleichzei tig näher erläutert werden sollen. Fig. 1 zeigt in einer teilweise geschnitten gezeichneten Darstellung einen Hüftgelenkschaft, bei welchem die funktionelle Aufgliederung mittels einer bestimmten geometrischen Gestaltung und unter Anwendung einer Werkstofftren nung realisiert ist. In Fig. 2 wird in einer zeichnerisch identi schen Darstellungsweise ein Monoblock-Schaft mit einer speziellen Bearbeitung gezeigt.

Die Zeichnungsfigur 1 zeigt das Ausführungsbeispiel eines Schaf tes, dessen mantelartige Struktur über den gesamten Bereich ihrer implantierbaren Länge aufgeschnitten dargestellt ist, um die kon struktive Gestaltung besser verdeutlichen zu können. Der Schaft besitzt einen Kern 4, 5, 6, vorzugsweise aus Metall, an welchen sich ein Kragen 3 anschließt, der wiederum in einen Hals 1 mit einem Konus 2 übergeht. Auf den Konus ist einer der üblichen Ku gelköpfe aufsteckbar. Der Kern ist an seinem oberen Ende 4 mit einem größeren Querschnitt versehen, welcher sich zur Mitte 5 hin und weiter bis zu seinem unteren Ende 6 zunehmend verjüngt. Diese Geometrie ist auf die mechanische Belastung des Schaftes und die Belastbarkeit des verwendeten Werkstoffs abgestimmt und dabei so ausgelegt, daß der Kern einerseits axial außerordentlich steif, andererseits jedoch relativ biegsam ist, indem er über ein sehr großes Längen/Durchmesserverhältnis verfügt. Die in der Zeich nungsfigur gewählten Dimensionierungen haben mehr symbolische Be deutung, weil hier eine gewisse konstruktive Bandbreite für die eigentliche Festlegung besteht. Es wird jedoch als vorzugsweise Lösung vorgeschlagen, den Querschnitt im oberen Bereich 4 des Kerns dem Querschnitt des Halses 1 anzupassen, um in dieser me chanisch hoch beanspruchten Zone Brüche durch Kerbwirkung zu ver meiden. Übergangsradien vom Hals 1 bzw. Kern 4 zum Kragen 3 wer den daher besonders empfohlen. Der Kern des Schaftes ist mit ei ner mantelartigen Struktur 7 umhüllt. Sie hat einerseits die Auf gabe eines Platzhalters, indem sie mit ihrer Außenfläche die ge wünschte äußere Formgestalt des Schaftes verwirklicht. Anderer seits soll sie mit ihrem relativ isotrop elastischen Verhalten Kräfte aufnehmen und möglichst gedämpft an den Kern weitergeben. Dabei sollte sie vorzugsweise axial höher elastisch sein, um die Biegsamkeit des Kerns nicht zu sehr zu beeinträchtigen. Für diese mantelartige Struktur ist ein entsprechend elastischer Werkstoff vorgesehen, z. B. Kunststoff, Metallschaum, oder dergleichen.

In der Zeichnungsfigur 2 ist als Beispiel einer erfindungsgemäßen Hüftgelenk-Endoprothese eine Monoblock-Ausführung dargestellt, welche aus einem metallischen Rohling, z. B. aus Titanlegierung herstellbar ist. Hier wurde zum besseren Verständnis der Bereich der implantierbaren Länge des Schaftes als Axialschnitt gezeich net. Der Schaft verfügt über einen mehr oder weniger zentral ste henden Kern 15, um welchen herum eine mantelartige Struktur mit bestimmten elastischen Eigenschaften angeordnet ist. Diese wurde dadurch geschaffen, daß aus dem massiven Schaft mit der gewünsch ten äußeren Kontur eine schraubenlinienartige Nut herausgearbei tet wurde. Diese beginnt bei 11 unterhalb des Kragens 10 und ver läuft weiter nach 12, bzw. über 13 bis zu ihrem Auslauf 14. Die Tiefe dieser Nut, ebenso wie im übrigen ihre Breite und ihre Steigung, hat Auswirkungen auf die Steifigkeit des Gesamtsystems und die Anisotropie seiner Elastizität. Sie ist so gewählt, daß ein genügend großer Querschnitt des Kerns erhalten bleibt und gleichzeitig eine angepaßte Zunahme dieses Querschnitts vom Schaftende zum Kragen hin resultiert. Der Zeichnungsfigur ist zu entnehmen, daß die gewendelte Nut zum Kragen hin zunehmend exzen trisch eingeschnitten ist, und so bei 11 eine geringere Tiefe als bei 12 aufweist, um einen bestimmten Verlauf des Kerns zu erzie len. Zu der Hüftgelenk-Endoprothese gehört ferner ein sich an den Kragen 10 anschließender Hals 8 mit einem Konus 9, welcher in bekannter Weise für die Aufnahme des Kugelkopf es ausgestaltet ist.

Die erfinderische Grundidee eines axial steifen, jedoch in einem elastischen Bereich relativ biegsamen Schaftes, bestehend aus den entsprechenden funktionellen Konstruktionselementen Kern und mantelartige Struktur ist in vielfältiger Ausgestaltung in die Praxis umsetzbar und nicht auf die beiden Ausführungsbeispiele beschränkt. In Bezug auf eine Herstellung als Monoblock ist die angestrebte anisotrop elastische Charakteristik durch Modifika tionen der Wendelung, z. B. Anpassung der Steigung, Gangzahl, Tiefe und Breite der Nut, Einstichwinkel der Nut, auch dessen fließende Änderung, in einem weiten Rahmen einstellbar und mit bekannten Herstellverfahren zu günstigen Kosten zu realisieren. Sehr einfach ist auch eine Ausführung mit einer Materialtrennung der funktionellen Bereiche zu verwirklichen, z. B. indem ein me tallischer Schaft mit Kunststoff umspritzt wird.

Aus medizinischer Sicht verspricht die mit der Erfindung zur Ver fügung gestellte Hüftgelenk-Endoprothese eine wesentlich verbes serte Anpassung an die elastische Charakteristik des beteiligten Knochensystems und damit gute Voraussetzungen für eine langandau ernde und beschwerdefreie Benutzbarkeit eines solchen Implantats.

Claims

1. Hüftgelenk-Endoprothese zur vorzugsweise zementfreien Implan tation in den Markraum des Oberschenkelknochens, bestehend aus einem an die Markraumkonturen anpaßbaren Schaft, wahlweise mit einem am oberen Ende des Oberschenkelknochens abstützbaren Kragen sowie mit einem sich anschließenden Hals als Verbindungsglied zu einem wahlweise fest verbundenen oder aufsteckbaren Kugelkopf, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft eine deutlich anisotrop elastische Charakteristik mit einer hohen axialen und radialen Steifigkeit bei relativer Biegsamkeit besitzt, welche durch seine funktionelle Aufgliederung in einen Kernbereich mit hoher axialer und radialer Steifigkeit bei gleichzeitig hoher elastischer Bieg samkeit und einen Mantelbereich mit verhältnismäßig isotropen elastischen Eigenschaften hergestellt ist.

2. Hüftgelenk-Endoprothese zur vorzugsweise zementfreien Implan tation in den Markraum des Oberschenkelknochens, bestehend aus einem an die Markraumkonturen anpaßbaren Schaft, wahlweise mit einem am oberen Ende des Oberschenkelknochens abstützbaren Kragen sowie mit einem sich anschließenden Hals als Verbindungsglied zu einem wahlweise fest verbundenen oder aufsteckbaren Kugelkopf, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft eine deutlich anisotrop elastische Charakteristik mit einer hohen axialen und radialen Steifigkeit bei relativer Biegsamkeit besitzt, welche durch seine funktionelle Aufgliederung in einen Kernbereich mit hoher axialer und radialer Steifigkeit bei gleichzeitig hoher elastischer Bieg samkeit und einen Mantelbereich mit einer gegenüber der radialen Steifigkeit reduzierten axialen Steifigkeit bei relativer Bieg samkeit hergestellt ist.

3. Hüftgelenk-Endoprothese gemäß Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Elastizität des Mantelbereichs relativ hoch ist.

4. Hüftgelenk-Endoprothese gemäß Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß sich der für den Kern verwendete Werkstoff in seiner durch seine spezifischen Materialwerte und Erscheinungs form gekennzeichneten Beschaffenheit vom für den Mantel verwende ten Werkstoff unterscheidet.

5. Hüftgelenk-Endoprothese gemäß Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kern aus einem Metall bzw. einer metallischen Legierung besteht.

6. Hüftgelenk-Endoprothese gemäß Ansprüchen 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der Kern vom Kragen zum Schaftende hin verjüngt ist.

7. Hüftgelenk-Endoprothese gemäß Ansprüchen 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß der Mantel wahlweise aus metallischen Filamen ten oder Partikeln besteht.

8. Hüftgelenk-Endoprothese gemäß Ansprüchen 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß der Mantel aus einem metallischen Schaum be steht.

9. Hüftgelenk-Endoprothese gemäß Ansprüchen 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß der Mantel wahlweise aus einem Kunststoff oder Elastomer gebildet ist.

10. Hüftgelenk-Endoprothese gemäß Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kunststoff oder Elastomer aufgeschäumt ist.

11. Hüftgelenk-Endoprothese gemäß Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß Kern und Mantel aus einem Stück hergestellt sind, wobei der Mantel mit seiner Elastizität durch Einstechen mindestens einer schraubenlinienartig umlaufenden Nut und der Kern durch eine tiefenmäßige Beschränkung der Nut verwirklicht sind.

12. Hüftgelenk-Endoprothese gemäß Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß Kern und Mantel aus einem Stück hergestellt sind, wobei der Mantel mit seiner Elastizität durch Einstechen einer Anzahl parallel zueinander liegender Ringnuten und der Kern durch eine tiefenmäßige Beschränkung dieser Ringnuten verwirk licht sind.

13. Hüftgelenk-Endoprothese gemäß Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß mindestens der Kern mit dem Hals aus einem Stück hergestellt ist und der Mantel mittels mehr oder weniger fest auf den Kern fixierter plättchenartiger Elemente verwirk licht ist.