DE60111253T2

DE60111253T2 - Schienbeinteil aus einem bimetal zur anwendung in einer knieprothese

Info

Publication number: DE60111253T2
Application number: DE60111253T
Authority: DE
Inventors: E. Daniel HAYES; S. Alfred DESPRES
Original assignee: Hayes Medical Inc
Current assignee: Hayes Medical Inc
Priority date: 2000-07-20
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2021-07-20
Also published as: US7189262B2; EP1331904A1; EP1331904B1; ATE296596T1; EP1331904A4; AU2001280643A1; US7513912B2; US20040267371A1; US6652588B2; WO2002007651A1; US20020161448A1; US20080021565A1; DE60111253D1

Description

Erfindungsgebiet
Diese Erfindung betrifft eine orthopädische Prothese zur Wiederherstellung des Kniegelenks von der Art, wie sie im Dokument WO-A-92/08424 offenbart ist.
Erfindungshintergrund
Die Gelenkersatzorthopädie versucht, Teile eines Gelenks durch prosthetische Komponenten zu ersetzen, um eine langdauernde Funktionalität und eine schmerzfreie Beweglichkeit zu schaffen.
Beispielsweise wird im Fall eines vollständigen, prothetischen Hüftgelenks der Kopf des Oberschenkelknochens durch ein prosthetisches Oberschenkelknochenschaftbauteil ersetzt, und die Beckenpfanne wird durch ein prothetisches Beckenpfannenbauteil ersetzt, um ein vollständiges, prothetisches Hüftgelenk zu schaffen.
Im Fall eines vollständigen, prothetischen Kniegelenks wird das obere Ende des Schienbeins durch ein prothetisches Schienbeinbauteil ersetzt, und das untere Ende des Oberschenkelknochens wird durch ein prothetisches Oberschenkelknochenbauteil ersetzt, um ein vollständiges, prothetischens Kniegelenk zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung ist auf eine orthopädische Prothese zur Wiederherstellung des Kniegelenks, insbesondere auf verbesserte, prosthetische Schienbeinbauteile, gerichtet.
Für den Gebrauch von verschiedenen Materialien für Gelenkersatzprothesen gibt es eine lange und abwechslungsreiche Geschichte. Einige frühere Versuche, wie Hüftprothesen aus rostfreiem Stahl, haben sich als verhältnismäßig brauchbar erwiesen und werden heute noch benutzt. Weitere Versuche, wie der Ersatz durch einen Akrylkopf des Oberschenkelknochens oder eines Teflon-„TMJ", haben sich als nicht annehmbar erwiesen und sind fallen gelassen worden.
Gegenwärtig werden im Wesentlichen Materialkombinationen für die Gelenkersatzprothesen verwendet.
Im Fall eines gesamten, prothetischen Hüftgelenks weist das prothetische Oberschenkelknochenschaftbauteil in typischer Weise insbesondere ein Metall auf, und das prothetische Beckenpfannenbauteil weist in typischer Weise einen Metallsitz mit einer Kunststoffverkleidung auf.
Im Fall eines vollständigen, prosthetischen Kniegelenks weist das prosthetische Schienbeinbauteil in typischer Weise ein Metallgrundglied auf, das mit einer Kunststofflagerfläche beschichtet ist, und das prosthetische Oberschenkelknochenbauteil weist in typischer Weise ein Metall auf.
Der Stand der Technik wird gegenwärtig vom Gebrauch von drei verschiedenen Materialien dominiert: Titan und dessen Legierungen, auf Kobalt basierende Legierungen und Polyethylen-Kunststoff. Die beiden metallischen Materialien werden im Wesentlichen für strukturelle Gebilde (beispielsweise Gebilde, die die durch das Gelenk übertragenden Lasten aushalten), und das Polyethylen wird im Wesentlichen als Lagermaterial in den Gelenken verwendet (beispielsweise um auf einem gegenüber liegenden Metallbauteil zu gleiten oder sich in diesem zu drehen).
Keramische Lagerkoppelpaare sind ebenfalls in gewissem Ausmaß beim Bekannten verwendet worden, aber ihre Verwendung ist aufgrund des hohen Preises und der geringen Kraftübertragung verhältnismäßig begrenzt.
Der Hauptanteil der strukturellen Implantationsgebilde sind gegenwärtig entweder aus Titanlegierungen (beispielsweise Ti6A14V) oder aus einer Legierung gefertigt, die auf Kobalt basieren (beispielsweise CoCr-Legierungen einschließlich CoCrMo-Legierungen). Diese Materialien haben verschiedene Vorteile und Nachteile.
Insbesondere zeigen die Titanlegierungen generell verhältnismäßig hohe, allgemeine Ermüdungserscheinungen, eine im Vergleich zu anderen Materialien verhältnismäßig hohe Steifheit und ausgezeichnete biokompatible Eigenschaften. Titanlegierungen neigen jedoch auch dazu, bei der Ermüdung kerbempfindlich zu sein, wodurch der Ermüdungswiderstand des Gebildes in bezeichnender Weise verringert wird, wenn die Oberfläche geritzt bzw. aufgerauht wird oder eine poröse Schicht entsteht. Titanlegierungen sind auch gegen Kratzen empfindlich und führen zu verhältnismäßig wenig gleitfähigen Koppelgliedern mit Polyethylen.
CoCr-Legierungen weisen im Allgemeinen verhältnismäßig hohe Ermüdungswiderstände auf, sind verhältnismäßig kerbunempfindlich, verhältnismäßig zäh und gegen Kratzen widerstandsfähig, so dass sie ausgezeichnete Anwärter auf die Bildung von Gleitkopplungen mit Polyethylen sind. CoCr-Legierungen weisen jedoch auch eine verhältnismäßig große Steifheit auf, die zu einem störenden Lastmuster führen können, wenn sie mit flexiblen, menschlichen Knochen gekoppelt werden, und sie sind nicht so biokompatibel wie viele andere Legierungen wegen ihres Chromgehalts und in machen Fällen wegen ihres Nickelgehalts.
In den 1980-Jahren wurden Titanlegierungen bei vielen Anwendungen benutzt, um die Biokompabilität der Titanlegierungen auszunutzen. Die Anwendung jedoch, die Gleitflächen, wie Oberschenkelknochenköpfe für die Hüft- und Knieoberschenkelknochenbauteile, einschlossen, neigten zu bedeutenden Problemen mit der Abriebteilchen- und Kratzerbildung, und zu manchen auftretenden, klinischen Fehlern.
Aus dieser Erfahrung heraus wurden Implantate entwickelt, die die beiden vorerwähnten Materialien (d.h. Titan- und CoCr-Legierungen) in vorteilhafter Weise kombinierten.
Eins der früheren Produkte war ein Oberschenkelknochenbauteil, da eine Gleitfläche aus CoCr und eine Knocheneinwachsfläche aus Titan aufwies. Dieses Bauteil zog Nutzen aus den äußerst geringen Abnutzungserscheinungen des CoCr in Bezug auf die Gleitverbindungen mit dem Polyethylenlager des Schienbeinbauteils, wobei noch der ausgezeichnete Knocheneinwuchs an der Knochen-Prothese-Verbindung gewahrt blieb.
Die beiden vorerwähnten Materialien (d.h. Titan- und CoCr-Legierungen) sind auch bei Hüftoberschenkelknochenschaftbauteilen verwendet worden. Diese Bauteile weisen insbesondere einen Innenkern aus CoCr auf, der mit einer Titanschicht zum Knocheneinwuchs bedeckt ist. Diese Schichtkonstruktion ist deshalb erwünscht, weil die Schafte vollständig aus Titan hergestellt sind, wobei die Titaneinwuchsflächen zu schwach sind, während die vollständig aus CoCr hergestellten Schäfte CoCr-Einwuchsflächen ohne ausreichende Biokompabilität aufweisen. Die Kombination dieser beiden Materialien in einem einzelnen Baurteil schafft einen Schaft, der stark genug ist und auch eine gute Knocheneinwachsfläche aufweist.
Ein weiterer Versuch zur Verbesserung der Biokompabilität der Knocheneinwachsfläche ist unternommen worden, bei dem die Fläche aus Hydroxylapatit (HA) beschichtet ist. Obwohl diese HA ausgezeichnete Kurzzeitresultate ergab, traten mit ihm Probleme in Bezug auf die Langzeitstabilität aufgrund seiner pH-Empfindlichkeit auf. Insbesondere kann sich der pH-Wert des Körpers aufgrund einer Vielfalt von Bedingungen, beispielsweise der Ernährung oder von Krankheit, ändern, und dadurch kann die Wirksamkeit der HA-Knocheneinwachsfläche ungünstig beeinflusst werden.
Ein weiterer Versuch zur Erhöhung der Härte der Drehfläche ist dadurch unternommen worden, dass die Drehfläche mit einem Keramikmaterial, wie Titannitrid, beschichtet wurde. Die Hauptbeschränkung dieser Methode besteht darin, dass die Belastung und der Abrieb zu Verschlechterung der mechanischen Unversehrtheit der Verbindung zwischen der Keramikschicht und dem Substrat führen, wodurch Prothesefehler auftreten können.
Da die die Hauptdrehflächen betreffenden Abnutzungserscheinungen auf die Vermeidung von grobem und katastrophalem Verschleiß gerichtet sind, ist entdeckt worden, dass die Kontaktfläche zwischen dem Polyethylenstützglied und dem Metallgrundglied auch eine bedeutende Quelle von Abriebteilchen sein kann. Insbesondere ist entdeckt worden, dass die Gleitbewegungen in der Kontaktfläche zwischen dem Polyethylenstützglied und dem Metallgrundglied Polyethylenteilchen erzeugt, die aus der Kontaktfläche austreten und in den Körper gelangen können. Kleine Abriebteilchen können auch in die Kontaktfläche zwischen dem Polyethylenstützglied und dem Metallgrundglied wandern und das Metallgrundglied verkratzen, insbesondere dann, wenn das Metallgrundglied aus Titan gebildet ist. Dieses Auftreten der „Rückseitenabnutzung" ist ein bedeutendes Verfahren für die Untersuchung und Erörterung während der letzten fünf Jahre oder so gewesen.
Versuche zur Vermeidung der Abreibteilchen sind bisher darauf beschränkt worden, die Titanpassfläche des Metallgrundglieds zu polieren, wie es im US-Patent 5 310 408 offenbart ist und mit dem von Smith & Nephew aus Memphis, Tennessee, vertriebenen „Reflektionspfannen"-Produkt praktiziert wird. Aber das Polieren einer Titanfläche hat bei früheren Versuchen bei Gleitkupplungen (d.h. bei dem Oberschenkelknochenkopfbauteil einer vollständigen, prothetischen Hüfte und einem prothetischen Oberschenkelknochenbauteil eines vollständigen, prosthetischen Knies) nicht gut funktioniert und hat nur begrenzten Erfolg bei der Verminderung von Abriebteilchen in der Kontaktfläche zwischen dem Polyethylenstützglied und dem Metallgrundglied. Dieses ist hauptsächlich auf die innewohnenden Materialbegrenzungen des TitanMetallgrundglieds im polierten Kontaktmechanismusaufbau zurückzuführen.
Kein bestehendes, mit einem Polyethylenstützglied zusammenarbeitendes Metallgrundglied ist aus zwei Metallen (d.h. aus einem Bimetallbauteil) gefertigt.
Kein bestehendes Bimetallbauteil weist eine Polyethylenschicht auf.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Erfindung sieht eine neue orthopädische Prothese, insbesondere ein prosthetisches Schienbeinbauteil für ein vollständiges, prosthetisches Kniegelenk, vor, das zwei Bauglieder aufweist, wobei das eine ein am Knochen angreifendes Metallgrundglied und das andere ein Polyethylenstützglied ist, das am Metallgrundglied befestigt ist und mit einem prosthetischen Oberschenkelknochenbauteil auf der entgegengesetzten Seite des Gelenks gelenkig verbunden ist. Das Metallgrundglied ist aus zwei verschiedenen Metallen zusammengesetzt, von denen das eine an der Knochenfläche und das andere am Polyethylenstützglied angreift. Jedes dieser Metalle ist derart ausgewählt, das seine Eigenschaften an seine besondere Funktion gut angepasst ist. Insbesondere ist das erste Metall (das ist dasjenige, das an der Knochenfläche angreift) derart ausgewählt, dass es eine vorzügliche, knochenangreifende Fläche aufweist, während das zweite Metall (das ist dasjenige, das am Polyethylenstützglied angreift) derart gewählt ist, dass es eine vorzügliche polyethylenangreifende Fläche aufweist. Durch Kombinieren der verschiedenen Materialeigenschaften der beiden verschiedenen Metalle des Metallgrundglieds ist es möglich, gleichzeitig eine vorzügliche, knochenangrei fende Fläche und eine vorzügliche, polyethylenangreifende Fläche zu bilden. Durch die Auswahl zweier geeigneter Metalle für das Metallgrundglied kann u. a. ein vorzüglicher Knocheneinwuchs erzielt werden, wobei ferner noch die vorerwähnten Probleme mit der „Rückseitenabnutzung" vermieden werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Diese und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun durch die folgende, ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen vollständig offenbart oder näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleichen Teilen entsprechen. Es zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht eines vollständigen, prosthetischen Kniegelenks, das in einem Körper eines Patienten angeordnet ist,
2 eine schematische Explosionsansicht des prosthetischen Schienbeinbauteils des in 1 gezeigten, vollständigen, prosthetischen Kniegelenks und
3 eine schematische Seitenansicht des prosthetischen Schienbeinbauteils des in 1 gezeigten, vollständigen, prosthetischen Kniegelenks.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungen
In 1 ist ein vollständiges, prosthetisches Kniegelenk 5 gezeigt, das im Wesentlichen ein prosthetisches Schienbeinbauteil 10, das am oberen Ende eines zurückgeschnittenen Schienbeins 15 befestigt ist, und ein prosthetisches Oberschenkelknochenbauteil 20 aufweist, das am unteren Ende eines zurückgeschnittenen Oberschenkelknochens 25 befestigt ist.
Das prosthetische Schienbeinbauteil 10 ist in den 2 und 3 ausführlicher dargestellt. Das prosthetische Schienbeinbauteil 10 weist im Wesentlichen ein Metallgrundglied 30 und ein Polyethylenstützglied 35 auf.
Im Einzelnen enthält das Metallgrundglied 30 eine Basisplatte 40, einen Schaft 45 mit einer Vielzahl von nach unten herausragenden Stiften 50, eine Vielzahl von durch die Basisplatte 40 gesteckten Schrauben 55, ein Paar aus Schienen 60, die längs der oberen Fläche der Basisplatte 40 verlaufen und zwischen sich eine Nut 65 bilden, und ein Paar aus mit der Basisplatte 40 verbundenen Endwänden 70.
Das Polyethylenstützglied 35 enthält eine flache Bodenfläche 75 mit einer sich in Längsrichtung erstreckenden Ausnehmung 80, in der eine sich in Längsrichtung erstreckende Zunge 85 angeordnet ist. Die Zunge 85 ist derart bemessen, dass sie in der Nut 65 des Metallgrundglieds 30 gleitend eingepasst ist, wobei das Polyethylenstützglied 35 am Metallgrundglied 30 befestigt werden kann.
Während des Gebrauchs, bei dem das obere Ende des Schienbeins 15 zurückgeschnitten ist, wird das Metallgrundglied 30 am Schienbein 15 mittels Schrauben 55 befestigt, und das Polyethylenstützglied 35 wird mit seiner Zunge 85 in die Nut 65 eingeschoben, bis das Polyethylenstützglied 35 an die Endwände 70 des Metallgrundglieds anstößt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Metallgrundglied 30 eine Bimetallkonstruktion auf. Genauer gesagt ist das Metallgrundglied 30 aus zwei verschiedenen Metallen zusammengesetzt, nämlich einem am Schienbein 15 angreifenden ersten Metall 87 und einem am Polyethylenstützglied 35 angreifenden zweiten Metall 90. Jedes dieser Metalle ist derart ausgewählt, dass seine Eigenschaften an seine besondere Funktion gut angepasst ist. Genauer gesagt ist das erste Metall 87 (das ist dasjenige, das am Schienbein 15 angreift) derart ausgewählt, dass es eine vorzügliche, knochenangreifende Fläche aufweist, während das zweite Metall 90 (das ist dasjenige, das am Polyethylenstützglied 35 angreift) derart ausgewählt ist, dass es eine vorzügliche, polyethylenangreifende Fläche aufweist. Durch die Kombination der verschiedenen Materialeigenschaften der beiden verschiedenen Metalle im Metallgrundglied 30 ist es möglich, gleichzeitig eine vorzügliche knochenangreifende Fläche und eine vorzügliche polyethylenangreifende Fläche zu bilden. Durch Auswahl zweier geeigneter Metalle für das Metallgrundglied kann u. a. ein vorzüglicher Knocheneinwuchs erzielt werden, während dabei noch die vorerwähnten Probleme mit der „Rückseitenabnutzung" vermieden werden.
Beispielsweise kann ein Metallgrundglied 30 gebildet werden, dessen knochenangreifende Fläche aus Titan besteht und dessen polyethylenangreifende Flächen aus CoCrMo bestehen. Dieser Aufbau gewährt einen guten Knocheneinwuchs des Metalls im Knochen und einen guten Polyethylenangriff des Metalls am Polyethylen, wobei ein äußerst vorzügliches, prosthetisches Schienbeinbauteil 10 geschaffen wird.
Es ist auch möglich, andere Metalle zu verwenden, die sowohl hinsichtlich der Festigkeit als auch hinsichtlich der Biokompabilität und der Verbindbarkeit geeignet sind, um ein aus einem Bimetall bestehendes Schienbeinbauteil zu fertigen.
Als Beispiel, jedoch nicht als Beschränkung kann das erste Metall 87 aus Titan, Titanlegierungen, Tantal, Tantallegierungen oder anderen Metallen und/oder Metalllegierungen bestehen, die mit der vorliegenden Erfindung konform gehen. U. a. ist das erste Metall 87 vorzugsweise ein Material, dass in höchstem Grad biokompatibel ist und gute Knocheneinwachseigenschaften aufweist.
Als Beispiel, jedoch nicht als Beschränkung kann das zweite Metall 90 COCrMo, auf Kobalt basierende Legierungen, rostfreien Stahl, auf Zirkonium basierende Legierungen oder andere Metalle und/oder Legierungen aufweisen, die mit der vorliegenden Erfindung konform gehen. U. a. ist das zweite Metall 90 vorzugsweise ein Material, das eine verhältnismäßig hohe Härte und einen hohen Kratzwiderstand aufweist.
Das Bimetallbauteil kann unter Verwendung einer Vielfalt von Techniken hergestellt werden, beispielsweise mittels Plasmasprühens, Diffusionsbindung, Sintern oder metallurgischer Verfahren, beispielsweise eines Verfahrens der Art, wie sie im US-Patent 5 323 954 (Shetty) offenbart ist.

Claims

Prosthetisches Schienbeinbauteil (10) für ein prosthetisches, vollständiges Kniegelenk, wobei das Schienbeinbauteil zwei Aufbauglieder aufweist, von denen das eine ein Metallgrundglied (30), das am Knochen angreift, und das andere ein Polyethylenstützglied (35) ist, das am Metallgrundglied (30) befestigt und mit einem prosthetischen Oberschenkelknochenbauteil (20) auf der entgegengesetzten Seite des Kniegelenks gelenkig verbunden ist, wobei ferner das Metallgrundglied (30) aus zwei verschiedenen Metallen besteht, nämlich aus einem ersten Metall, das an der Knochenfläche angreift, und einem zweiten Metall, das am Polyethylenstützglied (35) angreift, und wobei das erste Metall derart ausgewählt ist, dass es eine hochwertige, knochenangreifende Fläche schafft, und das zweite Metall derart ausgewählt ist, dass es eine hochwertige polyethylenangreifende Fläche schafft.
Prosthetisches Schienbeinbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Metall Titan aufweist.
Prosthetisches Schienbeinbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Metall eine Titanlegierung aufweist.
Prosthetisches Schienbeinbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Metall Tantal aufweist.
Prosthetisches Schienbeinbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Metall eine Tantallegierung aufweist.
Prosthetisches Schienbeinbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Metall ein Material aufweist, das in höchstem Maße biokompatibel ist und gute Knocheneinwachseigenschaften aufweist.
Prosthetisches Schienbeinbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Metall CoCrMo aufweist.
Prosthetisches Schienbeinbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Metall eine Kobaltlegierung aufweist.
Prosthetisches Schienbeinbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Metall aus rostfreiem Stahl besteht.
Prosthetisches Schienbeinbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Metall eine Zirkoniumlegierung aufweist.
Prosthetisches Schienbeinbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Metall ein Material aufweist, das eine verhältnismäßig große Härte besitzt und kratzfest ist.