DE69706403T2

DE69706403T2 - Externe befestigungsvorrichtung mit ringen aus kompositmaterial

Info

Publication number: DE69706403T2
Application number: DE69706403T
Authority: DE
Inventors: Gibson Allott; Martin Sturgeon
Original assignee: DePuy Orthopaedics Inc
Current assignee: DePuy Orthopaedics Inc
Priority date: 1996-02-22
Filing date: 1997-02-12
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2017-02-13
Also published as: EP0883380A2; AU2271197A; JP2000505331A; CA2245158A1; CA2245158C; AU710029B2; JP3307651B2; EP0883380B1; WO1997030651A3; WO1997030651A2; DE69706403D1

Description

Hinterrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft faserverstärkte Verbundstrukturen mit verbesserter Leistungsfähigkeit unter Scher-, Biege- und Torsionsspannungen. Die Verbundstruktur ist zur Anwendung bei externen Befestigungsvorrichtungen von besonderem Nutzen.
Externe Befestigungsverfahren zur Behandlung von Knochenbrüchen einschließlich der Verwendung einer Anzahl gekrümmter Ringe oder gekrümmter Teilringe, die unter Anwendung einer Vielzahl von Verbindungsstangen im Abstand voneinander zu einer Struktur verbunden werden, sind der Fachwelt wohlbekannt. Quer verlaufende Stifte oder Drähte sind an den Ringen befestigt und erstrecken sich von dort in die Knochen, so daß die Rahmen- und Querstifte das Knochengewebe in der gewünschten Weise stützen und/oder vorspannen. Solche Verfahren sind im US-Patent Nr. 4.308.863, das an Fischer erteilt wurde, im US-Patent Nr. 5.062.844, das an Jamison erteilt wurde sowie in der Deutschen Patentveröffentlichung Nr. DE 39 35 134 A beschrieben.
Externe Befestigungsring-Systeme sind handelsüblich und verwenden entweder Metall- oder Verbundringe. Verbundringe, die für Röntgenstrahlen durchlässig sind, sind erwünscht, weil sie die Auswertung medizinischer Röntgenaufnahmen nicht stören. Außerdem sind Verbundringe leichter als vergleichbare Metallringe, was dem Patienten mehr Komfort bietet.
Das oben erwähnte Patent von Fischer beschreibt Teilringe aus Metall mit einem I-Träger- Querschnitt, was zu hoher Festigkeit bei minimalem Gewicht führt. Obwohl I-Träger- Strukturen allgemein das Material gut ausnutzen, indem die Flanschbereiche den Biegekräften widerstehen, haben sie nur eine begrenzte Widerstandskraft gegen Torsionskräfte.
Die oben erwähnte Deutsche Patentveröffentlichung beschreibt einen massiven Kunststoffkern, der an der Oberfläche durch Fasern verstärkt ist.
Bei Gebrauch werden äußere Fixierungsringe Scher-, Torsions- und Biegekräften unterworfen. Externe Befestigungsvorrichtungen zur Immobilisierung von Knochenbrüchen, welche externe Fixierungsringe in Form faserverstärkter Verbundstrukturen nach der vorliegenden Erfindung enthalten, ergeben einen verbesserten Ausgleich der mechanischen Eigenschaften und damit eine verbesserte Leistungsfähigkeit unter kombinierter Biege-, Scher- und Torsionsbelastung.
Die externe Befestigungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 beschrieben. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 2 bis 7 beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer externen Befestigungsvorrichtung nach dieser Erfindung, welche an einem gebrochenen Knochen angebracht ist und die externen Fixierungsringe zeigt.
Fig. 2 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Explosivdarstellung eines externen Fixierungsringes.
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf Fixierungsringe mit 240 Grad und 120 Grad Winkelausdehnung, die durch Verbindungsglieder verbunden sind.
Die Fig. 4A bis 4G zeigen ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung von Fixierungsringen.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die zur Darstellung der vorliegenden Erfindung gewählte bevorzugte Ausführungsform ist in Fig. 1 dargestellt. Die externe Befestigungsvorrichtung 10 besteht aus Bogensegment- Fixierungsringen 12 und 14, die um einen gebrochenen Knochen 16 herum angeordnet sind. Die Fixierungsringe 12 und 14 haben einen I-Träger-Querschnitt bestehend aus einem zentralen Stegteil 18 und einem Paar Flansche 20. Im Stegteil ist eine Vielzahl von Löchern 22 symmetrisch, im Abstand voneinander angebracht. Bei der Anbringung an einem gebrochenen Knochen 16 werden mehrere Verbindungsstangen durch die Löcher 22 gesteckt und mittels Befestigungselementen 26 und 28 mit den Ringen 12 und 14 verbunden. An verschiedenen Stellen der Ringe 12 und 14 werden Stifthalter 30 und 32 und in diesen Stifte 34 und 36, welche durch den Knochen 16 verlaufen, befestigt.
Wie am besten in Fig. 2 dargestellt, besteht ein Fixierungsring 12 aus einem Kern (als Kern 13 dargestellt in Fig. 4F) mit in einer Richtung verlaufenden Fasern 21 in den Flanschen 20 und einer Vielzahl von Lagen 23 aus in einer Richtung verlaufenden Fasern im Steg sowie einer geflochtenen, um den Kern 13 herum geflochtenen Hülse 25. Die Hülse 25 ist mit dem Kern 13 durch Kunststoff verbunden, mit welchem die Fasern von Kern und Hülse getränkt sind. Der Ring hat eine mit 12A bezeichnete Längsachse.
Die in einer Richtung verlaufenden Fasern 21 sind entlang der gekrümmten Flansche 20 annähernd parallel zur Achse 12A des Steg-Kernes ausgerichtet. Der Einsatz von in einer Richtung verlaufenden Fasern 21 in den Flanschen 20 des Kernes führt zu einer besseren Biegefestigkeit des fertigen Verbundkörpers. Vorzugsweise sind die in einer Richtung verlaufenden Fasern 21 in bezug auf die Achse 12A des Kernes in Fig. 2 unter einem Winkel zwischen 0 Grad und ±15 Grad ausgerichtet.
Der Steg-Teil des Kernes ist vorzugsweise mit Faser-Lagen 23 verstärkt, welche etwa parallel (zwischen Null Grad und ±15 Grad) zu den in einer Richtung verlaufenden Fasern 21 verlaufen, und diese Lagen 23 enthalten Fasern, welche zwischen etwa ±45 Grad und ± 15 Grad relativ zu einer Tangente an die Längsachse des Kernes ausgerichtet sind. Besonders bevorzugt wird der Bereich zwischen etwa ±45 Grad und ±5 Grad und insbesondere der Bereich von etwa ±45 Grad. Dies ergibt eine optimale Festigkeit gegen Scherspannungen, welche allgemein im Inneren des Kernes am größten sind. Vorzugsweise ist die Faser- Ausrichtung im Inneren des Kernes symmetrisch zur Querschnitts-Mittellinie 12B, wobei die positiven und negativen Richtungen kompensiert sind.
Um die Gesamtfestigkeit des Verbund-Ringes gegenüber Torsionskräften und gegenüber der Delaminierung innerhalb des Kernes zu verbessern, wird auf die Außenfläche des inneren Kernes eine Lage von Fasermaterial (beispielsweise eine geflochtene Hülse 25) aufgebracht. Das Fasermaterial wird derart aufgebracht, daß es sich der Außenform des Kernes anpaßt, und es ist zwischen etwa ±45 Grad und ±15 Grad relativ zur Tangente an die Längsachse durch den Schwerpunkt des Querschnittes von Ring oder Kern ausgerichtet. Besonders bevorzugt wird der Bereich zwischen etwa ±45 Grad und ±5 Grad und insbesondere der Bereich von etwa ±45 Grad. Der Begriff "relativ zur Tangente an die Längsachse durch den Schwerpunkt des Querschnittes von Ring oder Kern" bedeutet, daß beim Anlegen der X-Y-Z-Koordinatenachsen des Schwerpunktes des Querschnittes dieser in der X-Y-Ebene liegt und die Z-Achse senkrecht dazu. Z ist die Tangente an die Längsachse 12A für diesen Querschnitt in der Fig. 2. Alle Winkel (für diesen Querschnitt) werden relativ zur Z-Achse gemessen. Für horizontale Flächen werden die Winkel in der Y-Z-Achse gemessen und für vertikale Flächen in der X-Z-Ebene.
Für die Verbund-Ringe kann eine große Vielfalt von Fasern und Polymer-Matrizes eingesetzt werden. Für die externen Befestigungsvorrichtungen, wo eine hohe Festigkeit und Steifigkeit erforderlich sind, werden kohlefaserverstärkte Epoxidharze bevorzugt. Es können auch andere Fasern einschließlich Aramid, Glas oder Nylon verwendet werden. Vorzugsweise werden Verstärkungsfasern in Gestalt durchgehender Faserstränge verwendet. Als Matrix können Duroplaste oder Thermoplaste verwendet werden einschließlich Polyester, Nylon oder Bismaleimid-Harzen. Vorzugsweise enthält der Verbundwerkstoff etwa 30 Vol.-% bis 70 Vol.% Fasern und 70 Vol.-% bis 30 Vol.-% Kunststoff. Besonders bevorzugt enthält er 50 Vol.-% bis 70 Vol.-% Fasern und insbesondere etwa 65 Vol.-% Fasern.
Die externen Fixierungsringe können als Verbundringe in einer Vielfalt von Durchmessern, Längen und Querschnittsabmessungen hergestellt werden. Bei Ringen mit I-Träger- Querschnitten wird durch die Vergrößerung der Dicke der Flansche allgemein die Biegefestigkeit erhöht, und die Scherfestigkeit kann durch die Vergrößerung der Dicke des Steges erhöht werden. Die externen Befestigungsvorrichtungen können als Teilringe von 120 Grad (1/3-Ring), 240 Grad (2/3-Ring), 180 Grad (1/2-Ring) oder auch als Vollringe ausgebildet werden. Die externen Fixierungsringe weisen im allgemeinen eine Vielzahl von Löchern 22 auf, die im Abstand voneinander symmetrisch auf dem Kreisbogen verteilt sind. Die Löcher können bei der Endbearbeitung gebohrt werden.
Wie in Fig. 3 dargestellt, können Teilring-Segmente 30 und 32 durch Verbindungsglieder 17 zusammengefügt werden. Das Verbindungsglied 17 kann Vorsprünge (nicht dargestellt) aufweisen, um den Ring mit I-Träger-Querschnitt zwischen den Flanschen zu erfassen. Das Verbindungsglied wird am Ring mittels Schrauben (nicht dargestellt) durch Löcher 22 am Ende der Teilringe befestigt.
Die Fig. 4A bis 4G zeigen ein Verfahren zur Formung eines Bogensegmentes eines faserverstärkten Verbund-I-Träger-Ringes 12. Der Kern faserverstärkten Verbund-I-Träger- Ringes wird geformt, mit Fasermaterial bedeckt und in eine Form eingeschlossen, um die Form des faserbedeckten Kernes zu erzeugen. Dann wird Kunststoff unter Druck in die geschlossene Form eingespritzt, um das Fasermaterial zu imprägnieren und es mit dem Kern zu verbinden. Das Einspritzen des Kunststoffes unter Druck in das nicht imprägnierte Fasermaterial, welches den Kern umgibt, führt während des Einspritzens zu isobaren Bedingungen, und gleichmäßigere Eigenschaften des fertigen Teiles könnten erreicht werden, indem ein Prepreg-Material auf den Kern aufgebracht und das Ganze ohne Kunststoff- Einspritzung durch Wärme und Druck verfestigt wird.
Die Fig. 4A bis 4E zeigen die Schritte zur Herstellung des Segmentes eines faserverstärkten Verbundkernes mit I-Träger-Querschnitt. Ein Prepreg-Material mit in einer Richtung verlaufenden Fasern (enthält in einer Richtung verlaufende Fasern und Kunststoff) kann in die Vertiefungen zweier Formhälften der Form eingelegt werden, wie es in Fig. 4B dargestellt ist. Um das Auflegen der in einer Richtung verlaufenden Fasern 21 zu erleichtern, kann das Prepreg-Material mit solchen Fasern in Streifen 40 zerschnitten werden, bei denen die Fasern in Längsrichtung eines jeden Streifens verlaufen. Die Streifen können dann entlang der Richtung der Fasern 21 einige Male gefaltet werden, um "Nudeln" 42 mit in einer Richtung verlaufenden Fasern zu erhalten. In Fig. 4A werden die Streifen zuerst in Hälften und dann in Dritteln gefaltet, um eine Nudel-Struktur zu bilden. Die Nudeln werden in Rillen eingebracht, welche auf jeder Seite der Form 30 entlang der Innen- und Außenkante verlaufen und schließlich den Flanschabschnitt 20 des Kernes 13 bilden. Als Alternative können auch Lagen eines Stranges mit in einer Richtung verlaufenden Fasern, der zuvor mit Kunststoff getränkt wurde, in die Vertiefung eingelegt werden. Die Verwendung von Prepreg-Plattenmaterial ergibt jedoch besser reproduzierbare Faserlagen und eine bessere Kontrolle der Faser-Ausrichtung im fertigen Teil.
Ein bequemer Weg, um den Stegteil des Kernes zu formen besteht darin, ein ebenes Prepreg-Gewebe unter 45 Grad zur Faserachse zu schneiden. Gewebe mit Leinwandbindung wird wegen der gleichen Anzahl von Kett- und Schußfäden bevorzugt. Auch andere Gewebe, welche keine ausgeglichenen Anteile von Faser-Enden in der Kett- und Schußrichtung aufweisen, können eingesetzt werden. Die Faser-Enden in "+"- und "-"-Richtung können dann ausgeglichen werden, indem das Gewebe in wechselnden Lagen geschichtet wird oder indem aus dem ursprünglichen Gewebe unter 90 Grad wechselnde Lagen herausgeschnitten werden. Als Alternative kann auch eine Prepreg-Platte mit in einer Richtung verlaufenden Fasern verwendet werden, bei welcher die Faserlagen abwechselnd in "+"- und "-"- Richtung um etwa 45 Grad ausgerichtet sind. Gewebe sind im allgemeinen bequemer, wenn die Bauteile eine wesentliche Dicke haben, weil sie allgemein in größeren Dicken verfügbar sind und mehr Faser-Enden enthalten als kommerziell verfügbare Lagen- Materialien mit in einer Richtung verlaufenden Fasern. Die bei Geweben vorliegende Wellung kann zu Teilen mit größere Zähigkeit führen, da die Wellung dem Voranschreiten von Rissen Widerstand entgegensetzt. Die Wellungen können aber auch die Festigkeit und Steifigkeit des fertigen Teiles vermindern.
Die auf Größe zugeschnittenen Prepreg-Streifen oder -Lagen 23 werden in jeder der Formhälften plaziert, indem die Nudeln mit in einer Richtung verlaufenden Fasern an der Innen- und Außenkante übereinander gelegt werden, wie es in Fig. 4C dargestellt ist. Um die Verarbeitung von Gewebestreifen in gekrümmten Formen zu erleichtern, kann die Form während der Plazierung der Gewebestränge erwärmt werden. Um die Stegdicke zu vergrößern, körnen auch Lagen zwischen den Nudeln plaziert werden.
Nach dem Auflegen der Nudeln aus in einer Richtung verlaufenden Fasern 21 und der Gewebelagen 23, wird die Form, wie in Fig. 4D dargestellt, geschlossen und unter Druck auf eine ausreichende Temperatur erwärmt, um den Kern 13 zu verfestigen. Der verfestigte Kern 13 (Fig. 4E) wird dann aus der Form entnommen und kann auf die richtigen Maße abgearbeitet und durch Sandstrahlen bearbeitet werden, um einen Überschuß an Kunststoff bzw. Bestandteile einer Formbeschichtung zu entfernen. Vorzugsweise wird die Oberfläche jedoch durch Sandstrahlen behandelt, um eine ebene, matte Oberfläche ohne sichtbare Faser-Ausfransungen zu erhalten. Dies erfolgt in einfacher Weise mit einem Sandstrahler, wobei darauf zu achten ist, daß die Sandstrahlbehandlung nicht übertrieben wird.
Wie in Fig. 4F dargestellt, wird dann auf die Außenfläche des vorbereiteten inneren Kernes Fasermaterial aufgebracht. Dies kann durch Aufziehen einer oder mehrerer geflochtenen Hülse(n) 25, deren Umfang etwa gleich demjenigen des Verbund-I-Trägers ist, unter ±45 Grad auf die Außenfläche des Kernes erfolgen. Durch Verwendung eines Geflechtes mit einem Umfang etwa gleich demjenigen des Kernes werden die Fasern im Geflecht annähernd unter ±45 Grad relativ zur Längsachse des Kernes ausgerichtet. Vorzugsweise wird der ursprüngliche Flechtwinkel derart gewählt, daß der endgültige Flechtwinkel im Verbund-Teil etwa ±45 Grad beträgt. In Abhängigkeit vom Gewicht des verwendeten Geflechtes kann eine einzelne geflochtene Hülse angewandt werden oder es werden mehrere Hülsen aufgebracht, um das gewünschte Endvolumen zu erhalten. Im allgemeinen könnte die Anzahl der Faserlagen in Leinwandbindung so gewählt werden, daß die Anzahl der Wellungen im Gewebe für ein gewünschtes Gewicht vermindert wird. Geflochtene Textilerzeugnisse sind für das Außenflächen-Fasermaterial besonders günstig, weil sie leicht zu runden komplexen Formen, wie diejenige von I-Trägern, verarbeitet werden können und Ausfransungen beim äußeren Fasermaterial vermieden werden.
Als Alternative kann das Fasermaterial auch durch Umflechten oder Umwickeln des Teiles mit einem Strang der gewünschten Faser auf den inneren Kern aufgebracht werden. Der Strang kann in wechselnden Lagen unter annähernd +45 Grad und -45 Grad relativ zur Tangente an den gebogenen Kern aufgewickelt werden. Diese technische Lösung ist bei einfachen Formen, wie bei rechteckigen, quadratischen oder runden Querschnitten besonders leicht anwendbar.
Nach dem Aufbringen des Fasermaterials auf die Außenfläche des inneren Kernes wird das Teil in einer Spritzform 45 (Fig. 4G) plaziert, deren Form der Form des beschichteten inneren Kernes entspricht. Die Form wird geschlossen, erwärmt und Kunststoff unter Druck eingespritzt, um die geflochtene Vorform zu imprägnieren und das Verbund-Erzeugnis fertigzustellen.

Claims

1. Externe Befestigungsvorrichtung zur Immobilisierung eines Knochenbruches, welche eine Vielzahl äußerer Fixierungsringe (12, 14), eine Vielzahl am Knochen (16) verankerter und an den Fixierungsringen (12, 14) geklemmter Stifte (34, 36) sowie die Fixierungsringe (12, 14) verbindende verriegelbare Einstellstangen (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierungsringe (12, 14) einteilige Verbundstrukturen sind, die einen Kern (13) aus einer kunstharzgetränkten Fasermatrix und eine Hülse (25) aus Fasermaterial aufweisen, welche den Kern (13) umhüllt und durch Kunstharztränkung der Hülse (25) aus Fasermaterial mit diesem verbunden ist, wobei der Kern (13) einen gekrümmten I-Träger-Querschnitt mit Flanschen (20) und einem Steg (18) umfaßt und in den Flanschen (20) in einer Richtung verlaufende Fasern sowie Lagen (23) aus Material, welche den Steg (18) bilden, aufweist.

2. Externe Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Fixierungsringe (12, 14) einteilige Verbundstrukturen sind, in welchen Kernfasern quer und nicht quer zur Längsachse (12A) des Erzeugnisses verlaufen.

3. Externe Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Hülse (25) aus Fasermaterial, welche den Kern (13) bedeckt, eine geflochtene Hülse ist.

4. Externe Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Hülse (25) aus Fasermaterial, welche den Kern (13) bedeckt, eine geflochtene Hülse ist.

5. Externe Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Lagen (23) aus Material aus Fasern bestehen, wobei die Fasern in der Lage in einem Bereich zwischen etwa ± 45 Grad und ±15 Grad relativ zu einer Tangente an der Längsachse (12A) des Kernes ausgerichtet sind und die Winkel in positiver und negativer Richtung im Gleichgewicht zueinander stehen.

6. Externe Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher das den Kern (13) bedeckende Fasermaterial einen durchgehend geflochten oder gewickelten Faserstrang umfaßt, wobei die Flecht- bzw. Wickelwinkel zwischen etwa ±45 Grad und ±15 Grad relativ zu einer Tangente an der Längsachse (12A) durch den Schwerpunkt des Kernes liegen.

7. Externe Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Fasermaterial aus Karbonfasern und das Kunstharzmaterial aus Epoxidharz besteht.