DE69728444T2

DE69728444T2 - Gelenkprothese

Info

Publication number: DE69728444T2
Application number: DE69728444T
Authority: DE
Inventors: Karel Hamelijnck; Gustaaf Roelandt WOERING
Original assignee: Accis BV
Current assignee: Accis BV
Priority date: 1996-10-04
Filing date: 1997-10-06
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2017-10-07
Also published as: JP4044963B2; US6120545A; EP1009334A1; WO1998014140A1; DE69728444D1; PT1009334E; ES2218701T3; NL1004207C2; EP1009334B1; DK1009334T3; ATE262861T1; AU4474197A; JP2001502941A

Description

Die Erfindung betrifft eine Gelenkprothese, die zwei Metallteile umfasst, welche zueinander beweglich sind, wobei die Metallteile mit einer keramischen Deckschicht beschichtet sind.
Bei bekannten Gelenkprothesen, z. B. Hüftprothesen, ist ein kugelförmiger Kopf mit einem Durchmesser von beispielsweise 28 Millimetern am Oberschenkelknochen befestigt. Dieser Kopf kann beispielsweise aus CrCoMo oder CrCoTi gebildet sein. Die Hüftgelenkpfanne welche am Becken befestigt ist und in welcher der Kopf drehbar gehalten wird, ist aus ultrahochmolekularem Polyethylen gefertigt.
Es ist auch bekannt Oberschenkelköpfe aus keramischen Materialien, wie beispielsweise Aluminiumoxid, zu bilden. Der Nachteil, Polyethylen in der Hüftgelenkpfanne zu benutzen liegt darin dass das Polyethylen durch das Reiben der Oberfläche des Kopfes entlang der Pfanne abgetragen wird. Diese Abtragung kann 100 bis 200 Mikrometer jährlich betragen. Dies führt zu der Entstehung von Polyethylen-Partikeln, die sich in Gewebezellen in der Nähe der Prothese anlagern, was eine Reaktion verursachen kann, die dazu führen kann, dass der Schaft des Oberschenkelkopfes nachgiebt.
Das Problem, das durch die Entstehung der Polyethylen-Partikel als ein Resultat der Abtragung verursacht wird, kann durch den Gebrauch einer Hüftgelenkpfanne und eines Oberschenkelkopfes aus Metall vermieden werden. In diesem Fall können beide, der Kopf und die Pfanne, beispielsweise aus CrCoMo Legierungen gebildet sein. Der Nachteil von Metall-auf-Metall-Prothesen ist, dass während des Gießprozesses Verbindungen mit Kohlenstoff gebildet werden, das heißt die sogenannten Carbide. Im Falle der CrCoMo-Prothese sind dies sogenannte M7C3-Carbide. Die Abmessungen dieser Verbindungen betragen zwischen 20 und 30 Mikrometer. Die Carbide könnten über die Oberfläche des Kopfes und der Pfanne ragen und, nachdem Sie abgetragen wurden, könnten sie in den gemeinsamen Hohlraum zwischen den beweglichen Teilen der Prothese gelangen. Verbesserte Gießmethoden und präzise Oberflächenbehandlungen haben es erlaubt, die Dimensionen der Carbide auf 3–10 Mikrometer zu begrenzen.
Aus der FR-A-2088764 ist eine Hüftprothese gemäß der Einleitung von Anspruch 1 bekannt, welche einen Kopf und eine Hüftgelenkpfanne umfasst, die mit einem abtragungsresistenten Material überzogen sind. Das abtragungsresistente Material kommt mit den Oberflächen bei Überschallgeschwindigkeiten in Kontakt. Kopf und Pfanne können eine CrCoMo-Legierung umfassen, wobei das abtragungsresistente Material ein keramisches Material ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gelenkprothese bereitzustellen, bei der in einer effektiven Art und Weise der Abtragung entgegengearbeitet wird und die mit dem menschlichen Körper kompatibel ist, ohne Reaktionen zu verursachen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gelenkprothese zur Verfügung zu stellen, welche eine lange Nutzlebensdauer hat.
Zu diesem Zweck ist die Gelenkprothese gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen mit einer Verschleißschicht aus keramischem Material bedeckt sind, welche eine Härte aufweist, die größer als die der Carbide ist, wobei die Dicke der Verschleißschicht geringer als 0,5 Mikrometer ist, vorzugsweise nahezu 0,3 Mikrometer. Es hat sich herausgestellt, dass durch Verwendung einer Verschleißschicht aus keramischem Material, die härter als die Carbide ist, diese Carbide durch die Verschleißschicht abgetragen werden können. Da die keramische Schicht relativ dünn ist, sind die Partikel die während des Abtragungsprozesses der Carbide gebildet werden, kleiner als 0,1 Mikrometer. Die Partikel, die durch den Abtragungsprozess gebildet werden und solch eine Dimension haben, können durch die Gelenkflüssigkeit, die zwischen den beweglichen Teilen der Prothese vorhanden ist, abgeführt und über das Lymphgefäßsystem beseitigt werden. Als ein Resultat tragen diese freigegebenen Partikel nicht weiter zur Abtragung der Teile der Prothese bei.
Die Metallteile der Prothese sind vorzugsweise höchstens 0,4 Millimeter voneinander beabstandet, vorzugsweise höchstens 0,2 Millimeter. Dieser geringe Grad an Spiel zwischen den zwei beweglichen Komponenten resultiert in einem geringen Reibungswiderstand und führt zu optimalen Anfangsverschleißerscheinungen der Carbide. Ein vorteilhaftes Material für die keramische Verschleißschicht ist aus TiNbON gebildet, das heißt Titan-, Niob-, Oxid-, Nitrit. Dieses Material ist härter als die in CrCoMo gebildeten M7C3-Carbide, mit einer relativen Härte von 35313 ± 2994 N/mm², verglichen mit einer Carbid-Härte von 17083 ± 776 N/mm² und einer Härte des CrCoMo von 7869 ± 321 N/mm².
In einer Ausführungsform gemäß der Erfindung, umfasst die Gelenkprothese einen Oberschenkelkopf und eine Hüftgelenkpfanne, wobei der Durchmesser des Kopfes mindestens 40 mm ist. Die Benutzung eines relativ großen Durchmessers des Kopfes reduziert den Effekt der Unebenheit auf die Verschleiß- und Reibungseigenschaften und erzeugt eine Kontaktfläche, die so groß ist wie möglich. Infolge einer besseren Verteilung der Belastungskraft findet als ein Resultat minimaler Verschleiß statt.
Eine Ausführungsform einer Hüftprothese gemäß der vorliegenden Erfindung, wird mit Bezug zu der angehängten Zeichnung detaillierter beschrieben, in welcher:
1 eine schematische Seitenansicht eines Oberschenkelkopfes und einer Hüftgelenkpfanne zeigt,
2a und 2b schematisch eine Oberflächenstruktur eines Oberschenkelkopfes und einer Hüftgelenkpfanne ohne TiNbON Überzug zeigten,
3a und 3b die Oberflächenstrukturen des Kopfes mit einer Verschleißschicht oder einen Verschleißüberzug schematisch zeigt, und
4 einen Graphen zeigt, der den Verschleiß von verschiedenen Materialien eines Oberschenkelkopfes und einer Hüftgelenkpfanne darstellt.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Hüftprothese 1, in der Gestalt eines Oberschenkelkopfes 2 und einer Pfanne 4. Der Kopf 2 ist in dem Hüftbein durch einen Schaft 3 verankert. Eine Gelenkhöhle 9, die eine Weite von ungefähr 0,2 Millimeter hat, befindet sich zwischen der Pfanne 4 und dem Kopf 2. Der Kopf 2 gemäß der Erfindung und die Pfanne 4 sind aus einer Metalllegierung, wie beispielsweise CrCoMo, gebildet, das heißt Chrom-Kobalt-Molybdän. Wie in den 2a und 2b gezeigt, ragen Carbide 7, 7' aus beiden Oberflächen des Kopfes 2 und der Fassung 4 hinaus.
Diese Carbide werden während des Gießprozesses gebildet und können sich, wenn der Kopf und die Fassung beansprucht werden, über die Oberfläche bewegen. Die Carbide könnten Verschleiß in dem CrCoMo verursachen, oder wie in 2b gezeigt ausbrechen, was "Drittkörperverschleiß" bewirkt. Gemäß der Erfindung ist eine aus einem keramischem Material gemachte Abtragungs- oder Verschleißschicht 10, 10', wie TiNbON, mit einer größeren Härte als die der Carbide 7, 7', über die Carbide gelegt. Dies ist in den 3a und 3b dargestellt. Wenn sich der Kopf 2 in die Pfanne 4 bewegt, werden die Carbide 7, 7' einer Fläche 4, 2, die aus der Verschleißschicht 10 ragen, sich gegen die andere Fläche abtragen. Da der Abstand d zwischen der Pfanne 4 und dem Kopf 2 relativ klein ist, er beläuft sich auf ungefähr 0,2 Millimeter, bedeutet diese enge Passung, dass die Carbide 7, 7' abgetragen werden. Während der Abtragungsphase haben die keramischen Schichten 10, 10' zuerst einen polierenden Effekt zueinander. An den Stellen wo die TiNbON Schicht 10, 10' komplett abgetragen wurde, bildet sich ein homogenes Substrat. Die Größe der abgetragenen Partikel ist geringer als 0,1 Mikrometer, so dass diese Partikel aus dem Raum zwischen dem Kopf 2 und der Pfanne 4 durch die Gelenkflüssigkeit in der Höhle 9 entfernt werden.
4 zeigt einen Graphen der Abtragung eines Oberschenkelkopfes und einer Hüftgelenkpfanne aus verschiedenen Materialien. Um diese Information zu gewinnen, wurde ein Gelenksimulator benutzt um einen Oberschenkelkopf in eine Hüftgelenkpfanne zu bringen. Der Verschleiß in Mikrometer ist auf der vertikalen Achse angegeben, und die Anzahl der Bewegungszyklen ist auf der horizontalen Achse angegeben, wobei ein Jahr 10⁶ relativen Bewegungen entspricht.
Die Linie a zeigt die Abtragungskurve für einen Oberschenkelkopf aus Metall, mit einem Durchmesser von 22 mm und einer Hüftgelenkpfanne aus ultrahochmolekularem Polyethylen.
Die Linie b zeigt die Kurve für Abtragung zwischen einem keramischen Oberschenkelkopf von 28 mm und einer Hüftgelenkpfanne aus Polyethylen. Die Linie c zeigt die Abtragungskurve zwischen einem Oberschenkelkopf aus CrCoMo mit einem Durchmesser von 37 mm und einer Hüftgelenkpfanne, die ebenfalls aus CrCoMo ist.
Linie d zeigt die Abtragungskurve eines Oberschenkelknochens und einer Hüftgelenkpfanne gemäß der Erfindung aus CrCoMo, überzogen mit einer Abtragungsschicht, die aus TiNbON ist und deren Dicke 0,3 Mikrometer ist. Es geht eindeutig aus 3 hervor, dass die Kombination von Oberschenkelknochen und Hüftgelenkpfanne, welche gemäß der Erfindung mit einer keramischen Abtragungsschicht überzogen sind, das optimale Abtragungsverhalten zeigt.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu einer Gelenkprothese beschrieben wurde, kann die Erfindung bei anderen Prothesen mit zueinander beweglichen Teilen benutzt werden, wie Fingerprothesen, Handgelenkprothesen, Knieprothesen und ähnlichem.

Claims

Gelenkprothese (1), umfassend zwei Metallteile (2, 4), welche in Bezug aufeinander beweglich sind. wobei die Metallteile mit einer keramischen Deckschicht (10, 10') beschichtet sind dadurch gekennzeichnet, dass die Metallteile Carbide (7, 7') an ihrer Oberfläche enthalten und die Oberflächen mit einer Verschleißschicht (10, 10') aus keramischem Material bedeckt sind, welches eine Härte aufweist, die größer als jene der Carbide (7, 7' ) ist, wobei die Dicke der Verschleißschicht geringer als 0,5 Mikrometer ist,
Gelenkprothese (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Verschleißschicht (10, 10') 0,3 Mikrometer ist.
Gelenkprothese (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Metallteile (2, 4) bei einer Entfernung von höchstens 0,4 Millimeter voneinander beabstandet sind,
Gelenkprothese (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Metallteile (2, 4) bei einer Entfernung von 0,2 Millimeter voneinander beabstandet sind.
Gelenkprothese (1) nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschicht (10, 10') TiNbON umfasst.
Gelenkprothese (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallteile (2, 4) CrCoMo umfassen.
Gelenkprothese (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Metallteil (4) eine Hüftgelenkspfanne umfasst und ein zweites Metallteil (2) einen Oberschenkelkopf umfasst.
Gelenkprothese (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Kopfes wenigstens 40 mm ist.