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DE7436033U - Künstlicher Gelenkersatz

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Publication number: DE7436033U
Application number: DE7436033U
Authority: DE
Original assignee: FELDMUEHLE ANLAGEN und PRODUKTIONSG
Current assignee: FELDMUEHLE ANLAGEN und PRODUKTIONSG
Publication date: 1975-03-20

Description

,"■^! ν-, Anmelder: Feldnrflhle Aniag&n- und Produktsonsgesellschaft

*■ .··_-'·.'■ mit beschränkter Haftung

r·- ■ · 4 Düsseldorf-Oberkassel, Fritz-Vomfelde-Platz 4

Anlage zur Eingabe vom 21.10.1974

Künstlicher Gelenkersatz

Die Neuerung betrifft einen künstlichen Gelenkersatz, insbesondere eine Hüftgelenkprothese mit in den Femur einsetzbaren Scnaft, bei^dem die Gelenkkugel durch einen Zapfen mit den Schaft verbunden ist.

Hüftgelenkprothesen sind in den letzten Jahren in zunehmendem Maße Gegenstand intensiver Forschung geworden, woraus eine Vielzahl von Schutzrechten resultiert. Im wesentlichen handelt es sich bei allen diesen Implantaten um Metall-Kunststoff-Verbindungen, wie sie beispielsweise in der DT-OS 2 220 304 oder der DT-AS 2 059 381 beschrieben werden. Den älteren Vorschlagen liegt dabei die Aufgabe zugrunde, eine Hüftgelenkprothese herzustellen, deren Gelenkkugel fest mit dem Schaft verbunden ist, Jedoch bei Bedarf ohne Schwierigkeit ausgewechselt werden kann. Als Lösung wird vorgeschlagen, die Verbindung zwischen Kugel und Zapfen konisch auszuführen, wobei die Kugel im Normalfall aus einem Kunststoff, vorzugsweise Polyäthylen und der Zapren <aus Metall bestedhen. Obwohl sich durch diese Vorschläge durchaus eine ausgezeichnete Verbindung zwischen Kugel und Zapfen ergibt, die gegebenenfalls noch durch weitere Verriegelung zusätzlich gesichert werden kann, weisen Implantate der vorgenannten Art den entscheidenden Nachteil auf, daß die Kugel nicht den hohen an sie gestellten Anforderungen gerecht wurden kann. Das Material, gleichgültig ob es sich dabei um einen Kunststoff wie Polyäthylen oder um eine Metallegierung handelt, ist unter

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der Belastung durch die Reibung In der Gelenkpfanne einer erheblichen Beanspruchung unterworfen, die zu einem Ab -leb und damit zum Verschleiß führt. D*r Verschleiß let insbesondere dann sehr bedenklich, wenn es sich bei den aufeinander gleitenden Teilen, also bei der Kugel und aer sie umgebenden Kugelpfanne um Metalle handelt, da der dabei auftretende feine Metallstaub toxisch wirkt· Dadurch erf'&jCgffSSne' Lockerung des Gelenkes, so daß htiuflg ein erneuter chirurgischer Eingriff erforderlich wird.

Eine weitere ältere 3chrift, die OT-OS 2 134 316 schifft vor, die aufeinander gleitenden Teile aus gesinterter Tonerde zu fertigen, d.h. also aus einem Material, das nicht nur eine sehr hohe AbriefstlgkeIt besitzt» sondern auoh eine am gezeichnete Körperverträglichkeit. Nachteil dieses Materials ist es jedoch, daß es von Natur aus eine hohe Sprödlgkeit besitzt, weshalb die letztgenannte Offenlegungsschrift auch nicht die Verbindung zwischen Sinterkeramikkugel und netallsohaft mittels eines konischen Zapfens sondern mittels eines Gewindezapfens vorschlägt. Die Gewindeverbindungen geben jedoch einen erheblichen neuen Nachteil, da hler nicht ohne zusätzliche Mittel sichergestellt werden kann, daß sich das Gewinde nicht löst und damit eine Relativbewegung zwischen Kugelkopf und Schaft möglich 1st, die einen kontrollierten Gebrauch der Gliedmaßen verhindert. Der entscheidende Nachteil ist aber, daß durch die Rgativbewegung wiederum Metall abgerieben und damit der geftlrchtete Metallstaub anfällt.

Der vorliegenden Neuerung Hegt damit die Aufgabe zugrunde, eine feste Verbindung zwischen einem Kugelkopf aus Keramik und einem Metallschaft zu schaffen, die durch Im Körper auftretende Kräfte nicht gelöst werden kann, zugleich möglichst einfach in der Montage sein soll, desweiteren ein Sterilisieren der Einzeltteile gestattet und Gewähr dafür bietet, daß zwischen Kugel und Schale praktisch kein Abrieb auftritt.

Gemäß der Neuerung wird diese Aufgabe gelöst durch einen künstlichen Gelenkersatz, insbesondere eine HUftgelenkprothese mit in den Femur einsetzbaren Schaft, bei dem die Gelenkkugel durch einen Zapfen mit dem Schaft verbunden ist, mit der kennzeichnenden Merkmalskombinaticn, daß Schaft und Zapfen als integrales Teil aus einer Metallegierung von 15 bis 30 % Chrom, 2 bis 37 % Nickel, 2 bis 10 % Molybdän, Rest Kobalt bestehen, die Gelenkkugel aus gesinterter Oxidkeramik mit einen Aluminiumgehalt von über 99^7 % und einer Dichte von über 3,90 und einer Korngröße unter 8^ besteht und der Zapfen konisch ausgeführt und in einer entsprechend konisden Bohrung der Gelenkkugel selbsthemmend angeordnet ist.

Durch die Kombination der vorgenannten Merkmale ist es möglich, eine feste Verbindung zwischen der Gelenkkugel und dem Zapfen zu erreichen, ohne daß die Gelenkkugel aus Oxidkeramik auf Grund der auftretenden hohen Belastungen zerspringt. Die eingesetzte Metallegierung ist ein körperverträgliches Material, das gleichzeitig eine gewisse Elastizität - verglichen mit der eingesetzten Oxidkeramik - aufweist, wodurch die gute Verbindung zwischen der konischen Bohrung; der Gelenkkugel und dem konischen Zapfen noch verbessert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Neuerung liegt der Grad der Verjüngung zwischen 1:10 und 1:20. Es ist dabei sehr wesentlich, daß gerade diese Werte eingehalten werden, da von ihnen im wesentlichen die Belastung, die die Sinterkeramikkugel aufzunehmen hat, abhängig ist. Eine Verjüngung von 1:10 bedeutet, daß der Kegelwiukel bei 5° und 45 min. liegt, d.h. daß eins Belastung, die senkrecht zur Kegellängsausdehnung an der Kugel angreift, so aufgeteilt wird, daß sie - infolge der Kellwirkung, die der Zapfen auf die Kugel ausübt - die 20-fache Kraft an der Kegelmantelfläche erzeugt, d.h. daß diese Spreng kraft bei dem normalen Menschen alt dem Durchschnittsgewicht von 73 kg bei Verlagerung seines Gewichtes auf ein Bein, bereits eine Sprengkraft von 1500 kg eneleht.

Die bisherigen Lösungen sahen daher als Kugel ein relativ elastisches Material, also Kunststoff oder auch Metall vor, d.h. daß die Fachwelt der Ansicht war, eine Befestigung von Keramik auf einem konischen Metallbolzen scheidet von vornherein aus, da die dabei auftretenden Sprengkräfte die Festigkeit von Keramik bei weitem überaßigt.

Umso überraschender ist die Tatsache, daß es durch die Kombination eines bestimmten Oxidkeramikteils mit einer bestimmten Metallegierung unter Einhaltung eines bestimmten Kegelwinkels doch gelingt, eine feste Verbindung zwischen Gelenkkugel und Schaft bzw. Zapfen durch eine Kegelverbindung herzustellen. Der Kegelwinkel liegt entsprechend der Verjüngung zwischen 5 Grad 43 Min, und 2 Grad 51 Min.

Ein größerer Kegelwinkel führt dabei zu einer lockeren Verbindung zwischen der Gelenkkugel und dem Zapfen, die dadurch nicht selbsthemmend ist. Ein kleinerer Kegelwinkel, wie er beispielsweise bei einer Verjüngung von 1:50 mit 1 Grad und θ min. auftritt, führt andererseits bei der auftretenden Belastung durch den Körper zu so erheblichen Sprengkräften, daß auch die Festigkeit des speziell ausgewählten hochreinen Aluminiuraoxids überschritten wira. Selbstverständlich bezieht sich die Aussage nicht auf die ruhende Belastung, die unter den gleichen Voraussetzungen wie vorher 7500 kg Sprengkraft ergäben, sondern schließt noch einen erheblichen Sicherheitsfaktor ein, da immerhin damit gerechnet werden muß, daß der Patient nach seiner vollständigen Wiedergenesung sein Hüftgelenk voll belasten können will und somit beispielsweise Sprünge ausführt, die zu erheblichen Belastungen führen können. Um hier die notwendige Sicherheit bieten zu können, wurde in einer Versuchsanordnung eine Prothese einer schwingenden Belastung ausgesetzt, wobei die Belastung auf die Kugel gerichtet war, so daß sich am Kegelmantel die größte Sprengkraft ergab. Als Verfflngnngsverhältnls wurde in diesem Beispiel 1:10 gewählt, d.h. daß ein Kegelwinkel von 5Grad,43 min,30 see.

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angewandt wurde. Damit ergab sich eine 20-fache Sprengkraft, verglichen mit der in Achsrichtung des Konus wirkenden angreifenden Belastung. Bei dieser Ausführung konnte die Belastung bis auf 1,5 t gesteigert werden, ehe eine Zerstörung des Gelenkersatzes auftrat.

Diese enorm hohe Festigkeit der eingesetzten Oxidkeramik bedingt eine analoge Festigkeit der eingesetzten Metallegierungen. Die Metallegierungen werden im allgemeinen als Gußmaterialien eingesetzt, jedoch sieht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Neuerung vor, daß die Legierungen sshmiedbar sind, wobei eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Neuerung vorsieht, daß Schaft und Zapfen aus einer Legierung, von 20 % Chrom, 35 % Nickel, 33 % Kobalt, 10 # Molybdän, 1 $ Eisen und 1 % Titan bestehen. Dadurch, daß es sich hierbei um eine sehmiedbare Legierung handelt, ist gewährleistet, daß das Material eine sehr geringe Bruchempfindlichkeit aufweist, d.h. einen hohen Ε-Modul besitzt.

Die Neuerung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert:

SS* Zeichnung ist die Hüftgelenkprothese ohne die Pfanne dargestellt, in die dfe Gelenkkugel 2 eingreift. Die Gelenkkugel 2 die im Schnitt dargestellt ist, weist eine konische Bohrung 3 auf, in die der Zapfen 4· eingreift. Der Zapfen 4 ist dabei so ausgeführt, daß sein konischer Teil 5 kürzer ist als die konische Bohrung 3 der Gelenkkugel 2, so da£ am Fuß der konischen Bohrung 3 ein Luftraum erhalten bleibt.

Der Zapfen k endet in eir 3m Bund 7, der mit dem Schaft 1 ein integrales Teil bildet. Dar Schaft 1 ist dabei so weit in den Knochen 8 eingetrieben, daß der Bund 7 auf der gegebenenfalls abgefrästen Fl&ehe des Femurschaftes aufliegt. Der zwischen dem Knochen B und dein Schaft 1 verbleibende Raum ist dabei zur besseren Verankerung der Prothese mit einem Kitt 9 ausgefüllt.

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Claims

S chutzansprüehe

1. Künstlicher Gelenkesatz, insbesondere Hüftgelenkprothese mit in den Femur einsetzbaren Schaft bei dem die Gelenkkugel durch einen Zapfen mit dem Schaft verbunden ist, gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale, daß Scksft und Zapfen als integrales Teil aus einer Metalllegierung von 15 bis 30 % Chrom, 2 bis 37 % Nickel, 2 bis 10 56 Molybdän, Restgehalt Kobalt bestehen, die Gelenkkugel aus einer gesinterten Oxidkeramik besteht, die einen Al₂0,-Gehalt von über 99,7 %_t eine Dichte von über 3,90 und eine Korngr&ße von unter 8 um aufweist, der Zapfen koni°ch ausgeführt ist und in einer entsprechend konischen Bohrung der Gelenkkugel selbsthemmend angeordnet ist.

2. Künstlicher Gelenkersatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das VerJUngungsverhältnis des Kor«us zwischen 1:10 und 1:20 liegt.

3. Künstlicher Gelenkersatz nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeihnet, daß der Zapfen aus einer Legierung von 20 % Chrom, 35 % Nickel, 33 % Kobalt, 10 % Molybdän, sowie 1 % Elsen, 1 % Titan besteht.

4. Künstlicher Gelenkersatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Metallegierung schmiedbar ist.