EP1150625A1

EP1150625A1 - Hüftgelenkpfanne mit kopplungselement zwischen pfannengehäuse und pfanneneinsatz

Info

Publication number: EP1150625A1
Application number: EP00901540A
Authority: EP
Inventors: Hans-Georg Pfaff; Robert Rack
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 1999-02-04
Filing date: 2000-01-13
Publication date: 2001-11-07
Also published as: WO2000045749A1; JP2002536062A; AU2290100A; DE19904436A1; TW412418B

Abstract

Bei Hüftgelenkpfannen, die aus einem Pfannengehäuse und einem in das Pfannengehäuse einsetzbaren Pfanneneinsatz aus Keramik bestehen, müssen die Fügeflächen der beiden Komponenten genau bearbeitet werden, weil bei Ungenauigkeiten ungleichmässige Spannungskonzentrationen in den Pfanneneinsätzen auftreten können, die zu einer Herabsetzung der Festigkeit des Bauteils führen. Ausserdem können operationsbedingte Verschmutzungen die Haltbarkeit der Klemmverbindung beeinträchtigen. Aus diesem Grund sind Mittel zur Homogenisierung der Kraftübertragung zwischen dem Pfanneneinsatz aus Keramik und dem Pfannengehäuse aus Metall angeordnet. Bekannt ist eine Schicht aus Kunststoff, insbesondere Polyethylen. Ein Kopplungselement aus Polyethylen hat allerdings den Nachteil, dass es nicht kaltflussbeständig ist. Ausserdem können Relativbewegungen zwischen dem Kopplungselement und dem Pfannengehäuse auftreten, wodurch Abrieb erzeugt werden kann. Erfindungsgemäss wird deshalb ein zwischen dem Pfannengehäuse (2) und dem Pfanneneinsatz (3) der Hüftgelenkpfanne (1) eingesetztes Kopplungselement (5) vorgeschlagen, dessen Elastizität und Dämpfungseigenschaften durch seine Porosität und die Struktur seiner Oberfläche vorgebbar ist.

Description

Hüftgelenkpfanne mit Kopplungselement zwischen Pfannengehäuse und

Pfanneneinsatz

Die Erfindung betrifft eine Huftgelenkpfanne entsprechend dem Oberbegriff des ersten Anspruchs

5 Huftgelenkpfannen sind ein Bestandtteil von Huftgelenk-Endoprothesen, die in der Regel modular aufgebaut sind Die Endoprothesen bestehen beispielsweise aus einem Schaft, der in den Oberschenkelknochen eingesetzt wird, und einer in den Huftknochen implantierten Pfanne Auf den Schaft wird ein Kugelkopf aufgesteckt, der in der Regel in einer aus zwei Teilen aufgebauten Pfanne gelagert wird Die Pfanne

10 besteht aus einem Pfannengehause, dem sogenannten Metal-back, und einem Pfanneneinsatz, dem sogenannten Insert, aus Kunststoff oder Keramik Bei den modular aufgebauten Endoprothesen werden Implantatkomponenten unterschiedlicher Materialien und Großen miteinander verbunden Die Kombination der einzelnen Teile wird in der Regel durch die Gelenkabmessungen vorgegeben

i⁴ Bei Huftgelenkpfannen, die aus einem Pfannengehause und einem in das Pfannengehause einsetzbaren Pfanneneinsatz aus Keramik bestehen, müssen die Fugeflachen der beiden Komponenten genau bearbeitet werden, weil bei Ungenaugigkeiten ungleichmäßige Spannungskonzentrationen in den Pfanneneinsatzen auftreten können, die zu einer Herabsetzung der Festigkeit des 0 Bauteils fuhren Wie aus der DE 43 37 936 A1 bereits bekannt ist, werden aus diesem Grund Mittel zur Homogenisierung der Kraftübertragung zwischen dem Pfanneneinsatz aus Keramik und dem Pfannengehause aus Metall angeordnet Bekannt ist eine Schicht aus Kunststoff, insbesondere Polyethylen Ein Kopplungselement aus Polyethylen hat allerdings den Nachteil, daß es nicht ^ kaltflußbestandig ist Außerdem können Relativbewegungen zwischen dem Kopplungselement und dem Pfannengehause auftreten, wodurch Abrieb erzeugt werden kann Weiterhin ist es nachteilig, daß die Flache im Pfaπnengehause, auf dem der Pfanneneinsatz aus Keramik aufliegt, empfindlich ist gegen operationsbedingter Verschmutzungen, beispielsweise Knochensplitter. Solche Verunreinigungen können die Haltbarkeit des Pfanneneinsatzes im Pfannengehäuse erheblich herabsetzen.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hüftgelenkpfanne, bestehend aus einem Pfannengehäuse aus Metall und einem darin eingesetzten Pfanneneinsatz aus Keramik mit einem dazwischen angeordneten Kopplungseiement vorzustellen, bei dem das Kopplungselement durch kontrollierte Deformierbarkeit einen homogenen Kraftfluß bewirkt und kleine Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche der miteinander verbundenen Komponenten sowie Verunreinigungen zwischen den beiden Komponenten auszugleichen in der Lage ist.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit Hilfe der kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Er indung werden in den Unteransprüchen beansprucht.

Durch eine gezielte Gestaltung der Oberflächenstruktur und des inneren Aufbaus des Kopplungselements, insbesondere seiner Porosität, werden erfindungsgemäß seine Elastizität und Dämpfungseigenschaften und dadurch die Krafteinleitung in die mit ihm gekoppelten Körper vorgegeben. Eine Ausführung poröser Kopplungselemente ist als Wickelkörper herstellbar. Durch eine gezielte Ablage der Fäden auf einem Körper, der zumindest angenähert die Form hat, die das Kopplungselement erhalten soll, ist die Porosität des Wickelkörpers und seine Oberflächenstruktur steuerbar. Die Porosität läßt sich bei zylindrisch oder konisch geformten Wickelkörpern, wie sie beispielsweise auf Spulmaschinen auf Hülsen gewickelt werden können, durch die Einstellung des Kreuzungswinkels, des Abstands der nebeneinander abgelegten Fäden (Fadenhub) sowie der Fadenspannung während des Wickelvorgangs vorgeben.

Statt eines Wickelkörpers kann das Kopplungselement auch eine gewebeartige Struktur aufweisen. Durch die Webart, d. h. der Abstand der Fäden zueinander und ihre Verflechtung, kann die Porosität und die Oberflächenbeschaffenheit, die Rauhigkeit, beeinflußt werden. Auch der Aufbau eines Kopplungselements aus mehreren Gewebelagen gibt die Möglichkeit, auf die Porosität und damit auf seine Deformierbarkeit Einfluß zu nehmen.

Die Oberflächenstruktrur wird bei den Wickelkörpern und bei den Geweben im wesentlichen durch den Fadendurchmesser, die Fadenform - flach, rund oder gezwirnt, sowie die Ablage bzw. Verflechtung der Fäden bestimmt. Dadurch, daß die Fäden sowohl beim Wickelkörper als auch bei einer gewebeartigen Struktur mit variablen Abständen zueinander verarbeitet werden können, entstehen in den Kreuzungspunkten der Fäden Erhebungen auf der Oberfläche der Wickelkörper bzw. des Gewebes, während aufgrund der Abstände zwischen den Fäden die Poren entstehen. An der Oberfläche beeinflussen deshalb die Kreuzungspunkte und die Abstände der Fäden die Struktur, die Rauhigkeit, des Kopplungselements.

Obwohl das Kopplungselement zwischen Pfannengehäuse und Keramikeinsatz im wesentlichen von dem Knochen und dem Körpergewebe abgeschirmt ist, besteht aufgrund der Körperflüssigkeit doch die Möglichkeit einer Interaktion zwischen dem Werkstoff des Kopplungselements und dem Körpergewebe. Aus diesem Grund sind die Fäden der Wickelkörper beziehungsweise der Gewebe aus einem biokompatiblen Werkstoff hergestellt. Als Werkstoffe eigenen sich alle in der Prothetik bereits als biokompatibel erachteten Werkstoffe. Die Fäden können deshalb beispielsweise aus Metall oder einer Metalllegierung wie beispielsweise Chrom, Wolfram-Chrom, Kobalt- Chrom, und Titan sein. Als besonders wirkungsvoll! haben sich Fäden aus Kohlenstoff erwiesen, die eine besonders hohe Zugfestigkeit aufweisen und außerdem aus einem Element bestehen, das im Körper selbst vorhanden ist. Insbesondere durch Fäden aus Kohlenstoff ist es möglich ein Kopplungselement so zu gestalten, daß es sich bei einer Belastung nicht in Richtung seiner Flächenausdehnung verformt.

Um die Herstellung eines Kopplungselements in der entsprechend gewünschten Form zu erleichtern ist es von Vorteil, wenn die Fäden bzw. die Fadenlagen durch ein Fixiermittel in ihrer Lage fixiert sind. Als Fixiermittel können beispiesweise Epoxidharze eingesetzt werden. Auch hier gilt, daß das Fixiermittel aus einem bioinerten bzw. biokompatiblen Werkstoff bestehen muß.

In einer weiteren Ausführungsform können neben Wickelkörpern und Geweben auch Kopplungselemente als Sinterkörper oder Schwammkörper hergestellt werden. Beispielsweise lassen sich aus Kugeln oder Körnern eines biokompatiblen Werkstoffs, insbesondere aus den bekannten, oben bereits aufgeführten biokompatiblen Metallen, Kopplungselemente in jeder gewünschten Form sintern, wobei durch die Kugelgröße oder Korngröße gleichzeitig die Porengröße innerhalb des Sinterkörpers sowie seine Oberflächenstruktur bestimmt. Bei Schwammkörpern, die beispielsweise durch Begasung von Metallschmelzen hergestellt werden können, kann durch entsprechende Zufuhr des Begasungsmittels der Porengehalt und die Porengröße beeinflußt werden.

Das Kopplungselement für eine Hüftgelenkpfanne kann, je nach zu erwartender Belastung und Größe der Endoprothese, eine Dicke bis zu 6 mm aufweisen. Sein Porenanteil kann, auf die gewünschte Elastizität und Dämpfung abgestimmt, auf einen Anteil zwischen 20 % und 90 % eingestellt werden, wobei ein Porenanteil von etwa 40 % als optimal angesehen wird. Je höher der Porenanteil ist, desto elastischer verhält sich das Kopplungselement.

Die Rauhigkeit der Oberfläche des Kopplungselements übt ebenfalls Einfluß auf die Elastizität und Dämpfung aus. Mit höherer Oberflächenrauhigkeit nimmt die Deformierbarkeit der Oberfläche zu und dadurch bedingt steigen die Elastizität des Kopplungselements und seine Dämpfungseigenschaften. Die Oberflächenrauhigkeit wird ebenfalls der Endoprothese angepaßt und kann bei einer Rauhtiefe Ra zwischen 2 μm und 300 μm liegen. Als vorteilhaft hat sich eine Rauhtiefe von etwa Ra = 60 μm erwiesen.

Die Oberflächenstruktur, d. h. die Rauhtiefe, wird, wie zuvor dargelegt, durch die Wickelverfahren oder die Webverfahren bzw. die Sintertechnik oder die Porenerzeugung beeinflußt. Insbesondere bei den aus metallischen Werkstoffen gesinterten Kopplungselementen und den Schwammkörpern kann durch eine anschließende Bearbeitung der Oberfläche, beispielsweise durch Schleifen, Sandstrahlen oder Überdrehen, die Struktur und damit die Rauhigkeit weiterhin gezielt beeinflußt werden.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine erfindungsgemäße Hüftgelenkpfanne, bestehend aus einem Pfannengehäuse und einem in das Pfannengehäuse eingesetzten Pfanneneinsatz aus Keramik und zwischen dem Pfannengehäuse und dem

Pfanneneinsatz ein Kopplungselement, geschnitten,

Figur 2 einen segmentförmigen Ausschnitt aus einem Kopplungselement, das aus einem Wickelkörper geformt ist,

Figur 3 einen Ausschnitt aus einem Kopplungselement, das eine gewebeartige Struktur aufweist,

Figur 4 einen segmentförmigen Ausschnitt aus einem Kopplungselement, das ein poröser Sinterkörper ist, und

Figur 5 einen segmentförmigen Ausschnitt aus einem Kopplungselement, das ein Schwammkörper ist.

In Figur 1 ist mit 1 eine erfindungsgemäße Hüftgelenkpfanne bezeichnet. Das Pfannengehäuse 2, das Metal-back, besteht aus einem biokompatiblen Metall. Der Pfanneneinsatz 3 ist die keramische Lagerschale mit einer halbkugelförmigen Ausnehmung 4 zur Aufnahme des hier nicht dargestellten Gelenkpartners, den Kugelkopf der Femurkopf-Prothese. Mit 5 ist das Kopplungselement bezeichnet. Der Pfanneneinsatz 3 ist mittels des bekannten Klemmsitzes in das Pfannengehäuse 2 eingesetzt. Das Kopplungselement 5 hat, je nach Größe der Hüftgelenkpfanne und ihres vorgesehenen Einsatzes, eine Dicke von etwa 1 mm bis 6 mm.

In der Figur 2 ist ein Viertelsegment eines Kopplungselements 6 dargestellt, das aus einem Wickelkörper geformt wurde. Deutlich zu sehen sind fünf übereinanderliegende Fadenlagen 7a bis 7e. Die einzelnen Fäden 8 sind nebeneinander abgelegt. Wie aus der Darstellung ersichtlich, bestimmen ihr Durchmesser 9 sowie ihr Abstand 10 voneinander die Abmessungen der Poren 11. Gleichzeitig ist ersichtlich, daß der Durchmesser 9 der Fäden 8 auf der Oberfläche 12 im wesentlichen die Rauhigkeit 13 bestimmt. Weiterhin nehmen der Durchmesser und die Tiefe der Poren 11 , die mit der Oberfläche 12 in Verbindung stehen und damit offen sind, Einfluß auf die Rauhigkeit 13 der Oberfläche 12. Wie aus der Figur 2 weiterhin ersichtlich ist, sind die Fäden in ihrer Lage mittels eines Fixiermittels 14, beispielsweise mittels eines Epoxidharzes, fixiert.

Figur 3 zeigt die Struktur eines Kopplungselements 15, das aus zwei Gewebeschichten A und B aufgebaut ist. Auch hier ist deutlich zu sehen, daß der Durchmesser 16 der Fäden 17 sowie ihr Abstand 18 voneinander innerhalb der jeweiligen Gewebelage A oder B sowie zwischen den einzelnen Gewebelagen A und B die Größe der Poren 19 sowie die Struktur der Oberfläche 20 und damit die Rauhigkeit 21 beeinflussen.

In Figur 4 ist das Segment eines Sinterkörpers als Kopplungselement 22 dargestellt. Der Sinterkörper 22 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus zusammengesinterten Kugeln 23 eines biokompatiblen Metalls. Der Durchmesser 24 der Kugeln 23 bestimmt die Abmessungen der Poren 25 sowie die Oberflächenstruktur der Oberfläche 26 und damit ihre Rauhigkeit 27. In Figur 5 ist mit 28 das Segment eines Kopplungselements bezeichnet, das ein Schwammkörper ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiels wird die Struktur des Kopplungselements 28, im Gegensatz zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel, durch die Größe der Poren 29 bestimmt, die in das biokompatible Metall 30 eingebracht werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Poren unregelmäßig geformt und teilweise zusammenhängend und bilden somit eine Schwammstruktur. Die Poren können in dem Metall durch Begasung oder durch sogenannte Platzhalter während des Sinterprozesses erzeugt werden. Platzhalter sind Stoffe in Form und Größe der Poren, die beim Sintern rückstandslos verbrennen. Das Metall 30 wird durch die Poren 29 strukturiert. Auf der Oberfläche 31 wird durch die Abmessungen der Poren 29 die Rauhigkeit 32 beeinflußt. Je kleiner die Poren 29, desto geringer die Rauhigkeit 32.

Claims

Patentansprüche

1. Hüftgelenkpfanne mit einem in das Knochengewebe des Hüftknochens einsetzbaren Pfannengehäuse und einem in das Pfannengehäuse eingesetzten Pfanneneinsatz aus Keramik, wobei zwischen dem Pfannengehäuse und dem Pfanneneinsatz ein Kopplungselement zur Homogenisierung der

Kraftübertragung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastizität und Dämpfungseigenschaften des Kopplungselements (5, 6, 15, 22, 28) durch seine Porosität (11 , 19, 25, 29) und die Struktur (13, 21 , 27, 32) seiner Oberfläche (12, 20, 26, 31 ) vorgebbar ist.

2. Hüftgelenkpfanne nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungselement (6) ein Wickelkörper ist, der aus Fäden (8) eines biokompatiblen Werkstoffs besteht.

3. Hüftgelenkpfanne nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungselement (15) eine gewebeartige Struktur (A, B) aufweist, die aus Fäden (17) aus einem biokompatiblen Werkstoff hergestellt ist.

4. Hüftgelenkpfanne nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (8, 17) Metallfäden sind.

5. Hüftgelenkpfanne nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (8, 17) aus Kohlenstoff sind.

6. Hüftgelenkpfanne nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (6) bzw. Fadenlagen durch ein Fixiermittel (14) in ihrer Lage fixiert sind.

7. Hüftgelenkpfanne nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungselement (22) ein poröser Sinterkörper ist, der aus einem biokompatiblen Metall oder einer biokompatiblen Metalllegierung besteht.

8. Hüftgelenkpfanne nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das 5 Kopplungselement (28) ein Schwammkörper ist, der aus einem biokompatiblen

Metall oder einer biokompatiblen Metalllegierung (30) besteht.

9. Hüftgelenkpfanne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Poren (11 , 19, 25, 29) des Kopplungselements (5, 6, 15, 22, 28) zwischen 20 % und 90 % beträgt.

10 10. Hüftgelenkpfanne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Poren (11 , 19, 25, 29) etwa 40 % beträgt.

11. Hüftgelenkpfanne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauhigkeit (13, 21 , 27, 32) der Oberfläche (12, 20, 26, 31 ) eine Rauhtiefe Ra von etwa 2 μm bis 300 μm aufweist.

15 12. Hüftgelenkpfanne nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Rauhtiefe Ra etwa 60 μm beträgt.