WO2007016795A1 - Vorrichtung für den künstlichen ersatz einer gelenkartikulation in mensch und tier - Google Patents

Vorrichtung für den künstlichen ersatz einer gelenkartikulation in mensch und tier Download PDF

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    • A61F2310/00179—Ceramics or ceramic-like structures

Definitions

  • the present invention relates to a device according to the preamble of claim 1.
  • it relates to applications in hip, knee and shoulder arthroplasty.
  • polyethylene / metal or polyethylene / ceramics that are most commonly used as sliding partners in joint endoprosthetics are currently being used.
  • polyethylene (PE) as ultrahigh-molecular-weight PE (UHMWPE) forms the socket material, while the ball consists of metal or ceramic, mostly Al 2 O 3 or ZrO 2 ceramics.
  • metal-metal and ceramic-ceramic pairings have already been clinically proven, they have better wear and sliding properties than UHMWPE / metal or UHMWPE / ceramic pairings.
  • disadvantageous from a material point of view is the damping behavior, the possibility of destruction of the surface of metal-metal pairings by third particles and, in the case of ceramic-ceramic pairings, additionally the material brittleness, which can lead to the catastrophic breakage of the implant components.
  • the manufacturing costs for these so-called hard-hard pairings are higher than for pairings with UHMWPE.
  • the excellent wear characteristics of metal-to-metal sliding pairings are based on the fact that the cobalt alloys used consist of a metallic matrix and embedded fine hard carbides. When articulating touch virtually only the hard carbides and the softer matrix is thereby spared.
  • This surface structure also has a positive effect on the lubrication of the system in that the matrix, which is slightly recessed relative to the sliding surface carbides, promotes the formation of a lubricating film.
  • the inorganic reinforcement phase has a particle size distribution of the order of micrometers.
  • the disadvantage of these concepts is the risk that individual particles are torn out of the sliding surface as the state of wear progresses, scratch the surface and then lead to a catastrophic wear progress with destruction of the sliding surface.
  • the device according to the invention is designed as a joint endoprosthesis, typically with a concave and a convex sliding surface.
  • the advantage of the invention is that the amplification phase has a great effect of reducing the rate of wear. Nevertheless, the embedded particles - because of their small size in the nanometer scale - even if they are torn out of the sliding surface, they do not damage.
  • the advantage according to the invention exists that certain properties of the polymeric matrix-for example, the fracture toughness-are less impaired by the use of nanoparticles as a reinforcing phase in comparison with particles in the micrometer scale.
  • the tribological properties of the inventive device are comparable to those of metal / metal pairings based on cobalt alloys with embedded carbides.
  • the tribological properties of the inventive device are comparable to those of metal / metal pairings based on cobalt alloys with embedded carbides.
  • Suitable polymer matrix are the proven in vivo long-term stable polymers.
  • Ultra-high molecular weight polyethylene UHMWPE
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PAEK polyaryletherketones
  • these polymers have a high stability in the body milieu, on the other hand, it is also necessary to exclude questionable degradation products in the case of a slight degradation of these materials in the body, which can not be completely ruled out. They also have very good mechanical properties and have proven themselves in various applications as implant materials.
  • Reinforcing phases are inert inert inorganic-non-metallic (ceramic) materials.
  • Ceramic materials based on oxides, nitrides or carbides, in particular of the following types: Al 2 O 3, TiO 2, ZrO 2, SiO 2 , Al 2 SiO, SiC, Si 3 N 4 , BaSO 4 or a mixture thereof, have proven useful for this purpose.
  • these inorganic-non-metallic materials have a high hardness and wear resistance, on the other hand they do not behave completely Excluded case of release of these materials in the body inert. These materials lead to a further improvement of the tribological properties.
  • the embedded in the polymer matrix parts of inorganic non-metallic material act primarily as Abrasionsciosventoren and preferably have a spherical shape, a ball-like or a roundish shape.
  • the lack of sharp edges or tips lessens the surface of the other metallic or ceramic sliding partner.
  • the two sliding surfaces may consist of a metallic or ceramic, but also of an unreinforced polymeric material. Especially in prostheses with high mechanical stress, e.g. In hip and knee joint prostheses, metallic or ceramic materials are particularly well suited.
  • the inorganic-non-metallic material is advantageously at least 90 wt .-% of a plurality of particles having an average diameter of less than 200 nanometers.
  • the particles advantageously have a spherical shape, a spherical or a roundish shape.
  • the size distribution of the individual particles incorporated into the polymer matrix is preferably such that the mean value of the largest diameters of the particles is less than 100 nanometers, preferably less than 60 nanometers. This results in a further improvement of the tribological properties.
  • the size distribution of the individual particles incorporated into the polymer matrix is such that the mean value of the smallest diameters of the particles is above 5 nanometers, preferably above 10 nanometers.
  • the inorganic-non-metallic material is expediently selected from the group of bioinert and / or biocompatible ceramics of high hardness, preferably the oxides, nitrides or carbides, in particular the following types: Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , SiO 2 , Al 2 SiO 5 , SiC, Si 3 N 4 , BaSO 4 or a mixture of these compounds.
  • the particles are homogeneously distributed throughout the polymer matrix.
  • the tribological properties can be further improved.
  • the particles are incorporated only to a depth of 2 mm in the polymer matrix.
  • the particles incorporated in the polymer matrix expediently make up a proportion of between 1 and 25 percent by weight, preferably between 5 and 15 percent by weight, of the composite material. Higher levels of embedded particles can lead to unwanted embrittlement.
  • the particles incorporated in the polymer matrix expediently have a Mohs hardness of greater than 5, preferably greater than 7.
  • At least one of the two sliding surfaces is formed on the associated sliding component as a surface layer, and preferably has a maximum layer thickness of 2 mm.
  • the composite consisted of a polyetheretherketone matrix (PEEK) with 15% by weight finely dispersed nanoparticles of titanium oxide (TiO 2 ) with a size distribution between 40 and 60 nm.
  • PEEK polyetheretherketone matrix
  • TiO 2 titanium oxide
  • This composite material was mixed by known processes of polymer processing, eg by melting the polymer produced with the nanoparticles, extrusion, granulation and processing of the granules by injection molding and processed into a final product, eg an artificial acetabulum.
  • the composite consisted of a polyaryletherketone matrix (PAEK) with 10% by weight finely dispersed embedded nanoparticles of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) with a size distribution between 60 and 90 nm.
  • PEEK polyaryletherketone matrix
  • Al 2 O 3 aluminum oxide
  • This composite material was prepared by known processes of polymer processing, eg by melting of the polymer , Mixing with the nanoparticles, extrusion, granulation and processing of the granules by injection molding and processed into a component for a knee joint prosthesis.
  • the composite consisted of a polytetrafluoroethylene matrix (PTFE) with 5% by weight finely dispersed embedded nanoparticles of zirconium oxide (ZrO ⁇ ) with a size distribution between 80 and 100 nm.
  • PTFE polytetrafluoroethylene matrix
  • ZrO ⁇ zirconium oxide
  • This composite material was mixed by known processes of polymer processing, eg by melting the polymer manufactured using the nanoparticles, extrusion, granulation and processing of the granules by injection molding and processed into a component for a shoulder joint prosthesis.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a hip joint endoprosthesis.
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through a shoulder joint endoprosthesis
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through a knee joint endoprosthesis
  • Fig. 4 is a schematic cross-section through another embodiment of a
  • FIG. 5 shows a schematic cross section through a further embodiment of a
  • FIG. 1 shows the schematic structure of a joint endoprosthesis 1 using the example of a hip prosthesis.
  • the first, anchored in the acetabulum sliding component 2 consists of a material 7 which has been prepared according to one of the above examples 1 or 2. Its concave (hollow spherical) sliding surface 4 is polished smooth.
  • the corresponding to the acetabular component second sliding component 3 is formed as a femoral component, made of metal or ceramic and has a polished convex (spherical) sliding surface 5 of the ball head 6.
  • a shoulder joint endoprosthesis with a joint shell and a ball head having humeral component is shown.
  • the first sliding component 2 is designed as a joint shell with a concave (spherical) first sliding surface 4 and anchored in the scapula 13 according to one of the known surgical techniques, for example by means of bone screws 10 and bone cement.
  • the second sliding component 3 comprises a ball head 6, which has a second, with the first sliding surface 4 articulating sliding surface 5, and a shaft 11 which is inserted into the drilled medullary space in the humerus 12 and fixed there by means of a bone cement in the bone.
  • the trained as a joint shell first sliding component 2 and the ball head 6 here consist both of a material 7 which was prepared according to the above example.
  • the first, concave and the second, convex sliding surface 4, 5 are polished smooth.
  • the shaft 11 of the humeral component is preferably made of a metal and on the ball head 6 attached axially and stable to rotation.
  • FIG. 3 Shown in FIG. 3 is a knee joint endoprosthesis with a femoral component, which has convexly curved sliding surfaces 5, and a tibial component, which has concave sliding surfaces 4.
  • the first sliding component 2 is designed as a tibial component and comprises a plate 17 lying on the resected tibial plateau, on whose surface adjacent to the condyles two concave, first sliding surfaces 4 are arranged as depressions.
  • the second sliding component 3 is designed as a femoral component and comprises two convex second sliding surfaces 5 corresponding to the condyles, which articulate with the first sliding surfaces 4 on the femoral component.
  • the femoral component is anchored according to one of the known surgical techniques, for example by means of two pins 16 cemented in the distal femoral head, while the tibial component is fastened to the proximal tibia by means of bone screws 10.
  • the formed as a plate first sliding component 2 consists of a material 7 which was prepared according to the above example.
  • the first, concave sliding surfaces 4 are polished smooth.
  • the second sliding component 3 is made of metal or ceramic, and the convex second sliding surfaces 5 are also polished.
  • FIG. 4 shows a first sliding component 2 designed as an acetabular component, which consists entirely of a material 7 which has been produced according to one of the examples given above.
  • FIG. 5 shows a first sliding component 2 designed as an acetabular component, which is assembled from an outer spherical shell 8 and an inner shell 9, which has the concave spherical first sliding surface 4.
  • the inner shell 9 is made of a material 7, which was prepared according to one of the above examples, while the outer shell 8 is made for example of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE).
  • UHMWPE ultra-high molecular weight polyethylene

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Abstract

Die Vorrichtung (1) ist für den künstlichen Ersatz einer Gelenkartikulation in Mensch und Tier bestimmt. Sie umfasst eine erste Gleitkomponente (2), welche eine erste Gleitfläche (4) aufweist; und eine zweite Gleitkomponente (3), welche eine mit der ersten Gleitfläche (4) artikulierende zweite Gleitfläche (5) aufweist, so dass die erste und zweite Gleitkomponente (2,3) eine gelenkige Verbindung bilden. Mindestens eine der beiden Gleitflächen (4, 5) besteht aus einem Verbundwerkstoff (7), welcher mindestens einen, in einer polymeren Matrix eingelagerten, anorganisch-nichtmetallischen Werkstoff umfasst, wobei der anorganisch-nichtmetallische Werkstoff eine Vielzahl von Partikeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als 200 Nanometer umfasst.

Description

Vorrichtung für den künstlichen Ersatz einer Gelenkartikulation in Mensch und Tier
Die folgende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere bezieht sie sich auf Anwendungen in der Hüft-, Knie- und Schulter-Endoprothetik.
Die derzeit in der Gelenkendoprothetik am häufigsten als Gleitpartner zum Einsatz kommenden Werkstoffpaarungen sind die Paarungen Polyethylen/Metall bzw. Polyethylen/Keramik. In Hüftgelenkendoprothesen beispielsweise bildet Polyethylen (PE) als ultrahochmolekulares PE (UHMWPE) das Pfannenmaterial, während die Kugel aus Metall oder aus Keramik, meistens AI2O3- oder ZrO2-Keramik besteht.
Metall-Metall- und Keramik-Keramik-Paarungen sind zwar bereits klinisch erprobt und besitzen gegenüber UHMWPE/Metall- bzw. UHMWPE/Keramik-Paarungen bessere Verschleiss- und Gleiteigenschaften. Nachteilig erscheint dagegen aus werkstofftechnischer Sicht das Dämpfungsverhalten, die Möglichkeit der Zerstörung der Oberfläche von Metall-Metall-Paarungen durch Drittpartikel und bei Keramik-Keramik- Paarungen zusätzlich die Materialsprödigkeit, die zum katastrophalen Bruch der Implantatkomponenten führen kann. Im weiteren sind die Herstellkosten für diese sogenannten hart-hart Paarungen höher als für Paarungen mit UHMWPE.
Die vorzüglichen Verschleisseigenschaften von Metall-Metall-Gleitpaarungen beruhen darauf, dass die verwendeten Kobaltlegierungen aus einer metallischen Matrix und eingelagerten feinen harten Karbiden bestehen. Bei der Artikulation berühren sich praktisch nur die harten Karbide und die weichere Matrix wird dabei geschont. Diese Oberflächenstruktur hat auch auf die Schmierung des Systems einen positiven Effekt, indem die gegenüber der Gleitflächenkarbide leicht zurückversetzte Matrix die Bildung eines Schmierfilmes begünstigt.
Die Vorteile von UHMWPE liegen vor allem in der guten Biokompatibilität, in einer hohen Bruch- und Schlagzähigkeit, in den guten Dämpfungseigenschaften, den tiefen Reibkoeffizienten und in der geringe Wasseraufnahme. Allerdings gibt es auch eine Reihe von Argumenten gegen UHMWPE. Die Nachteile von PE bei implantierten Hüftgelenkpfannen werden vor allem in einem zu hohen Verschleiss (lineare Verschleissraten von 0,3 bis 0,5 mm/Jahr werden gemessen) gesehen. Es ist bekannt, dass die Verschleissprodukte des UHMWPE über eine Kaskade von Reaktionen zu einer Resorption des umliegenden Knochens führen können und damit langfristig eine aseptische Prothesenlockerung herbeiführen. Weitere Nachteile müssen in der zu geringen Festigkeit (zu starkes Kriechen unter Druckbelastung, zu weich gegen Verkratzen), in einer zu geringen Steifigkeit, besonders zum Knochen hin und in der schweren Benetzbarkeit gesehen werden. Zudem ist die Alterungsbeständigkeit im Organismus (Oxidation) je nach Behandlung nicht ausreichend und führt zu einer Degradation der mechanischen Eigenschaften.
Um die Vorteile der polymeren Matrix mit der Härte von Keramik zu verbinden, wurden bereits verschiedene Kompositmaterialien als Gleitpartner für harte (Metall- oder Keramik-) Komponenten vorgeschlagen. Die anorganische Verstärkungsphase hat dabei eine Komgrössenverteilung in der Grössenordnung von Mikrometern. Der Nachteil dieser Konzepte ist in dem Risiko zu sehen, dass einzelne Partikel mit fortschreitendem Verschleisszustand aus der Gleitfläche herausgerissen werden, die Oberfläche zerkratzen und dann zu einem katastrophalen Verschleissfortschritt mit Zerstörung der Gleitfläche führen.
Es ist Aufgabe dieser Erfindung, die Nachteile der bisherigen bekannten Lösungen für Gleitpaarungen in der Gelenkendoprothetik zu mindern und einen Gleitpartner zu entwickeln, dessen spezieller Verbundwerkstoff den Verschleiss gegenüber dem Artikulationspartner erniedrigt, und damit einer frühen Prothesenlockerung entgegengewirkt.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung gemäss der Erfindung als Gelenkendoprothese ausgebildet, typischerweise mit einer konkaven und einer konvexen Gleitfläche. Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Verstärkungsphase einen grossen Effekt bei der Verminderung der Verschleissrate besitzt. Trotzdem können die eingelagerten Partikel - durch ihre geringe Grosse im Nanometermassstab - auch wenn sie aus der Gleitfläche herausgerissen werden, diese nicht schädigen. Zusätzlich besteht der erfindungsgemässe Vorteil, dass bestimmte Eigenschaften der polymeren Matrix - beispielsweise die Risszähigkeit - durch die Verwendung von Nanopartikeln als Verstärkungsphase im Vergleich zu Partikeln im Mikrometermassstab weniger beeinträchtigt werden.
Die tribologischen Eigenschaften der erfindungsgemässen Vorrichtung sind vergleichbar mit denjenigen von Metall/Metall-Paarungen auf der Basis von Kobaltlegierungen mit eingelagerten Karbiden. Bei der Artikulation des Verbundwerkstoffs in der erfindungsgemässen Vorrichtung kommen praktisch nur die keramischen Nanopartikel in Berührung mit dem Gleitpartner aus Metall oder Keramik und die polymere Matrix des Komposits wird dabei geschont.
Als Polymermatrix eignen sich die bewährten in vivo langzeitstabilen Polymere. Als für diesen Zweck besonders geeignet haben sich ultrahochmolekuares Polyethylen (UHMWPE), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder ein Polymer aus der Familie der Polyaryletherketone (PAEK), beispielsweise PEEK (Polyetheretherketon) oder PEK oder PEKEKK oder PEKK erwiesen. Diese Polymere besitzen einerseits eine hohe Stabilität im Körpermilieu, andererseits sind auch für den nicht gänzlich auszuschliessenden Fall eines geringfügigen Abbaus dieser Werkstoffe im Körper bedenkliche Abbauprodukte auszuschliessen. Sie weisen ausserdem sehr gute mechanische Eigenschaften auf und haben sich in verschiedenen Anwendungen als Implantatwerkstoffe bewährt.
Als Verstärkungsphasen eigenen sich inerte anorganisch-nichtmetallische (keramische) Werkstoffe. Für diesen Zweck bewährt haben sich vorzugsweise keramische Werkstoffe auf der Basis von Oxiden, Nitriden oder Karbiden, insbesondere der folgenden Typen: AI2O3, TiO2, ZrÜ2, Siθ2, AI2SiOs, SiC, Si3N4, BaSO4 oder einer Mischung dieser. Diese anorganisch-nichtmetallischen Werkstoffe besitzen einerseits eine hohe Härte und Verschleissbeständigkeit, andererseits verhalten sie sich auch im nicht gänzlich auszuschliessenden Fall einer Freigabe dieser Werkstoffe im Körper inert. Diese Werkstoffe führen zu einer weiteren Verbesserung der tribologischen Eigenschaften.
Die in der Polymermatrix eingelagerten Teile aus anorganisch-nichtmetallischem Werkstoff wirken vorrangig als Abrasionspräventoren und weisen vorzugsweise eine Kugelform, eine kugelähnliche oder eine rundliche Form auf. Durch das Fehlen von scharfen Kanten oder Spitzen wird die Oberfläche des anderen, metallischen oder keramischen Gleitpartners weniger beschädigt.
Die beiden Gleitflächen können aus einem metallischen oder keramischen, aber auch aus einem unverstärkten polymeren Werkstoff bestehen. Vor allem bei Prothesen mit hoher mechanischer Belastung, z.B. bei Hüft- und Kniegelenkprothesen eignen sich metallische oder keramische Materialien besonders gut.
Bei einer anderen Ausführungsform können beide Gleitflächen aus dem
Verbundwerkstoff bestehen. Der Vorteil dieser Ausführung ergibt sich vor allem bei Prothesen mit niedriger mechanischer Belastung z.B. für Ellbogen, Schulter oder Fingerprothesen.
Der anorganisch-nichtmetallische Werkstoff besteht vorteilhafterweise zu mindestens 90 Gew.-% aus einer Vielzahl von Partikeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als 200 Nanometer.
Die Partikel besitzen vorteilhafterweise eine Kugelform, eine kugelähnliche oder eine rundliche Form. Die Grössenverteilung der einzelnen, in die Polymermatrix eingelagerten Partikel ist vorzugsweise derart, dass der Mittelwert der grössten Durchmesser der Partikel unterhalb von 100 Nanometem, vorzugsweise unterhalb von 60 Nanometern liegt. Dadurch ergibt sich eine weitere Verbesserung der tribologischen Eigenschaften.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Grössenverteilung der einzelnen, in die Polymermatrix eingelagerten Partikel derart, dass der Mittelwert der kleinsten Durchmesser der Partikel oberhalb von 5 Nanometern, vorzugsweise oberhalb von 10 Nanometern liegt. Der anorganisch-nichtmetallische Werkstoff wird zweckmässigerweise aus der Gruppe der bioinerten und/oder biokompatiblen Keramiken grosser Härte ausgewählt, vorzugsweise den Oxiden, Nitriden oder Karbiden, insbesondere der folgenden Typen: AI2O3, TiO2, ZrO2, SiO2, AI2SiO5, SiC, Si3N4, BaSO4 oder einer Mischung dieser Verbindungen.
Bei einer besonderen Ausführungsform sind die Partikel in der gesamten Polymermatrix homogen verteilt. Damit können - durch die Vermeidung von unerwünschten Partikel- Agglomerationen - die tribologischen Eigenschaften weiter verbessert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Partikel nur bis zu einer Tiefe von 2 mm in der Polymermatrix eingelagert.
Die in die Polymermatrix eingelagerten Partikel machen zweckmässigerweise einen Anteil zwischen 1 und 25 Gewichtsprozent, vorzugsweise zwischen 5 und 15 Gewichtsprozent des Verbundwerkstoffes aus. Höhere Anteile an eingelagerten Partikeln können zu einer unerwünschten Versprödung führen.
Die in die Polymermatrix eingelagerten Partikel weisen zweckmässigerweise eine Mohs-Härte von grösser als 5, vorzugsweise grösser als 7 auf.
Bei einer besonderen Ausführungsform ist mindestens eine der beiden Gleitflächen auf der dazugehörenden Gleitkomponente als Oberflächenschicht ausgebildet, und weist vorzugsweise eine maximalen Schichtdicke von 2 mm auf.
Im folgenden werden einige Beispiele für die Herstellung von Verbundwerkstoffen angeführt, welche sich für die erfindungsgemässen Vorrichtungen eignen.
Beispiel 1 (Hüftgelenkfanne)
90 Gew.-% UHMWPE /Ultrahochmolekulares Polyethylen) wurden mit 10 Gew.-% Nanopartikeln aus Aluminiumoxid (AI2O3) mit einer Grössenverteilung unter 40 nm während 30 Minuten in einer Kugelmühle vermischt. Danach wurde das erhaltene Gemisch bei 18 MPa und 1800C während 15 Minuten vorverpresst und schliesslich während weiteren 15 Minuten bei 26 MPa und 1800C verpresst. Der erhaltene Rohling, in welchem die Nanopartikel feinverteilt in der Polymermatrix eingelagert waren, wurde langsam abgekühlt.
Aus dem Rohling wurden durch Zerspanung Hüftgelenkpfannen hergestellt, welche als Gleitpartner in einer Totalhüftendoprothese eingesetzt wurden.
Beispiel 2 (Hüftgelenkfanne)
Das Komposit bestand aus einer Polyetheretherketon-Matrix (PEEK) mit 15 Gew-% feinverteilt eingelagerten Nanopartikeln aus Titanoxid (TiO2) mit einer Grössenverteilung zwischen 40 und 60 nm. Dieser Kompositwerkstoff wurde durch bekannte Prozesse der Polymerverarbeitung, z.B. durch Aufschmelzung des Polymeren, Vermischen mit den Nanopartikeln, Extrusion, Granulierung und Verarbeitung des Granulats im Spritzgussverfahren hergestellt und zu einem Endprodukt, z.B. einem künstlichen Acetabulum verarbeitet.
Beispiel 3 (Knie-Komponente)
Das Komposit bestand aus einer Polyaryletherketone-Matrix (PAEK) mit 10 Gew-% feinverteilt eingelagerten Nanopartikeln aus Aluminiumoxid (AI2O3) mit einer Grössenverteilung zwischen 60 und 90 nm. Dieser Kompositwerkstoff wurde durch bekannte Prozesse der Polymerverarbeitung, z.B. durch Aufschmelzung des Polymeren, Vermischen mit den Nanopartikeln, Extrusion, Granulierung und Verarbeitung des Granulats im Spritzgussverfahren hergestellt und zu einer Komponente für eine Kniegelenkprothese verarbeitet.
Beispiel 4 (Schulter-Komponente)
Das Komposit bestand aus einer Polytetrafluorethylen-Matrix (PTFE) mit 5 Gew-% feinverteilt eingelagerten Nanopartikeln aus Zirkonoxid (ZrO∑) mit einer Grössenverteilung zwischen 80 und 100 nm. Dieser Kompositwerkstoff wurde durch bekannte Prozesse der Polymerverarbeitung, z.B. durch Aufschmelzung des Polymeren, Vermischen mit den Nanopartikeln, Extrusion, Granulierung und Verarbeitung des Granulats im Spritzgussverfahren hergestellt und zu einer Komponente für eine Schultergelenkprothese verarbeitet. Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der teilweise schematischen Darstellungen mehrerer Ausführungsbeispiele noch näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Hüftgelenk-Endoprothese;
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine Schultergelenk-Endoprothese;
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch eine Kniegelenk-Endoprothese;
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer
Hüftgelenkpfanne; und
Fig. 5 einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer
Hüftgelenkpfanne.
Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Gelenkendoprothese 1 am Beispiel einer Hüftprothese. Die erste, im Acetabulum verankerte Gleitkomponente 2 besteht aus einem Werkstoff 7 der gemäss einem der oben angegebenen Beispiele 1 oder 2 hergestellt worden ist. Ihre konkave (hohlkugelförmige) Gleitfläche 4 ist glatt poliert. Die zur Acetabulumkomponente korrespondierende zweite Gleitkomponente 3 ist als Femurkomponente ausgebildet, aus Metall oder Keramik gefertigt und weist eine polierte konvexe (sphärische) Gleitfläche 5 des Kugelkopfes 6 auf.
In Fig. 2 ist eine Schultergelenk-Endoprothese mit einer Gelenkschale und einer einen Kugelkopf aufweisenden Humeruskomponente dargestellt. Die erste Gleitkomponente 2 ist als Gelenkschale mit einer konkaven (sphärischen) ersten Gleitfläche 4 ausgebildet und gemäss einer der bekannten Operationstechniken beispielsweise mittels Knochenschrauben 10 und Knochenzement in der Scapula 13 verankert. Die zweite Gleitkomponente 3 umfasst einen Kugelkopf 6, welcher eine zweite, mit der ersten Gleitfläche 4 artikulierenden Gleitfläche 5 aufweist, und einen Schaft 11 , welcher in den aufgebohrten Markraum im Humerus 12 eingeführt und dort mittels einem Knochenzement im Knochen befestigt ist. Die als Gelenkschale ausgebildete erste Gleitkomponente 2 und der Kugelkopf 6 bestehen hier beide aus einem Werkstoff 7 der gemäss dem oben angegebenen Beispiel hergestellt wurde. Die erste, konkave und die zweite, konvexe Gleitfläche 4;5 sind glatt poliert. Der Schaft 11 der Humeruskomponente ist vorzugsweise aus einem Metall gefertigt und am Kugelkopf 6 axial und rotationsstabil befestigt.
In Fig. 3 dargestellt ist eine Kniegelenk-Endoprothese mit einer Femurkomponente, welche konvex gekrümmte Gleitflächen 5 aufweist, und einer Tibiakomponente, welche konkave Gleitflächen 4 aufweist. Die erste Gleitkomponente 2 ist als Tibiakomponente ausgebildet und umfasst eine auf dem resektionierten Tibiaplateau aufliegende Platte 17, auf deren den Kondylen benachbarten Oberfläche zwei konkave, erste Gleitflächen 4 als Vertiefungen angeordnet sind. Die zweite Gleitkomponente 3 ist als Femurkomponente ausgebildet und umfasst zwei zu den Kondylen korrespondierende, konvexe zweite Gleitflächen 5, welche mit den ersten Gleitflächen 4 an der Femurkomponente artikulieren. Die Femurkomponente ist gemäss einer der bekannten Operationstechniken, beispielsweise mittels zwei im distalen Femurkopf einzementierter Zapfen 16 verankert, während die Tibiakomponente an der proximalen Tibia mittels Knochenschrauben 10 befestigt ist. Die als Platte ausgebildete erste Gleitkomponente 2 besteht aus einem Werkstoff 7 der gemäss dem oben angegebenen Beispiel hergestellt wurde. Die ersten, konkaven Gleitflächen 4 sind glatt poliert. Die zweite Gleitkomponente 3 ist aus Metall oder Keramik gefertigt und die konvexen, zweiten Gleitflächen 5 sind ebenfalls poliert.
Fig. 4 zeigt eine als Acetabulumkomponente ausgebildete erste Gleitkomponente 2, welche vollständig aus einem Werkstoff 7 besteht, welcher gemäss einem der oben angegebenen Beispiele hergestellt wurde.
In Fig. 5 ist eine als Acetabulumkomponente ausgebildete erste Gleitkomponente 2 dargestellt, welche aus einer äusseren sphärischen Schale 8 und einer inneren, die konkav sphärische erste Gleitfläche 4 aufweisende Schale 9 zusammengefügt ist. Dabei besteht die innere Schale 9 aus einem Werkstoff 7, der gemäss einem der oben angegebenen Beispielen hergestellt wurde, während die äussere Schale 8 beispielsweise aus ultrahochmolekularem Polyethylen (UHMWPE) hergestellt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1 ) für den künstlichen Ersatz einer Gelenkartikulation in Mensch und Tier mit
A) einer ersten Gleitkomponente (2), welche eine erste Gleitfläche (4) aufweist; und
B) einer zweiten Gleitkomponente (3), welche eine mit der ersten Gleitfläche (4) artikulierende zweite Gleitfläche (5) aufweist, so dass
C) die erste und zweite Gleitkomponente (2,3) eine gelenkige Verbindung bilden; dadurch gekennzeichnet, dass
D) mindestens eine der beiden Gleitflächen (4,5) aus einem Verbundwerkstoff (7) besteht, welcher mindestens einen, in einer polymeren Matrix eingelagerten, anorganisch-nichtmetallischen Werkstoff umfasst, wobei
E) der anorganisch-nichtmetallische Werkstoff eine Vielzahl von Partikeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als 200 Nanometer umfasst.
2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Gleitflächen (4,5) aus einem metallischen, keramischen oder unverstärkten polymeren Werkstoff (6) besteht.
3. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass beide Gleitflächen (4,5) aus dem Verbundwerkstoff (7) bestehen.
4. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der anorganisch-nichtmetallische Werkstoff zu mindestens 90 Gew.-% aus einer Vielzahl von Partikeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als 200 Nanometer besteht.
5. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel eine Kugelform, eine kugelähnliche oder eine rundliche Form besitzen.
6. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grössenverteilung der einzelnen, in die Polymermatrix eingelagerten Partikel derart ist, dass der Mittelwert der grössten Durchmesser der Partikel unterhalb von 100 Nanometern, vorzugsweise unterhalb von 60 Nanometem liegt.
7. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Grössenverteilung der einzelnen, in die Polymermatrix eingelagerten Partikel derart ist, dass der Mittelwert der kleinsten Durchmesser der Partikel oberhalb von 5 Nanometern, vorzugsweise oberhalb von 10 Nanometern liegt.
8. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der anorganisch-nichtmetallische Werkstoff aus der Gruppe der bioinerten und/oder biokompatiblen Keramiken grosser Härte ausgewählt ist, vorzugsweise den Oxiden, Nitriden oder Karbiden, insbesondere der folgenden Typen: AI2O3, TΪO2, Zrθ2, SiO2, AbSiOs, SiC, SJ3N4, BaSO4 oder einer Mischung dieser Verbindungen.
9. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel in der gesamten Polymermatrix homogen verteilt sind.
10. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel nur bis zu einer Tiefe von 2 mm in der Polymermatrix eingelagert sind.
11. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Polymermatrix eingelagerten Partikel einen Anteil zwischen 1 und 25 Gewichtsprozent, vorzugsweise zwischen 5 und 15 Gewichtsprozent des Verbundwerkstoffes (7) ausmachen.
12. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die in die Polymermatrix eingelagerten Partikel eine Mohs-Härte von grösser als 5, vorzugsweise grösser als 7 aufweisen.
13. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden Gleitflächen (4;5) auf der dazugehörenden Gleitkomponente (2;3) als Oberflächenschicht ausgebildet ist, vorzugsweise mit einer maximalen Schichtdicke von 2 mm.
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