DE2708704A1

DE2708704A1 - Platte zur knochenvereinigung

Info

Publication number: DE2708704A1
Application number: DE19772708704
Authority: DE
Inventors: Jean-Paul Prof Meyrueis
Original assignee: MEYRUEIS JEAN PAUL PROF
Current assignee: MEYRUEIS JEAN PAUL PROF
Priority date: 1976-03-04
Filing date: 1977-03-01
Publication date: 1977-09-08
Also published as: FR2342711A1; GB1536070A; FR2342711B1

Description

Düsseldorf, den 28. 2. 1977

PL/Ja i. Reg.-Nr. 3096

Prof. Jean-Paul Meyrueis

Le Mole, 19 Boulevard Frederic Mistral 83000 Toulon, FRANKREICH

Platte zur Knochenvereinigung

Die Erfindung betrifft eine Platte zur Knochenbehandlung bzw. -vereinigung, die mit dem Knochen in Berührung kommt, und die zur chirurgischen Behandlung von Brüchen sowie zum Einsatz bei Osteotomien und anderen Heilbehandlungen im Knochenbereich gedacht ist.

Die heutige Knochenvereinigung erfolgt meistens mit Hilfe geschraubter Metallplatten, welche die Knochenbruchteile zusammenziehen und -halten. Ein Teil der normalerweise vom gesunden Knochen aufgenommenen Belastungen wird also über die Schrauben auf die Platte

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übertragen. Es ergibt sich ein komplexes System von Beanspruchungen, an dem die Platte, die Knochenbruchstücke und die Schrauben beteiligt sind. Die Nachteile des herkömmlichen Verfahrens zur Knochenbehandlung bzw. -vereinigung sind zahlreich unc auf die verschiedensten Ursachen zurückzuführen.

Die Verankerung im Knochen erfolgt durch Schrauben, die je nach Lage des Bruchs entweder in den spongiösen Knochen oder in die härtere Knochenrinde eingetrieben werden. Die Verbindung zwischen den Schrauben und insbesondere dem spongiösen Knochen vermag nur schlecht die Querbeanspruchungen und Mikrobewegungen aufzunehmen. Handelt es sich um einen komplizierten Bruch mit Substanzverlust, besonders im Schenkelknochenbereich, so gehen alle Beanspruchungen in die Platte. Die den Schrauben beaufschlagten Beanspruchungen sind also beträchtlich, was zu einer progressiven Nekrose des mit den Schraubengewinden in Berührung stehenden Knochens führt. Die Verankerung in den Knochenteilen wird rapide verschlechtert. Ab da ist der Halt der Knochenbruchstücke nicht mehr sicher gewährleistet, so dass der Bruch nur schlecht oder überhaupt nicht zusammenwächst.

Durch fehlende Konsolidierung bedingt geht die Entwicklung immer weiter in Richtung auf eine-η Plattenbruch oder ein Losreissen der Schrauben.

Es wurde bereits versucht, den Bruch der Platten durch Vergrösserung der Dicke bzw. der Festigkeit derselben zu verhindern. In diesem Falle werden höhere Beanspruchungen auf die Schrauben übertragen, die sich lösen oder zu Bruch gehen. Dies passiert besonders bei mehrfachen Brüchen mit innerem Substanzverlust im Schenkelknochenbereich.

r· Π

Die Schrauben wirken nicht mrhr ev.f 7ug, um die Platte gegen den Knochen zur Anlage zu bringen, wie dies ursprünglich bei ihrer Auslegung vorgesehen war, sondern selbst bei starkem Festziehen in Querrichtung, was andererseits den Nachteil mit sich bringt, daß der Knochen durch Oberdruck abstirbt.

Der Reibungskoeffizient zwischen der Knochenrinde und den zur Zeit bei den Platten üblichen Metallen wie rostfreier Austenitstahl, Superlegierungen auf Kobalt-Chrombasis oder Titanlegierungen ist sehr gering und liegt im allgemeinen zwischen 0.0 5 und 0.10. Gegebenenfalls sind auch andere Ansprüche mit passenden mechanischen und chemischen Eigenschaften anwendbar, wie keramische und metallkeramische Werkstoffe sowie Fasermaterial in Kunststoff- oder Metallmatrix.

Die Platte, welche nicht am Knochen haftet, hält also lediglich den gleichen Abstand zwischen den Schrauben, die ihrerseits auf Scherung beansprucht werden. Selbst in solchen Fällen, wo Platte, Schrauben und Knochen halten, bedingt die geringe Reibung zwischen dem nichtrostenden Metall und dem Knochen Mikrobewegungen in dem Masse, als die Schrauben nicht mehr fest in der Platte sitzen. Wird das System Schrauben-Platte auf Zug, Drehung oder Biegung beansprucht, so konzentriert sich die Kraft auf eine oder zwei Schrauben (einige Quadratmillimeter).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nahteile auszuschalten, indem die Beanspruchungen von der Schraube auf die Platte übertragen werden. Auf diese Weise wird ein großer Teil der Beanspruchungen direkt auf die Knochenbruchstücke beaufschlagt. Es kann sich sowohl um eine Stiftplatte als auch um eine Plättchenplatte und mithin um eine bekannte Verbindung von Platte mit einem Stift oder von Platte mit einem oder mehreren Plättchen handeln, welche Verbindungen Knochenvereinigungen bei verschiedenen Brüchen ermöglichen. Die Platte ist stets auf den Knochen aufgeschraubt. In die nachfolgend alleine benannte Platte sind die Stiftplatte und die Plättchenplatte, deren Elemente befestigt sind, einbezogen, wobei der Stift zum Beispiel in die Markhöhle eines Schenkelknochenkopfes eingesetzt sind kann und die Plättchen mittig verstärkte Verlängerungen der Platte sein können, die sich an eine besondere Knochenform anpassen.

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— JC —

Die Erfindung betrifft also eine Platte zur Knochenbehandlung für die chirurgische Versorgung von Brüchen und Osteotomien in Verbindung mit Schrauben,

zu deren Befestigung im

Knochen, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte eine rauhe Khochenkontaktoberfläche aufweist, wobei die Aufrauhung den Reibungskoeffizienten zwischen Platte und Knochen erhöhen soll dergestalt, dass eine bessere Verankerung der Platte erzielt wird, ohne dass deren spätere Entfernung eine Behinderung erfährt. Die Aufrauhungen haben gegenüber den Poren eines porösen Metalls keine haltende Wirkung und es kann das Wachstum des Knochens in diese Aufrauhungen hinein das spätere Entfernen der Platte nicht erschweren. Die Erfindung erstreckt sich auf die Behandlung aller Khochenarten.

Die vorgeschlagene Vorrichtung verringert die von den Schrauben aufzunehmenden Beanspruchungen, wie dies an anderer Stelle noch zu zeigen sein wird.

Sie ermöglicht den Einsatz dicker und steifer Platten mit einem viel geringeren Risiko, dass sich die Schrauben lösen können.

Das Wirkprinzip des aus Platte-Schrauben-Knochen gebildeten Gesamtsystems ist wie folgt: die Beanspruchungen gehen normalerweise in den Knochen. In der Bruchebene gehen sie je nach Art des Bruchs ganz oder teilweise in das System Platte-Schrauben ein.

Es seien nunmehr mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung die beiden möglichen Fälle einer Verbindung zwischen dem Knochen und dem System Platte-Schrauben näher betrachtet.

7 C¹ 9 8 3 6 / 0 8 3 6

In der Zeichnung bedeutet:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der auf einem gebrochenen Knochen befestigten erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine entsprechende Perspektivansicht; Fig. 3 eine teilweise im Schnitt und im größeren Maßstab gezeichnete Seitenansicht einer herkömmlichen Vorrichtung;

Fig. 4 eine teilweise im Längsschnitt und im grösseren Maßstab gezeichnete Schemaansicht, aus welcher die Auswirkung einer Scherbeanspruchung erkennbar ist; Fig. 5 eine Ansicht der anmeldungsgemäßen Platte im größeren Maßstab gezeichnet; und

Fig. 6 eine Perspektivansicht der gleichen Platte, jedoch gedreht.

Im ersten Falle ist das System Platte-Schrauben im Knochen befestigt und wird jede Bewegung zwischen diesem System und dem Knochen verhindert (Fig. 1). Bedingt durch den Druck der Schrauben H und den Reibungskoeffizienten zwischen Knochen und Platte ist die Platte 3 relativ zum Knochen an den beiden Seiten 1 und 2 der Bruchstelle fixiert. Nehmen wir das Beispiel einer für einen Schenkelknochen verwendeten mittleren Platte aus Super Kobalt-Chrom-Legierung in den Abmessungen 135 χ 16 χ 5.5 mm, die von acht Schrauben von U mm Durchmesser und 15 mm Länge gehalten wird: die Platte ist unter Berücksichtigung der acht Befestigungslöcher auf einer Fläche von 2.060 mm² mit dem Knochen in Kontakt. Durch sorgfältige Anordnung soll die Platte auf Zug wirken.

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r 8'

Der Querschnitt 5 des beteiligten Metalls ist gleich dem Querschnitt der Platte, nämlich 88 mm (Fig. 2). Bei einer Streckgrenze von 45 kg/mm hält er eine Zugbeanspruchung von 3.960 kg aus. Ist die Platte relativ zum Knochen fixiert, so wirkt in der dargelegten Weise allein der Plattenquerschnitt. Die Schrauben 4 dienen lediglich der Anpressung der Platte an den Knochen, und zwar auf Zug wirkend. Jede

2 Schraube besitzt einen Querschnitt von 12.5 mm und kann deshalb, sofern sie aus dem gleichen Werkstoff wie vorstehend im Beispiel angegeben hergestellt ist, eine Zugbelastung von 565 kg aufnehmen; somit halten die acht Schrauben 4.520 kg aus. In der Tat sind dieser Querschnitt und die hieraus resultierende Festigkeit mehr als ausreichend, um jedes Bruchversagen der Schrauben auszuschliessen. Auch wird der Knochen durch die Schraubengewinde 6 wie aus Fig. 2 ersichtlich nicht mehr anormal beansprucht, denn es ist die Schraubenkraft nicht sehr gross, weil sie lediglich zum Anpressen der Platte herangezogen wird. Der Knochen wird infolgedessen von den Schrauben weder lysiert noch abgetötet. Die Übertragung der Beanspruchungen vom Knochen auf die Platte erfolgt über die gesamte Kontaktfläche zwischen Knochen und Platte. Selbst unter Biegungs - und Verdrehungsbeanspruchungen haben die Schrauben nur eine geringe Belastung aufzunehmen, wie diese beispielsweise infolge der Verbindung zwischen Knochen und Schraubengewinden zu verzeichnen ist. Auf diese Weise ist bei den Schrauben keinerlei Tendenz des Loslösens oder Bewegens mehr gegeben. Die Zuverlässigkeit der Knochenbehandlung bzw. -vereinigung ist nur noch von der Festigkeit der Platte abhängig.

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Im zweiten Fall wird die gleiche Platte mit 135 χ 16 χ 5,5 mm von den gleichen acht Schrauben mit 4 mm Durchmesser und 15 mm Länge gehalten; jedoch ist die Platte glatt und gleitet auf dem Knochen. Die Beanspruchungen gehen durch die Knochenbruchstücke 1 und 2 über die Schrauben in die Platte, nicht jedoch über die Plattenoberfläche, d.h. über eine Oberfläche von 4 χ 15 χ 8 = 480 mm² , nämlich dem Querschnitt von acht Schrauben in achsialer Richtung. Da wo die Schrauben in Richtung 7 auf ihren Kopf seitlich belastet sind, wirkt der Reaktionsdruck in Richtung 8 hauptsächlich auf den oberen Teil der Schrauben und insbesondere auf die Knochenrinde 13, also auf etwa ein Drittel des gesamten Querschnittes entsprechend 160 mm² ein (denn das spongiöse Knochengewebe 14 besitzt wenig Widerstandskraft) gegenüber im ersten Fall auf 2060 mm². Knochen und Schrauben werden im umgekehrten Verhältnis der betreffenden Querschnitte beansprucht. Man kann also praktisch darauf warten, daß die Schrauben zu Bruch gehen oder sich lösen. Dies ist umso stärker, je ungleicher die Querbeanspruchung über alle Schrauben hinweg wie bei einer Zugbelastung sein kann, weil die Platte keine Verformung auf Druck oder Biegung erfährt und somit in dieser Richtung absolut starr ist. Mit anderen Worten: es konzentriert sich die gesamte Belastung auf eine einzige Schraube.

Die Platte ist relativ zum Knochen nicht fixiert. Die vom Knochen übertragenen Beanspruchungen gehen nicht über die gesamte Berührungsfläche und sind nicht gezwungen, sich in den geraden Querschnitt der Platte in der Ebene der Knochenbruchstelle hinein zu konzentrieren. Die Übertragung der Beanspruchungen erfolgt über die acht Schrauben. Die Platte wird unterschiedlich beansprucht und es ist die in Anspruch genommene Fläche nicht, mehr der gesamte Querschnitt 5, sondern der halbe Querschnitt 9 im Bereich einer Schraube. Der Querschnitt wird also von 88 mm² auf 30 mm² und die aufnehmbare Zugbelastung von 3.960 auf 1.350 kg gebracht.

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'/10'

Jede im Erstfall eingesetzte Schraube kann bei einem

ρ
Querschnitt von 12.5 mm 565 kg aufnehmen. Unter Scherbeanspruchung (Fig. 4) wird ein Teil der Schraube in den Knochen eingedrückt. Der o>ere Teil ist einer Schubwirkung durch die Platte ausgesetzt. Zur Wirkung gelangt also ein Querschnitt von IO auf 4 mm Breite mal einer Höhe, welche dem Abstand Knochen-Platte, der gering sein kann, entspricht. Es ergibt sich also ein sehr geringer Querschnitt und es ist dementsprechend die Scherfestigkeit der Schraube sehr viel geringer als die Zugfestigkeit.

Es zeigt sich somit, dass nur im ersten Fall eine normale Sicherheit gegeben ist und dass im zweiten Fall Knochen, Schrauben und Platte extrem beansprucht werden. Die bis jetzt gebräuchlichen Systeme der Knochenvereinigung entsprechen dem zweiten Fall.

Die Halterung der Platte im ersten Falle wird wie folgt bewirkt:

Die Platte, welche einer in irgendeiner Richtung, jedoch nicht senkrecht zu ihrer grössten Fläche wirkenden Kraft ausgesetzt ist, wirkt in der Längskomponente der Kraft einem Widerstand entgegen gleich dem Anpressdruck der Schrauben multipliziert mit der Kontaktfläche und dem Reibungskoeffizienten zwischen Knochen und Platte.

Beträgt der Reibungskoeffizient einer gegen die Knochenrinde gerichteten polierten metallischen Platte 0.05 und die von jeder Schraube beaufschlagte Kraft 10 kg, so kann eine längsgerichtete Kraft von 5 kg die Platte zum Gleiten bringen bzw. verschieben. Liegt demgegenüber der Reibungskoeffizient einer oberflächenrauhen Platte bei 0.5, so bedarf es unter sonst gleichen Bedingungen einer Belastung

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von 50 kg, um die gleiche Wirkung zu erzielen. Hieraus erhellt, daß nur eine oberflächenrauhe Platte in dem vorstehend erläuterten ersten Falle normal wirkt und somit absolute Sicherheit und Zuverlässigkeit gewährleistet, und zwar aus folgenden Gründen:

- sie verringert in einem beträchtlichen Masse die Zahl der zerbrochenen, losgerissenen oder losgedrehten Schrauben;

- sie erhöht die Steifheit der Anordnung und unterdrückt die Mikrobewegungen, sofern sie eine ausreichende Starrheit besitzt;

- sie ermöglicht eine Vergrösserung ihrer Dicke ohne Gefahr für die Schrauben und darüberhinaus den Einsatz neuartiger Legierungen, deren Verwendung undenkbar wäre, wenn die Schrauben diejenigen Belastungen aufnehmen müssten, wie sie gegebenenfalls anfallen;

- sie reduziert auf diese Weise die Zahl der Pseudarthrosen und Verzögerungen in der Knochenverfestigung.

Erfindungsgemäß wird eine Modifizierung des Reibungskoeffizienten Platte-Knochen entsprechend vorgeschlagen, wobei es sich im übrigen um Platten gleich welcher Form für die Knochenvereinigung bzw. für die Behandlung von Osteotomien handelt.

Die Platte haftet am Knochen umso besser, je fester sie angezogen ist. Das Verhältnis zwischen der Seitenverschiebungsfestigkeit und dem Schraubendruck ist entscheidend verbessert.

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Die Vergrößerung des Reibungskoeffizienten ergibt sich aus der Verstärkung der Rauhigkeit der Fläche Ϊ1 der mit dem Knochen in Berührung stehenden Pä:te - siehe Fig. 5 und Fig. 6, welche die Platte allein mit den Löchern 12 zum Hindurchführen der Schrauben aufzeigen.

Dieser erhöhte Reibungskoeffizient zwischen Metall und Knochen läßt sich nach verschiedenen Verfahren beistellen.

In einer ersten Versuchsreihe erhielten die Platten ausschließlich auf ihrer Uiterseite eine stark rauhe Auflage aus Metall der gleichen Güte und Zusammensetzung durch Brennerauftrag. Dieses Verfahren ist als Metallisierung bzw. Schoopsches Metallspritzverfahren bekannt und wird ausgeführt durch Hindurchleiten von Metallpulver oder drähten durch Wasserstoff-, Sauerstoffäzetylen-, Plasmaoder sonstige Brenner. Das geschmolzene und zu feinen Tröpfchen zerstäubte Metall wird unter hoher Geschwindigkeit, und zwar Schallgeschwindigkeit, auf die Platte derart aufgespritzt, daß sich auf dieser ein rauher Belag ohne offene Poren bildet.

In einer zweiten Versuchsreihe erhielten die Platten eine Lage aus porösem Metall, die nach Verdichtung durch Fritten aufgebracht wurde. Es muss bemerkt werden, daß dieser Frittenauftrag massiv sein muß und damit eher die gesamte Platte ausmachen kann anstatt lediglich aufgesetzt zu sein. Die Aufbringung des Porenmetalls kann nach herkömmlichen oder sonstigen Verfahren in Form von Pulver oder von Fasern herbeigeführt werden.

Wie bereits festgestellt, ist das poröse Metall nicht günstig, weil die Porosität eine haltende Wirkung ausübt und das spätere Herausnehmen der Platte, das vom Patienten oft vorgezogen wird, erschweren kann.

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In einer dritten Versuchsreihe wurde das Metall der Platte selbst auf mechanischem Wege, beispielsweise durch Ziehen mit Hilfe eines Pressenstempels, verformt, wodurch auf der Unterseite Kanten, wie sie Schneiden oder Feilen aufweisen, hergestellt wurden. Wie immer die Ausführung sein mag: wesentlich ist der feste Anzug der Platte. Zu bemerken wäre noch ein großer Vorteil dieses Verfahrens insofern, als die Kanten in eine bestimmte Richtung ausgebildet werden, so daß der Reibungskoeffizient in der Richtung von den Plattenenden auf die Mitte, d.h. auf die Knochenbruchstelle zu gering und in der anderen Richtung größer ist. Durch diesen Kniff kann jede etwaige Mikrobewegung dazu ausgenutzt werden, die Bruchränder zusammenzuführen. Dieses Verfahren eignet sich ganz offensichtlich zur Durchführung mit allen mechanischen Mitteln mit oder ohne Werkstoffabtrag.

In einer vierten Versuchsreihe wurden nur die Unterseiten der Platten im Wege chemischer (durch Säureangriff) und elektrochemischer Verfahren galvanoplastisch aufgerauht; die metallischen Stücke werden dort, wo sie nicht angegriffen werden sollen, durch bekannte Fotolackierung geschützt.

In einer fünften Versuchsreihe bestehen die Platten aus keramikbeschichtetem Metall oder aus Vollkeramik. Allein die keramische Unterseite wurde zur Erhöhung des Reibungskoeffizienten aufgerauht.

In einer sechsten und interessanten Versuchsreihe, die diesmal auf Platten abgestellt war, die ihrer Beschaffenheit nach im Präzisionsverfahren in der Giesserei

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hergestellt werden müssen, wurde die Rauhigkeit der Unterseite direkt über entsprechende Aufrauhungen im Modell, das beispielsweise aus Wachs sein kann, und in der Giessform hergestellt.

In geschmiedeten Platten lassen sich die Aufrauhungen direkt in der Schmide ausbilden, doch kann diese Art des Vorgehens in gewissen Fällen mit dem Nachteil behaftet sein, daß Fremdkörper- oder Oxydteilchen in der Platte eingeschlossen werden und somit die Korrosionsfestigkeit der Platte und ihre Verträglichkeit mit dem Organismus eine Reduzierung erfährt.

Wie bereits ausgeführt kann die vorbeschriebene Platte ersetzt werden durch ein System, bei dem wenigstens ein Teil eine Platte ist, die mit Schrauben am Knochen befestigt wird, und bei dem ein anderes Teil mit Nägeln, Plättchen oder sogar Haken ausgeführt sein kann, ohne daß der Rahmen der Erfindung dadurch verlassen wird. Die Platten können anstatt einer rechteckigen eine komplexe Form haben, wie es der Fall für die Platten ist, die der Behandlung von verdickten Knochenextremitäten dienen. Diese letztgenannten Platten und die Stiftplatte sind besonders geeignet für die Behandlung von Brüchen an den Extremitäten der Schenkelknochen oder am oberen Ende des Schienenbeins sowie von Osteotomien. Demgegenüber eignet sich das System mit Plättchen - bzw. Klingenplatten in besonderer Weise für die Behandlung von Brüchen im epiphysären Bereich sowie von Osteotomien.

PATENTANSPRÜCHE

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

Platte zur Knochenvereinigung für die chirurgische Versorgung von Brüchen und die Behandlung von Osteotomien in Verbindung mit Schrauben zu deren Befestigung im Knochen, die für besondere Knochenvereinigungen einen festen Stift bzw. ein oder mehrere Plättchen bzw. feste Haken enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte eine rauhe Knochenkontaktoberfläche aufweist, wobei die Aufrauhung den Reibungskoeffizienten zwischen Platte und Knochen erhöhen soll dergestalt, daß eine bessere Verankerung der Platte erzielt wird, ohne daß deren spätere Entfernung erschwert wird.
2. Platte gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufrauhung durch Aufspritzen mit Schallgeschwindigkeit von geschmolzenem und zu feinen Tröpfchen zerstäubtem Metall unter Bildung eines rauhen Belages ohne offene Poren hergestellt ist.
3. Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufrauhung auf mechanischem Wege hergestellt ist.
4. Platte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,daß es sich bei dem mechanischen Verfahren um eine Ziehbearbeitung in der Presse handelt.
5. Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung der Aufrauhung nach chemischen und elektrochemischen Verfahren erfolgt ist.
6. Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufrauhung durch Aufbringung einer keramischen, oberflächlich rauhen Schicht erfolgt ist.

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ORIGINAL INSPECTED

* I-
7. Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie keramisch mit rauher Oberfläche ist.
8. Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufrauhung direkt als Rohzustand in der Gießerei erzeugt ist.
9. Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufrauhung direkt als Rohzustand in der Schmiede erzeugt ist.
10. Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Stiftplatte mit Merkmalen zur Behandlung
von Brüchen an den Extremitäten der Schenkelknochen
bzw. des oberen Schienenbexnendes sowie von Osteotomien ausgebildet ist.
11. Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Anformungen zur Behandlung von Brüchen an den Extremitäten der Schenkelknochen bzw. des oberen
Schienenbeinendes sowie von Osteotomien ausgebildet
ist.
12. Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Merkmalen für die Behandlung von epiphysären Brüchen sowie von Osteotomien versehen ist.

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