DE2732923A1

DE2732923A1 - Gelenkendoprothesen aus nichtmetallischen materialien

Info

Publication number: DE2732923A1
Application number: DE19772732923
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Med Griss; Ernst Prof Dr Gugel; Guenther Dr Heimke
Original assignee: Friedrichsfeld GmbH Steinzeug und Kunststoffwerke
Current assignee: Friatec AG
Priority date: 1977-07-21
Filing date: 1977-07-21
Publication date: 1979-01-25
Also published as: GB1586157A; FR2400354A1; IT7825778A0; IT1097178B; BE868283A; US4184213A; NL7805552A; JPS5463586A

Description

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FRIEDRICHSFELD GMBF q <j ο j q j ο

Steinzeug- und Kunststoffwerke
Steinzeugstraße 50
68OO Mannheim 71

Gelenkendoprothesen aus nichtmetallischen Materialien

Die Erfindung betrifft Gelenkendoprothesen, insbesondere für die hochbelasteten Teile des Bewegungsapparates, mit dichter Aluminiumoxidkeramik entlang den artikulierenden Gelenkflächen.

Gelenkendoprothesen dienen generell dem Ersatz krankheits- oder unfallgeschädigter Gelenke des menschlichen Bewegungsapparates. Bei früheren Ausführungsformen derartiger Gelenkendoprothesen bestanden die artikulierenden Flächen entweder aus Metall oder aus einer Kombination zwischen Metall und Kunststoff. Prothesen mit der Reibkombination Metall gegen Metall werden in den letzten Jahren immer weniger benutzt, da bei ihnen der Reibungskoeffizient verhältnismäßig hoch ist und auch große Mengen Abrieb entstehen. Diese Metallabriebpartikel sind sehr schlecht körperverträglich. Die z.Z. am meisten benutzten Endoprothesen der hochbelasteten Gelenke bedienen sich einer Paarung von gewissen Polyäthylen^· sorten mit Metall als Reibkomponenten. Der in dieser Kombination bevorzugt auftretende Polyäthylenabrieb ist erheblich weniger körperschädlich als der vorstehend genannte Metallabrieb. Aber einmal ist er immerhin so groß, daß der durch ihn bedingte Abtrag der Polyäthylenkomponente ein Auswechseln der Prothese nach spätestens 10 - 15 Jahren erzwingt und zum anderen konnte gezeigt werden, daß dieser Polyäthylenabrieb zu gewissen Lockerungserscheinungen einzelner Komponenten solcher Prothesen in dem an das Gelenk angrenzenden Knochenraum beiträgt.

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Derartige Verschleißerscheinungen an den artikulierenden Flächen der Prothesen werden vermieden, wenn beide Reibpartner aus hochdichter, hochfester Aluminiumoxidkeramik gefertigt sind. Eine derartige Konstruktion ist z.B. in der DOS 2 134 316 beschrieben.

Aber auch derartige Prothesen benutzen noch ganz oder teilweise Metallkomponenten zur Verankerung der Gelenkendoprothesen in den an das Gelenk angrenzenden Skelettpartien bzw. Knochenräumen. Dabei werden diese Metallteile entweder mittels eines Kunststoffknochenzementes, der aus Methylmetacrylat besteht, in diesem Knochenraum verankert oder sie werden zementlos eingebracht. Im ersteren Falle kann die volle mechanische Festigkeit des Metalles nicht ausgenutzt werden, da die Elastizitätsmodulen der benutzten Metalle bei höheren Lasten so große Verformungen dieser Metallteile zulassen, daß die Festigkeit des umgebenden Zementes überschritten wird und es damit zum Reißen der Zementumgebung kommt. Ein derartiger Bruch, der zunächst nur ein sehr feiner Riß sein braucht, in der Umgebung einer Metallprothese, z.B. im Kunststoffzementköcher, der den Schaftteil der Oberschenkelkomponente einer Hüfttotalendoprothese umschließt, führt aber unweigerlich bei weiteren Lastwechseln zu so schweren Schaden, daß die Prothese ausgewechselt werden muß. - Werden die Komponenten von Gelenkendoprothesen aus Metall direkt, d.h. ohne die Benutzung des o.g. Kunststoffknochenzementes, in dem an das Gelenk angrenzenden Knochenraum verankert, so treten wegen der nur. begrenzten Bioverträglichkeit der Metalle spätestens nach einigen Jahren in einem sehr hohen Prozentsatz Lockerungserscheinungen auf, die schließlich ebenfalls zu einem Prothesenwechsel zwingen. Im letztgenannten Fall kann man zwar die Prothesenteile größer dimensionieren und damit formstabiler machen, doch liegen bei dieser direkten, zementfreien Verankerung die Ursachen für die Lockerung garnicht so sehr in der Verformung der Prothese als vielmehr, wie bereits erwähnt, in der begrenzten Verträglichkeit der benutzten Metalle. - Auch bei den mit Zement zu implantierenden Metallteilen wurde in der letzten Zeit versucht, durch Vergrößerung, z.B. der Schäfte der Oberschenkelkomponenten von Hüfttotalendoprothesen, die unter höheren Lasten auftreten-

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den Verformungen kleiner zu halten. Derartige Prothesen sind aber in vielen Fällen kaum noch implantierbar, außerdem wird der dann noch verbleibende Zementköcher so dünn, daß dadurch eine Bruchgefahr heraufbeschworen wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, dieses Verankerungsproblem zu lösen. Die Aufgabe läßt sich dahin weiter präzisieren und in zwei Teilaufgaben untergliedern, daß einmal für den Fall der Verankerung mit Kunststoffknochenzement eine Verankerungsmöglichkeit gefunden werden muß, die etwa bei gleicher Dauerfestigkeit, wie sie die günstigsten der bisher benutzten Metalle aufweist, eine geringere Deformation auftritt als an dem die Prothese umgebenden Kunststoffknochenzement, und daß ferner für die Fälle der zementfreien Implantation eine so günstige Körperverträglichkeit gegeben ist, daß ein dichtes Heranwachsen von tragfähigen, zur Lastaufnahme und -übertragung geeigneten Knochenstrukturen an die Oberfläche des Implantats gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die der Verankerung der Prothese dienenden Teile aus heißgepreßten Verbindungen des Siliziums mit Kohlenstoff und/oder Stickstoff, die eine B;
weisen, bestehen.

2 stoff, die eine Biegefestigkeit von mehr als 6OO N/mm auf-

Heißgepreßte Verbindungen des Siliziums mit Kohlenstoff und/ oder Stickstoff gehören zu den Hartstoffen. Ihr Elastizitätsmodul liegt um mehr als den Faktor 10 höher als der Elastizitätsmodul der bisher für Prothesenzwecke benutzten Metalllegierungen auf der Basis der Edelstahle oder auf der Grundlage von Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierungen. Die vorstehend

genannte Biegefestigkeit von mehr als 600 N/mm ist die statische Biegebruchfestigkeit dieser Si-VerteinHungpin. In unter Bedingungen, die den Zustand im Inneren des Körpers simulieren, konnte jedoch gezeigt werden, daß bei diesen Werkstoffen die Festigkeitsabnahme als Funktion der Lastwechsel sehr gering ist. Auch nach 10 Millionen Lastwechseln mit Biege spannungen, die höher sind als sie in Prothesen dauernd vor-

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kommen, wurde nur eine Abnahme der Festigkeit um 25 *,

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d.h. auf etwa 45Ο N/mm , gefunden. Außerdem zeigen eigene tierexperimentelle Untersuchungen, daß dieser Werkstoff eine ähnlich günstige Körperverträglichkeit aufweist, wie sie an dichter, hochreiner Aluminiumoxidkeramik seit langem bekannt ist.

Die vorstehend genannten Festigkeitsuntersuchungen sowohl als auch die Kompatibilitätsprüfung wurden an heißgepreßtem Siliziumnitrid der Zusammensetzung Si-,Ν. durchgeführt. Die der Verankerung dienenden Teile der Gelenkendoprothesen können also insbesondere aus diesem Material bestehen.

Die der Verankerung dienenden Teile von Gelenkendoprothesen können jedoch auch sehr günstig aus Siliziumcarbid (SiC) bestehen. Auch dieses Material hat ähnlich günstige Eigenschaften wie das vorstehend genannte Siliziumnitrid.

Die der Verankerung dienenden erfindungsgemäßen Prothesenteile müssen natürlich in jedem einzelnen Falle entsprechend den biomechanischen Gegebenheiten der jeweiligen Gelenkkomponente und außerdem soweit wie möglich werkstoffgerecht gestaltet werden. Für die Femurkomponenten von Hüftendoprothesen kommt bei einer Verankerung mit Hilfe von Kunststoffknochenzement eine Form gemäß der deutschen Patentanmeldung P 2 527569 in Frage. Wird diese Gelenkkomponente ohne Zement implantiert, so können Formen, wie z.B. in der deutschen Patentschrift 2 324 865 oder in der DAS 24 61 339 und in der DAS 25 17 beschrieben, benutzt werden.

Für die Formgebung derartiger Prothesen stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung, die dem Fachmann bekannt sind. Als neuestes Verfahren sei auf die deutschen Patentanmeldungen P 26 47 651 und P 26 56 761 verwiesen.

In der einzigen Figur ist als Beispiel eine erfindungsgemäße Gelenkendoprothese, eine Hufttotalendoprothese, dargestellt. Darin besteht die Pfanne 1 aus dichter, hochfester Al₃O.-

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Keramik mit der etwa halbkugelförmigen Ausnehmung 2, deren Oberfläche feinstpoliert ist. In eingebauten und funktionsfähigen Zustand befindet sich in ihr der Kopfteil 3 der Femurkomponentβ.Dieser Kopfteil ist im wesentlichen kugelförmig und auf seiner Oberfläche ebenfalls feinstpoliert. Diese beiden feinstpolierten Oberflächen bilden die artikulierenden Gelenkflächen. Zur Verankerung der den Femurkopf ersetzenden Kugel 3 im Markraum des Femurs dient der Schaft 4. Im hier dargestellten Beispiel hat er die Form eines Stufenschaftes, der für die Verankerung ohne Zement vorgesehen ist. Die Verbindung zwischen der Kugel 3 und dem der Verankerung dienenden Schaft 4 kann, wie in dem gezeigten Beispiel, durch den selbsthemmenden Konus 5 erfolgen. Der Schaft besteht erfindungsgemäß aus der heißgepreßten Verbindung des Siliziums mit Kohlenstoff und/oder Stickstoff, z.B. aus Siliziumnitrid (Si^N.) oder Siliziumcarbid (SiC).

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Claims

FRIEDRICHSFELD GMBn Steinzeug- und Kunststoffwerke Steinzeugstraße 50 Z-/>iZaZJ 68OO Mannheim /1 Gelenkendoprothesen aus nichtmetallischen Materialien Ansprüche:

1. Gelenkendoprothesen, insbesondere für die hochbelasteten Teile des Bewegungsapparates, mit dichter Aluminiumoxidkeramik entlang den artikulierenden Gelenkflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die der Verankerung der Prothesen dienenden Teile aus heißgepreßten Verbindungen des Siliziums mit Kohlenstoff und/oder Stickstoff, die eine

Biegebruchfestigkeit von mehr als 600 N/mm aufweisen, bestehen.

2. Gelenkendoprothesen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Verankerung dienenden Teile aus Siliziumnitrid der Zusammensetzung Si N. bestehen.

3. Gelenkendoprothesen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Verankerung dienenden Teile aus Siliziumkarbid (SiC) bestehen.

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