DE3243861A1

DE3243861A1 - Endoprothese aus kohlenstoffaserverstaerktem werkstoff

Info

Publication number: DE3243861A1
Application number: DE19823243861
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr. 8000 München Heißler; Wolfgang Dr. 8150 Holzkirchen Scheer
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: SDGI Holdings Inc
Priority date: 1982-03-30
Filing date: 1982-11-26
Publication date: 1983-10-13
Also published as: DE3243861C2

Description

Endoprothese aus kohlenstoffaserverstärktem Werkstoff
Die Erfindung bezieht sich auf eine Endoprothese aus kohlenstoffaserverstärkten Werkstoff.
Endoprothesen dienen als Implantate für erkrankte oder beschädigte Knochen zur Wiederherstellung deren Funktionen.
Das Ziel der Entwicklung von Endoprothesen ist, Implantate herzustellen, die einoperiert dem Patienten während seiner Lebensdauer eine sichere und funktionsfähige Unterstützung leisten, ohne ausgewechselt werden zu müssen.
Komplexe Zusammenwirkungen von insbesondere biologischen und physikalischen Faktoren beeinträchtigen jedoch hemmend die Entwicklung. Diese Faktoren sind die Körperverträglichkeit des mit dem Gewebe in Berührung kommenden Materials der Implantate, die Festigkeit sowie die Reibeigenschaften von angelenkten Prothescnteilen.
Aufgrund intensiver Studien sind funktionsfähige Implantate entwickelt worden, die aus einer Kunststoff-Metall-Kombinationsbauweise bestehen. Für Elüftgelenke beispielsweise besteht ein Prothesen-Modell aus der Kombination eines lliiftyclenkes aus einer Kobalt-Chrom- Molybdån-Leyierung und einer Hüftyelenkpfanne aus hochmolekularem Polyäthylen. Der Hiiftkopf wird mittels eines metallischen Prothesenschaftes gehalten. Die Befestigung dieses Schaftes sowie die der Kunststoffpfanne in den vorbereiteten Knochenhohlräumen erfolgt mittels selbsthärtendem Knochenzement aus körperverträglichem Werkstoff. Durch diese Kombination konnte gegenüber den davor üblichen Methoden bzw. Implantaten deutliche Erfolge erreicht werden. Nachteilig an dieser Werkstoffkombination sind insbesondere die mangelnde Kompatibilität der Elastizitätsmodule von Knochen und Implantat.
Lockerungen, bzw. Ausbrechen des Schaftes sind die Folge.
Durch Anwendung von Kohlenstoffaserverstärkungen konnten die Festigkeitswerte von Implantaten günstig beeinflußt werden. Bisherige Ergebnisse auf diesem Gebiet mangeln jedoch an einer ausreichenden Körperverträglichkeit, die ebenfalls zu einer frühzeitigen Lockerung des Implantates führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Endoprothesen der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sie bei guter Körperverträglichkeit und hoher Belastbarkeit eine möglichst weitgehend dauerhafte Funktionsfähigkeit besitzen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kohl enstoffasern in einer Matrix aus Polyphenol glyci dyl ether und 4,4 '-Diamino-diphenylsulfon eingebettet sind.
Es hat sich herausgestellt, daß ein derartiges Implantat eine gute Körperverträglichkeit aufweist und ohne Zement einoperiert werden kann, so daß die direkte Verbindung ein Zusammenwachsen zwischen Knochen und Implantat und demzufolge eine dauerhafte Verbindung ermöglicht. Mit entsprechender Auslegung der Dichte und der Orientierung der Fasern wird gleichzeitig die Steifigkeit und die Festigkeit an die Erfordernisse angepaßt.
Die erfindungsgemäße Prothese eignet sich für den Knochenersatz für Knochenteile des gesamten Knochengerüstes, die auf irgendeine Weise beschädigt wurden oder aufgrund eines Tumors entfernt werden mußten.
Es wird ferner vorgesehen, die erfindungsgemäße Endoprothese für Knochenplatten sowie die dazugehörigen Schrauben zu verwenden.
Auch läßt sich die Prothese fUr den Zahnersa~z, insbesonde-e als Stiftzahn verwenden.
Eine wichtige Anwendung ist das Gebiet der Gele thesen, wobei gemaß einer Ausgestaltung der Erfindung im Gelenk der Faserbundwerkstoff mit Keramik (Al 203) zusatmmenwirkt. Dieses gewährleistet eine Zusammenarbeit des künstlichen Gelenkes ohne nennenswerten Abrieb. Vorzugsweise wird die Gelenkpfanne aus Faserverbundwerkstoff gemäß Anspruch 1 und die Gelenkkugel aus Keramik hergestellt.
Der Gelenkkopf aus Keramik ist vorzugsweise mit einem Schaft aus einem der Gelenkpfanne entsprechenden faserv er St a rk t 9 m Verbundwerkstoff ausgerüstet, wobei insbesondern Langfasern verwendet werden.
Ein derartiger Schaft läßt sich durch entsprechende Faserorientierung so auslegen, daß eine Kompatibilität der Elastizitätsmodule von Knochen und Schaft gegeben ist. Hierdurch ist ein weiterer Beitrag zur Verlängerung der Lebensdauer gegeben, indem einer Lockerung der Prothese im Knochen entgegengewirkt wird.
Bei einer Oberbelastung, wie z.B. bei einem Sturz des Prothesenträgers kann der Gelenkkopf eventuell beschädigt werden. Um in solchen Fällen mit möglichst einem raschen und geringen operativen Eingriff den Schaden beheben zu können, ist vorgesehen, daß der Gelenkkopf auf einem aus dem Gelenkknochen herausragenden Ende des Prothesenschaftes lösbar aufgesteckt ist. Hierdurch braucht der Prothesenschaft bei einer Beschädigung des Gelenkkopfes nicht aus dem Knochen herausgelöst zu werden, sondern es wird lediglich der Gelenkkopf ausgetauscht.
In der Steckverbindung ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ein Elastomer-aus Polyetherurethan vorgesehen, der zur Entlastung des Prothesenschaftes die Stoßenergie vom Gelenkkopf weitgehend aufnimmt.
Hierfür kann vorteilhaft ein Polyetherurethan aus Toluoldiisocyanat und Polytetramethylenetherglycol verwendet werden, das mit 3, 3'-Dichlor-4, 4 '-diaminodiphenylmethan ca. 3 Stunden bei 100etc gehärtet wird. Der Härtungsprozeß kann je nach Bedarf direkt auf den Schaftende oder getrennt davon erfolgen.
Die Erfindung erstreckt sich auf ein durch die Merkmale aus Anspruch 10 gekennzeichnetes Verfahren zur Herstellung einer Prothese.
Mit diesem Verfahren erlangt die Prothese eine ausgezeichnete Festigkeit.
In der Zeichnung sind Ausf ührungsbei spi el e gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.
Fig. 1 zeigt einen Knochenersatz 20, der beispielsweise nach einer Tumorresekti on in eine Knochen 21 eines Bewegungsgl iedes eingesetzt wird.
In Fig. 2 ist eine am Knochen anschraubbare Platte 22 mit zugehöriger Schraube 23 gezeigt.
Fig. 3 zeigt einen im Kieferknochen einsetzbaren Backenstiftzahn 24 sowie einen Schneidestiftzahn 25.
Alle vorgenannten Implantate bestehen aus kohlenstofffaserverstärktem Verbundwerkstoff bei denen die Fasern entweder als Langfasern 26 oder als Kurzfasern 27 in einer Matrix aus Polyphenolglycidylether und 4,4'-Diaminodiphenylsulfon eingebettet sind.
In Fig. 4 ist eine Hüftgelenkprothese dargestellt bei der in einem Beckenknochen 10 eine Gelenkpfanne 11 verankert ist. In Zusammenwirkung mit der Pfanne 11 ist ein Gelenkkopf 12 vorgesehen, der fortführend mit ei neu Prothesenschaft 13 zur Verankerung in der Knochenhöhle 14 des Femurschaftes 15 verbunden ist.
Der aus Al 20 bestehende Gel enkk opf 12 bildet in Verbindung mit der Pfanne 11 aus einem mit günsti ger Gl ei t-und Abri ebe i gens cha ft behafteten Material qemäß der Erfindung ein weitgehend dauerhaftes Gelenk. Die Pfanne 11 besitzt durch bip Gewebewachstum fördernde Material- eigenschaft auch für die Dauer einen festen Halt im Beckenknochen 10. Der Schaft besteht aus einem Verbundmaterial entsprechend dem Pfannenmaterial mit gerichteten Fasern 26, die dem Schaft die ausreichende und dem Knochenmaterial angepaßte Steifigkeit und Festigkeit verleihen, so daß auch hier in Bezug auf die Dauerhaftigkeit der gesamten Prothese keine nachteiligen Einflüsse herbeigeführt werden. Die Kombination der Materialien der Prothese verschafft der Prothese eine ausgezeichnete Abstimmung zwischen der für die Dauerhaftigkeit verantwortlichen Eigenschaften, so daß ein Einsatz einer solchen Prothese auf Lebensdauer des Patienten gegeben ist.
Die Pfanne 11 sowie der Zahnersatz 24 und 25 werden im Pressverfahren hergestellt, indem die Kohlenstoff-Kurzfasern 27 in eine auf etwa llO"C aufgewärmte Form eingegeben werden, worauf anschließend das auf ca. 125-C erhitzte Matrixmaterial eingegossen, gepreßt und gehärtet wird.
Der Prothesenschaft 13 sowie der Knochenersatz 20 und die Knochenplatte 22 werden dagegen im Wickelverfahren hergestellt, indem die in dem Matrixmaterial getränkten Kohlenstoffasern 26 zu einem Wickelkörper gewickelt werden, aus dem formgerechte Teile herausgetrennt und zur Bildung der entsprechenden Teile geformt bzw., wie im Falle des Schaftes, mit demselben Matrixmaterial zusammengeklebt werden. Hierbei wird darauf geachtet, daß die Fasern 26 parallel zur Schaftoberfläche in Längsrichtung verlaufen.
Der anschließende !ärtungsprozeß verläuft für alle Verbundteile durch Erhitzung, indem die Prothesen 7 Stunden auf 100°C, 2 Stunden auf 130#C und anschließend noch 16 Stunden auf 160#C gehalten werden.
Bei der Hüftgelenkprothese wird der Keramikkopf 12 auf ein freies Ende 16 des Schaftes 13 aufgesteckt. Eine Zwischenlage 17 aus einem elastischen Material, z.B.
Polyetherurethan dient zur Dämpfung von Stoßkräften.
Die Zwischenlage 17 wird bei Verwendung eines aushärtbaren Elastomers direkt auf dem Schaftende 16 ausgehartet, so daß sie mit dem Schaft 13 eine Baueinheit bildet.

Claims

P a t e n t a n sp r ü c h e Endoprothese aus kohlenstoffaserverstärktem Verbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern (6, 27) in einer Matrix aus Polyphenolglycidylether und 4,4'-Diaminodiphenylsulfon eingebettet sind.
2 Endoprothese nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung für Knochenersatz (20).
3. Endoprothese nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung für Knochenplatten (22).
4. Endoprothese nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung für Zahnersatz (24, 25).
5. Endoprothese nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch die Verwendung für Gelenkprothesen, wobei mindestens ein Prothesenteil (11, 13) aus kohl en stoff as er verstärktem Verb u ndwer kst off besteht, dessen Matrix Polyphenolglycidylether und 4,4"-Diaraino-diphenyl sulfon enthält.
6. Endoprothese nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Prothesenteil (11) aus kohlenstoffaserverstärktem Verbundwerkstoff an ein zweites Prothesenteil (12) anlenkbar ist, und daß das zweite Prothesenteil zumindest aiii Gelenkende aus Keramik besteht.
7. Endoprothese nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Protfiesenteil aus einem Gelenkkopf (12) aus Keramik und einem Prothesenschaft (13) aus kohlenstoffaserverstärktem Verbundwerkstoff besteht, dessen Matrix Polyphenolglycidylether und 4,4 '-Diaminodiphenylsulfon enthält.
8. Endoprothese nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gelenkkopf (12) unter Verwendung einer elastischen Zwischenlage (17) auf einem Ende (16) des Prothesenschaftes (13) lösbar aufgesteckt ist.
9. Endoprothese nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (17) aus Toluoldiisocyanat und Polytetramethylenetherglycol besteht, die mit 3,3' Dichlor-4,4'-diaminodiphenylmethan auf dem Schaftende (16) ausgehärtet sind.
10. Verfahren zur Herstellung einer Prothese gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endoprothese (11, 13, 20, 22, 24, 25) nach ihrer Formgebung einem Härtungsprozeß unterworfen wird, bei dem die Prothese etwa 7 Stunden auf etwa 100°C, dann etwa 2 Stunden auf etwa 130"C und schließlich etwa 16 Stunden auf etwa 1600C gehalten wird.