DE69131625T2

DE69131625T2 - Prothese mit porösen überzug

Info

Publication number: DE69131625T2
Application number: DE69131625T
Authority: DE
Inventors: Todd Smith
Original assignee: DePuy Orthopaedics Inc
Current assignee: DePuy Orthopaedics Inc
Priority date: 1990-05-04
Filing date: 1991-04-15
Publication date: 2000-03-02
Anticipated expiration: 2011-04-16
Also published as: US5007931A; WO1991016866A1; AU7756691A; EP0591171A1; DE69131625D1; ATE184468T1; EP0591171B1; EP0591171A4

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein künstliches Implantat, welches verletzte oder erkrankte natürliche Körperteile ersetzt und insbesondere auf solche Vorrichtungen, die gemäß dem einleitenden Teil des Anspruchs 1 zum Einsetzen in den intramedulären Kanal eines langen Knochens ausgebildet und mit porösen Oberflächen versehen sind, um die Befestigung durch Einwachsen von Knochen zu fördern.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Hüftprothesen sind im Stand der Technik bekannt. Verschiedene Gestaltungsformen der verschiedenen Komponenten, einschließlich des Kopfteils, des Nackens, des Kragens und des Schaftes, wurden vorgeschlagen. In den letzten Jahren wurden Prothesenvorrichtungen mit porösen Oberflächen zur Befestigung durch Einwachsen von Knochen versehen. Ein ausgezeichnetes Beispiel für eine solche Oberfläche läßt sich durch Beschichten mit der unter dem Markennamen "POROCOAT" von der DePuy-Division der Firma Boehringer Mannheim angebotenen porösen Metallbeschichtung herstellen. Repräsentativ für Patente auf diesem Gebiet sind die US-Patente 3,605,123 (Hahn), 3,855,638 (Pilliar), 4,536,894 (Galante et al.) und 4,854,496 (Bugle).
Bei einigen der dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtungen, für die die US-Patente 4,536,894 und 4,854,496 repräsentativ sind, wird die poröse Oberfläche in Form von vorgefertigten porösen Belägen auf die Prothese aufgebracht, wobei die Beläge in entsprechende hohle Vertiefungen oder Aussparungen, mit denen die Oberfläche einer Hüftprothese versehen ist, hineingepreßt werden.
Mittels einer das Einwachsen von Knochen auf der Prothesenvorrichtung fördernde Oberfläche kann eine stabile Fixierung ohne Verwendung von Knochenzement erreicht werden. Es ist jedoch auch bei Prothesenvorrichtungen, die mit einer Oberfläche oder mehreren Oberflächen für die Fixierung durch Einwachsen von Knochen ausgestattet sind, erforderlich, daß die Prothese für eine Zeitspanne nach dem Implantation stabil und unbeweglich fixiert wird, um eine zuverlässige Fixierung durch Einwachsen von Knochen mit guter Langzeitstabilität zu gewährleisten. Jede zu starke Relativbewegung zwischen dem Knochen und der Prothese während dieser Zeitspanne kann eine solche Fixierung verhindern oder beeinträchtigen. Dies ist ein besonders großes Problem in Anbetracht der Schwierigkeit, die Prothese mit hinreichend kleinen Toleranzen einzupassen, daß große Kontaktflächen zwischen dem porösen Material und dem Knochen gewährleistet werden. Dies gilt sogar in Fällen, bei denen die gesamte äußere Oberfläche der Prothese aus porösem Material hergestellt ist.
Es ist allgemein bekannt, daß der Erfolg einer zementlos eingesetzten Implantations-Arthroplastik von der anfänglichen Stabilität der Implantation unmittelbar nach ihrem Einsetzen in den betreffenden Teil des Skelettes abhängt. Die Stabilität des Implantats wiederum wird durch zwei Faktoren entscheidend bestimmt: (1) Durch die Geometrie oder die Gestalt des Implantats und (2) durch die Oberflächenrauhigkeit des Implantats. Bezüglich des zweiten Faktors ist es wünschenswert, die gesamte Oberfläche des Implantats, die sich in Apposition mit dem Knochen befindet, porös zu beschichten. Die vergrößerte Oberfläche, die durch die poröse Beschichtung zur Verfügung steht, führt im wesentlichen zu einer äußerst stabilen Reibungspassung zwischen Schaft und Knochen. Dies fördert die Stabilität des Implantats, da der Knochen besser einwächst, wie dies für eine Langzeitbefestigung notwendig ist. Die Stabilität des Implantats kann sogar noch weiter verbessert werden, indem eine Passung mit Übermaß zwischen der äußeren Oberfläche der porösen Beschichtung und dem Knochen vorgesehen wird. Dies wird dadurch erreicht, daß man den porös beschichteten Bereich über die durch die glatte äußere Oberfläche des Implantats gebildete Begrenzung hinausstehen läßt.
Es ist jedoch ein bekanntes Phänomen, daß die poröse Beschichtung als Einkerbung, d. h. als Oberflächendefekt auf der Oberfläche des Implantates, wirken kann. Bestimmte bevorzugte Materialien für Prothesen, wie zum Beispiel die Titanlegierung Ti-6Al-4V sind "einkerbungsempfindlich". Ihre Ermüdungsfestigkeit kann drastisch sinken, wenn sich die poröse Beschichtung in stark beanspruchten Bereichen des Implantats befindet. Typischerweise kann die Ermüdungsfestigkeit von Titanlegierungen um etwa 70% abnehmen, wenn sie porös beschichtet werden.
Außerdem wurde mit einem gewissen Grad an klinischer Untermauerung postuliert, daß Implantate mit Schaften, die sehr dicke Sektionen und deshalb eine hohe Biegesteifigkeit aufweisen, einen schädlichen Einfluß auf die Lebensfähigkeit des Knochens, in den sie eingesetzt werden, ha ben können. Der steife Schaft schützt den umgebenden Knochen vor Belastung. Wenn der Knochen nicht innerhalb bestimmter Grenzen regelmäßig belastet wird, bildet er sich so lange zurück, bis das Beanspruchungsniveau auf einen Wert innerhalb des verlangten Bereiches steigt. Besi sehr dicken und steifen Schäften kann die Zurückbildung sehr problematisch sein. Dieses Phänomen und andere Ansätze zu dessen Lösung sind in dem US-Patent 4,808,186 und in der US-Anmeldung SN 391,660, angemeldet am 8. August 1989, offenbart.
Um diese Probleme zu lösen, wird ein künstliches Implantat gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
Die Funktion der vorliegenden Erfindung umfaßt drei wichtige Elemente. Erstens reduziert sie das Widerstandsmoment und daher die Biegesteifigkeit von dicken Schaften, um das Ausmaß des Schutzes des Knochens vor Belastung zu reduzieren. Zweitens wird eine poröse Beschichtung der wesentlichen Bereiche der Oberfläche des Schaftes auf eine solche Weise geschaffen, daß eine Einkerbung der stark beanspruchten Regionen vermieden wird. Dennoch wird eine dichte Reibungspassung, sogar mit Übermaß, des Schaftes innerhalb des intramedulären Kanals erreicht. Drittens wird eine maximale Flächenausdehnung der Oberfläche für die poröse Beschichtung erreicht, um dadurch bestmögliche Verbindung zwischen dem Knochen und dem Implantat zu bewirken.
Wenn ein femorales Hüftimplantat belastet wird, befindet sich der Schaft typischerweise in einem Biegebelastungszustand. Bei Belastung im Biegezustand treten die höchsten Spannungen an den am weitesten lateral gelegenen äußeren Fasern des Schaftes auf. In Richtung zur Mitte oder zur Längsachse des Schaftes fallen die Spannungen linear auf Null ab. Die Längsachse des Schaftes wird daher als die neutrale Achse bezeichnet. Eine poröse Beschichtung, die sich in dem hochbelasteten Bereich an der äußeren Faser befindet, würde sich ungünstig in der Weise auswirken, daß das Material des Implantats eingekerbt wird. Dadurch steigt das Risiko des vorzeitigen Versagens. Gemäß der Erfindung sind jedoch Kanäle in Längsrichtung in den Schaft eingeschnitten. Die poröse Beschichtung ist nur an dem Boden der Kanäle befestigt. Auf diese Weise sind die Belastungen der Fasern in einem Maß, das in erster Linie von der Tiefe des Kanals abhängt, reduziert. Das Einkerben des hochbelasteten Bereiches wird dadurch vermieden. Die poröse Beschichtung kann eine solche Dicke haben, daß sie im wesentlichen auf einem Niveau mit der äußeren Oberfläche des Implantats liegt. Somit kann ein Teil der erwünschten Reibungspassung im Schaftbereich eines Implantats erreicht werden.
Die in Längsrichtung verlaufenden Kanäle dienen auch dazu, das Widerstandsmoment des Schaftes zu verringern, wodurch er flexibler wird. Dadurch wird die Lebensfähigkeit des Knochens im Schaftbereich erhalten, weil der Schutz vor Belastung, der gewöhnlich durch große starre Schafte verursacht wird, reduziert wird.
Ein weiterer Nutzen liegt in der erheblich vergrößerten Oberfläche, die durch die Erfindung für die poröse Beschichtung zu verbesserten Befestigung des Einwachsens des Knochens zur Verfügung steht. Die poröse Beschichtung, die erfindungsgemäß aufgebracht wird, wirkt nicht nur mittels ihrer üblichen äußeren Oberfläche, die im wesentlichen mit der äußeren Oberfläche des Schaftes übereinstimmt oder parallel zu dieser verläuft. Vielmehr sind außerdem zwei zusätzliche Oberflächen wirksam, die im wesentlichen in parallel zu den Seitenwänden der Kanäle verlaufenden, aber von diesen beabstandeten radialen Ebenen liegen.
Andere und weitere Merkmale, Vorteile und Nutzeffekte der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung deutlich, die in Verbindung mit den Zeichnungen zu verstehen ist. Die vorangegangene allgemeine und die folgende detaillierte Beschreibung sind beispielhaft und erklärend, sollten aber die Erfindung nicht einschränken. Die beigefügten Zeichnungen, die einen Teil der Erfindungsdarstellung bilden, veranschaulichen eine Ausführungsform der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung allgemein zu erklären. In der gesamten Beschreibung beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Seitenansicht, die eine femorale Komponente für eine Hüftprothese veranschaulicht, die die Erfindung verkörpert;
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2--2 in Fig. 1;
Fig. 3A, 3B und 3C sind vergrößerte Detailansichten eines Teils des Querschnitts von Fig. 2, die ein poröses Medium von jeweils unterschiedlicher Dicke zeigen, das insbesondere für das Einwachsen von Knochen geeignet ist; und
Fig. 4 ist eine vergrößerte Detailansicht von der Seite, die ein modifiziertes distales Ende der in Fig. 1 gezeigten femoralen Komponente veranschaulicht.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In der Zeichnung zeigen die Fig. 1 und 2 beispielhaft eine gemäß der Erfindung ausgebildete femorale Komponente 20. Wie erläutert kann die Erfindung auf eine Vielfalt von Implantaten mit Schaft angewendet werden und muß nicht auf ein femorales Implantat beschränkt sein. Die femorale Komponente 20 ist mit einem Kopfteil 22 zum rotationsfähigen Eingriff in eine (nicht gezeigte) Hüftpfannenkomponente, einem länglichen Schaftteil 24 und einem Nackenteil 26, der integral in den Kopfteil und den Schaftteil übergeht, dargestellt. Der Schaftteil 24 hat in üblicher Weise eine Längsachse und eine äußere Oberfläche 28 und ist zur zementlosen Befestigung im intramedulären Kanal eines (nicht gezeigten) Oberschenkelknochens vorgesehen.
Wie in Fig. 1 veranschaulicht ist, erstreckt sich der Schaftteil 24 generell zwischen einem proximalen Abschnitt 30 in der Nachbarschaft des Nackenteils 26 und einem distalen Abschnitt 32 an dem von dem Nackenteil entfernten Ende. Ein mittlerer Abschnitt 34 des Schaftteils 24 ist in den Fig. 1 und 2 mit einer Mehrzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Kanälen 36 in umfangsverteilt beabstandeten Positionen dargestellt. Die Kanäle 36 sind durch eine Bodenfläche 38 und einander gegenüberliegende Seitenwände 40, 42 definiert. Die Tiefe und die Breite der Kanäle 36 kann beliebige, für ein bestimmtes Implantat geeignete Abmessungen haben. Die Bodenfläche 38 kann eben oder gekrümmt sein, wobei sie im wesentlichen der Oberfläche eines imaginären Zylinders entspricht, dessen Radius dem Abstand zu der Bodenfläche 38 entspricht. In ähnlicher Weise können die Seitenwände 40, 42 in winkelmäßig voneinander beabstandeten radialen Ebenen liegen, die durch die Längsachse des Schaftteils 24 verlaufen. Um Spannungsspitzen zu vermeiden, ist es wünschenswert, daß die Grenzlinie zwischen der äußeren Oberfläche 28 und den Seitenwänden 40, 42 und ähnlich auch die Grenzlinie zwischen den Seitenwänden und der Bodenfläche 38 abgerundet sind. Eine solche Konstruktion gewährleistet einen weichen Übergang zwischen den benachbarten Flächen anstelle scharfer Begrenzungslinien, die ungünstigerweise dazu führen würden, daß bestimmte Stellen übermäßig hohen Spannungen ausgesetzt wären.
Bei genauer Betrachtung von Fig. 2 wird man bemerken, daß die Kanäle auf der mit dem Buchstaben M bezeichneten medialen Seite des Schaftteils 24, die Druckbelastungen unterworfen ist, dichter verlaufen als auf der mit dem Buchstaben L bezeichneten lateralen Seite, die den höchsten Zugspannungen in den Fasern der äußeren Oberfläche 28 ausgesetzt ist. Dieses Konstruktionsmerkmal dient dazu, während des Herstellens der Kanäle 36 im Schaftteil 24 und anschließend beim Aufbringen der porösen Beschichtung jede Möglichkeit des Einkerbens der äußeren Oberfläche 28 zu vermeiden.
Es ist vorteilhaft, den proximalen Abschnitt 30 des Schaftteils 24, wie in Fig. 1 dargestellt, mit einem porösen Medium oder einer porösen Beschichtung 44 zu versehen. Der proximale Abschnitt 30 ist zwar der massivste Teil des Schaftteils 24, wird aber auch von dem massivsten Teil des Knochens aufgenommen und ist nicht Belastungen von der Größenordnung wie der mittlere Abschnitt 34 ausgesetzt. Daher ist es akzeptabel, daß seine gesamte Oberfläche mit dem porösen Medium versehen ist und insoweit auf die Vorteile der Kanäle 36 verzichtet wird.
Wegen der erhöhten zyklischen Belastungen, denen der mittlere Abschnitt 34 ausgesetzt ist, ist dort das poröse Medium 44 nur innerhalb des Bereiches der Kanäle 36 und nicht auf den äußeren Oberflächen 28 aufgebracht. Weiterhin in Übereinstimmung mit der Erfindung ist das poröse Medium 44, das zum Beispiel die unter der Handelsmarke "POROCOAT" erhältliche Beschichtung der DePuy-Dlvision der Firma Boehringer Mannheim sein kann, in geeigneter Weise fest mit der Bodenfläche 38 jedes Kanals 36 verbunden, während es von dessen Seitenflächen 40, 42 frei ist. Das poröse Medium, das dazu dient, die Befestigung durch Einwachsen von Knochen zu ermöglichen und zu fördern, hat somit eine äußere Oberfläche 46, die definiert ist durch eine erste Oberfläche 48, die in einer Ebene liegt, welche im allgemeinen parallel zu einer Ebene der äußeren Oberfläche 28 verläuft, und durch zweite und dritte Oberflächen 50, 52, die im allgemeinen in winkelmäßig voneinander beabstandeten radialen Ebenen liegen, die die Längsachse des Schaftteils 24 enthalten.
Wie man besonders gut aus den Fig. 2 und 3A, 3B und 3C ersehen kann, ist die zweite Oberfläche 50 von der Seitenwand 40 und die dritte Oberfläche 52 von der Seitenwand 42 beabstandet. Die erste Oberfläche 48 kann in einer Ebene mit der äußeren Oberfläche 28 liegen (Fig. 3A). Sie kann jedoch auch in einer Ebene 54 (Fig. 3B) liegen, die in einer von der Längsachse des Schaftes 24 weggerichteten Richtung außerhalb der Ebene der äußeren. Oberfläche 28 liegt. Dadurch entsteht während der Implantation zwischen dem Schaftteil 24 und dem Knochen eine Passung mit Übermaß, durch die die sofortige Stabilität des Implantats nach der Implantation in den Knochen wesentlich verbessert wird. In bestimmten anderen Fällen kann es wünschenswert sein, daß die erste Oberfläche 48 in einer Ebene verläuft, die sich näher an der Längsachse des Schaftteils 24 befindet, als die äußere Oberfläche 28, wie zum Beispiel die Ebene 56, die in Fig. 3C gezeigt ist. Ein solcher Fall kann zum Beispiel in einer Situation gegeben sein, bei der der zugrundeliegende Knochen brüchig ist, so daß jede zusätzliche Belastung vermieden werden sollte, oder bei Revisionsoperationen, wo keinerlei besonderer Vorteil damit verbunden wäre.
Fig. 4 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der Erfindung. Ein distaler Abschnitt 32A ist so modifiziert, daß er mit Kanälen 36 bis hinunter zu seinem spitzen Ende 58A versehen ist, in denen sich das poröse Medium 44 in der vorher beschriebenen Weise befindet. Eine solche Konstruktion würde das Knochenwachstum über alle Oberflächenbereiche des Schaftteils 24 fördern und dadurch die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Langzeitfixierung weiter erhöhen.
Somit wurden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen beschrieben. Für Fachleute ist jedoch klar, daß verschiedene andere Modifikationen der veranschaulichten Ausführungsformen möglich sind, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Künstliches Implantat (20) mit:

einem länglichen Schaftteil (24) mit einer Längsachse und einer äußeren Oberfläche (28), der zur zementlosen Befestigung im intramedulären Kanal eines langen Knochens vorgesehen ist, und

einem porösen Medium (44) zur Förderung der Befestigung durch Einwachsen von Knochen, das eine erste äußere Oberfläche (48) aufweist, die in einer Ebene liegt, welche im wesentlichen parallel zu einer Ebene der äußeren Oberfläche (28) verläuft,

wobei der Schaftteil (24) in umfangsverteilt beabstandeten Positionen eine Mehrzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Kanälen (36) aufweist, die jeweils definiert sind durch eine Bodenfläche (38) und einander gegenüberliegende Seitenwände (40,42), welche die Bodenfläche (38) mit der äußeren Oberfläche (28) verbinden,

dadurch gekennzeichnet, daß

das poröse Medium (44) an der Bodenfläche (38) der Kanäle (36) befestigt ist und zweite und dritte Oberflächen (50,52) aufweist, die von den Seitenwänden (40,42) beabstandet sind und dadurch frei bleiben.

2. Künstliches Implantat nach Anspruch 1, bei welchem die Ebene der ersten äußeren Oberfläche (48) in der Richtung weg von der Längsachse außerhalb der Ebene der äußeren Oberfläche (28) liegt.

3. Künstliches Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Seitenwände (40,42) weich in die Bodenfläche (38) und in die äußere Oberfläche (28) übergehen.

4. Künstliches Implantat nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in Form einer femoralen Komponente (20) für eine Hüftprothese,

welche einen Kopfteil (22) zum rotationsfähigen Eingriff in eine Hüftpfannenkomponente und einen Nackenteil (26) aufweist, der integral in den Kopfteil (22) und den Schaftteil (24) übergeht;

wobei sich der Schaftteil (24) zwischen einem proximalen Abschnitt (30) in der Nachbarschaft des Nackenteils (26) und einem distalen Abschnitt (32) an dem von dem Nackenteil entfernten Ende erstreckt und wobei der Schaftteil (24) einen mittleren Abschnitt (34) aufweist, der integral mit dem proximalen Abschnitt (30) und dem distalen Abschnitt (32) ausgebildet und zwischen diesen Abschnitten angeordnet ist, und wobei der mittlere Abschnitt (34) eine Mehrzahl von in Längsrichtung verlaufenden Kanälen (36) mit dem porösen Medium (44) aufweist.

5. Künstliches Implantat nach Anspruch 4, bei welchem jeder Kanal (36) ein poröses Medium (44) enthält.

6. Künstliches Implantat nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei welchem das poröse Medium (44) die äußere Oberfläche des proximalen Abschnitts im wesentlichen bedeckt.

7. Künstliches Implantat nach einem der Ansprüche 4 bis 6,

bei welchem der distale Abschnitt (32) eine Mehrzahl von in Längsrichtung verlaufenden Kanälen aufweist, die mit jeweils einem zugeordneten Kanal (36) in dem mittleren Abschnitt (34) in Verbindung stehen, wobei jeder distale Kanal durch eine Bodenfläche und einander gegenüber verlaufende Seitenwänden definiert ist, die die Bodenfläche mit der äußeren Oberfläche (28) verbinden; und

wobei das poröse Medium (44) mit der Bodenfläche der distalen Kanäle verbunden ist, während es von deren Seitenwänden frei ist, und das poröse Medium in den distalen Kanälen eine äußere Oberfläche zeigt, die im wesentlichen von einer ersten Oberfläche definiert ist, welche in einer im wesentlichen zu der äußeren Oberfläche parallel verlaufenden Ebene liegt.