CH617342A5

CH617342A5 - Joint prosthesis which can be anchored without cement in the medullary cavity of a bone, and method for its production

Info

Publication number: CH617342A5
Application number: CH949877A
Authority: CH
Inventors: Caius Prof Dr Burri; Dietmar Dr Med Wolter
Original assignee: Sigri Elektrographit Gmbh
Priority date: 1976-08-04
Filing date: 1977-08-02
Publication date: 1980-05-30
Also published as: AT351154B; GB1527067A; ATA474777A; FR2360295B3; DE2634954A1; FR2360295A1

Description

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Prothese, die die Nachteile eingekitteter oder zementierter Prothesen nicht aufweist, die Vaskularisation des Knochengewebes und eine primäre postoperative Belastung ermöglicht und die eine über einen längeren Zeitraum beständige Verbindung ergibt. Diese Aufgabe wird bei der Prothese durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 und beim Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 6 definierten Massnahmen gelöst.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Prothese sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 und eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist im Patentanspruch 7 umschrieben.

Der rohrförmige Prothesenschaft ist aus einem der mechanischen Beanspruchungen genügenden Material gefertigt, in besonders vorteilhafter Ausgestaltung gemäss Patentanspruch 2. Bei der vorteilhaften Ausgestaltung nach Patentanspruch 3 fällt die Längserstreckung der Fasern innerhalb einer Schar mit einer Hauptbelastungsrichtung zusammen. Derartige, dem natürlichen Knochengewebe analoge Strukturen ermöglichen die gezielte Einleitung und Ableitung von Kräften. Bei der vorteilhaften Ausgestaltung nach Patentanspruch 4 bewirkt das übereinstimmende oder nahezu übereinstimmende elastische Verhalten von Knochen und Prothese eine gleichförmige, übermässige Belastung des Knochens abschliessende Krafteinleitung vom Knochen auf die Prothese und umgekehrt und eliminiert damit Störungsreize, die ein dauerhaftes Verwachsen der Prothese im Knochengewebe beeinträchtigen. Besonders vorteilhaft ist auch die Ausgestaltung nach Patentanspruch 5, weil Glaskeramik geeignet ist, mit dem Knochengewebe eine innige Verbindung einzugehen.

Unter Kohlenstoff im Sinne der Erfindung sind ausschliesslich oder nahezu ausschliesslich aus dem Element Kohlenstoff bestehende Formkörper zu verstehen, also auch Formkörper aus Graphit. Kohlenstoff und Graphit sind physiologisch neutrale Werkstoffe, deren Elastizitätsmodul durch eine Verstärkung mit Kohlenstoffasern in einfacher Weise dem Elastizitätsmodul des Knochengewebes angepasst werden kann.

Die Herstellung geschieht wie folgt:

Zur Herstellung des rohrförmigen Prothesenschafts werden zweckmässig Kohlenstoffasern in der jeweils bevorzugten Orientierung auf einen Dorn gewickelt. Der Wickelkörper wird mit einem härtbaren Kunstharz, z. B. einem Phenolformaldehydharz, einem Furanharz oder Gemischen dieser Harze imprägniert und daran anschliessend zum Härten und Carbonisieren des Harzes zunächst auf etwa 200° C und dann in einer inerten Atmosphäre auf etwa 1000° C erhitzt. Falls erforderlich, wird die Imprägnierung mehrfach wiederholt, wobei sich an jeden Imprägnierschritt ein Härtungs- und ein Carbonisie-rungsschritt anschliesst, bis der Elastizitätsmodul etwa 10 bis 40 kN/mm2 und die Biegefestigkeit etwa 50 bis 100 N/mm2 betragen und die Elastizitätsmoduln von Knochengewebe und Prothesenschaft übereinstimmen. Der rohrförmige Prothesen5

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schaft wird dann durch Bohren mit einer Vielzahl von Durchbrüchen versehen, deren Durchmesser zweckmässig etwa 3 bis 5 mm beträgt und die gleichmässig oder in beliebiger Anordnung über die Mantelfläche verteilt sind. Der Prothesenkopf, der beispielsweise ebenfalls aus Kohlenstoff, aus mit einer Ke- 5 ramikschicht - z. B. aus Aluminiumoxid - oder einem Kunstharz — z. B. Polyäthylen — beschichteten Kohlenstoff oder auch aus einem Metall besteht, ist beispielsweise durch eine Schraubverbindung mit dem Prothesenschaft fest verbunden. In die Mantelfläche des Rohres wird schliesslich ein Gewinde 10 geschnitten.

Die Wirkungsweise ist folgende:

Zur Befestigung der Prothese, deren Schaftlänge im Falle einer Hüftgelenkprothese etwa 15 bis 25 cm betragen soll, 15 wird der Markraum des Oberschenkelknochens in entsprechender Länge ausgearbeitet und mit einem Gewinde versehen. Der eingeschraubte, rohrförmige Prothesenschaft entspricht weitgehend der normalerweise ebenfalls rohrförmigen Knochenstruktur, so dass der Kraftschluss von der Prothese auf den Knochen und umgekehrt den natürlichen Bedingungen nahekommt. Wenn ausserdem die Elastizität von Knochen und Prothesenschaft übereinstimmen, wird die als «Stress Protection» bezeichnete Spongiosierung des Knochens und die darauf zurückzuführende Schwächung vermieden. Die Durchbrüche des Prothesenschafts ermöglichen eine Versorgung des Knochens mit Gefässen vom Markraum her, so dass auch in dieser Beziehung nahezu natürliche Bedingungen vorliegen. Die der Knochenstruktur angepasste Form des Prothesenschafts, die übereinstimmende Elastizität von Knochen und Prothese und die Revaskularisation ermöglichen es, die Standzeit der Prothese ganz beträchtlich zu verlängern.

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Claims

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1. Zementfrei in den Markraum eines Knochens verankerbare Gelenkprothese, dadurch gekennzeichnet, dass der Prothesenschaft als Rohr ausgebildet ist, dessen Wandung mit einer Vielzahl von Durchbrüchen versehen ist und dessen äussere Mantelfläche ein Schraubgewinde aufweist.

2. Gelenkprothese nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kohlenstoff besteht.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Gelenkprothese nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffasern in mehreren gegeneinander geneigten Scharen parallel zur Mantelfläche im Rohr angeordnet sind.

4. Gelenkprothese nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul des Prothesenschafts dem Elastizitätsmodul des Knochens entspricht.

5. Gelenkprothese nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der äusseren Mantelfläche des Rohrs mit einer Glaskeramikschicht versehen ist.

6. Verfahren zur Herstellung der Gelenkprothese nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man Kohlenstoffasern auf einen Dorn wickelt, dass man den Wickelkörper mit einem härtbaren Kunstharz imprägniert, dass man den Wickelkörper zum Aushärten und Carbonisieren des Kunstharzes erhitzt, dass man die Wandung des so erhaltenen Pro-thesenschaftrohlings durch Bohren mit einer Vielzahl von Durchbrüchen versieht und dass man in dessen Mantelfläche ein Schraubgewinde einschneidet

7. Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man vor dem Bohren das Imprägnieren mehrfach wiederholt, wobei nach jedem Imprägnierschritt auch das Erhitzen wiederholt wird.

Der Ersatz von belasteten und unbelasteten, durch degenerative, entzündliche, traumatische oder sonstige Ursachen in ihrer Funktionsfähigkeit geschädigten Gelenken durch künstliche Gelenkteile ist bekannt. Voraussetzungen für ein zufriedenstellendes Verhalten künstlicher Gelenkteile, die je nach der beabsichtigten Anwendung aus Metallen, Kunststoffen und Keramik — eingeschlossen Kohlenstoff — hergestellt worden sind, sind unter anderem eine gute Gewebeverträglichkeit sowie die Aufnahme der vielfältigen auf das Gelenk wirkenden mechanischen Kräfte und deren günstige Ableitung auf das körpereigene Knochengewebe. Die Immobilationsperiode nach der Gelenkimplantation sollte schliesslich möglichst kurz sein, um typische Komplikationen wie Lungenentzündungen und Embolien zu vermeiden.

Für die Funktionsfähigkeit eines künstlichen Gelenks über eine längere Zeit ist die Erfüllung dieser Bedingungen allein nicht ausreichend. Es muss zudem eine dauerhafte und physiologisch neutrale Verbindung zwischen dem Implantat und dem Körpergewebe bestehen. Zur Herstellung einer derartigen Verbindung ist es bekannt, den Knochen mit geeigneten Ausnehmungen zu versehen, die Ausnehmungen mit Kittmasse oder einem Zement, z. B. Methylmethacrylat, zu füllen und dann schaft- oder zapfenförmige Fortsätze der Prothese in die Ausnehmungen einzudrücken. Nach der Erhärtung der Masse ist die Prothese fest im Knochen verankert.

Die Erfahrungen mit diesen Verankerungen sind wenig befriedigend, da die durchschnittliche Standzeit nur etwa 4 bis 5 Jahre beträgt. Die Gründe für die Lockerung derartiger Prothesen sind chemischer und mechanischer Natur. Methylmethacrylat enthält etwa 3 bis 4% nichtpolymerisierbare, toxische Restmonomere. In der Grenzschicht zur Prothese ist die Bildung von Fremdkörperriesenzellen und Entzündungszellen zu beobachten, und mit der Zeit kommt es zur Ausbildung einer Bindegewebeschicht, welche der direkte Anlass für die Lockerung der Montage ist. Die Lockerung führt zu Resorptionserscheinungen im anliegenden Knochengewebe, wodurch der Lockerungseffekt noch zusätzlich verstärkt wird. Ein erneuter operativer Eingriff, der die Erstimplantation bei weitem an Schwierigkeiten und Ausmass übertrifft, ist unvermeidbar.

Eine Resorption des Knochens kann ebenfalls durch örtliche Spannungskonzentrationen und durch Elastizitätsunterschiede der Verbindungsglieder hervorgerufen werden. Da die Vaskularisation des Knochens zum überwiegenden Teil von den Markraumgefässen erfolgt, sollte der Prothesenschaft schliesslich derart gestaltet sein, dass die Vaskularisation in ausreichendem Masse gewährleistet ist.