DE2324867C3 - Bone stem and joint endoprosthesis and method for making the same - Google Patents
Bone stem and joint endoprosthesis and method for making the sameInfo
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Description
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Knochenschaft- und Gelenkendoprothese aus dichter Aluminiumoxid-Keramik für die zementfreie Implantation und ein Verfahren zur Herstellung derselben.The invention relates to a bone shaft and joint endoprosthesis made of dense aluminum oxide ceramic for cementless implantation and a method for making the same.
Solche Endoprothesen dienen zur Überbrückung von fehlenden Teilen des Knochenschaftes und zum Ersatz von Gelenken.Such endoprostheses are used to bridge missing parts of the bone shaft and to replace it of joints.
Es sind Knochenschaft- und Gelenkendoprothesen aus Aluminiumoxyd-Keramik mit Kunststoff-Imprägnierung bekannt (US-PS 37 13 860, GB-PS 13 14 468), die eine zementfreie Implantation ermöglichen sollen.They are bone shaft and joint endoprostheses made of aluminum oxide ceramic with plastic impregnation known (US-PS 37 13 860, GB-PS 13 14 468), which should enable cement-free implantation.
Es ist ferner bekannt, die Verankerung durch eine poröse Oberflächenstruktur zu fördern (DT-OS 34 316). Im bekannten Fall wird davon ausgegangen, daß die Aluminiumoxid-Keramik bioinert oder bioverträglich ist. Im weiteren wird dabei nach gegenwärtiger Kenntnis eine umso bessere mechanische Festigkeit erreicht, je weniger die betreffende Grenzfläche bewegt wird. Zur Vermeidung von Thrombosen ist jedoch anzustreben, daß sich der Patient bald nach der Operation bewegen kann.It is also known to promote anchoring through a porous surface structure (DT-OS 34 316). In the known case, it is assumed that the aluminum oxide ceramic is bioinert or biocompatible is. In addition, according to current knowledge, the better the mechanical strength achieved the less the interface in question is moved. To avoid thrombosis is however to strive for the patient to be able to move about soon after the operation.
Weiterhin ist eine Untersuchung bekannt (Biomed. ^0 Mater. Res. [1972] Vol. 6, 451 bis 464), bei der die Biokompatibilität einer Glaskeramik aus Siliciumdioxid, Calziumoxid, Natriumoxid und Phosphorpentoxid mit organischen Stoffen, Polymeren, Aminosäuren und anderen, und darüber hinaus eine gewisse Haftungs- ^5 bzw. Bindungsaktivität festgestellt wurden.Furthermore, an investigation is known (Biomed. ^ 0 Mater. Res. [1972] Vol. 6, 451 to 464), in which the biocompatibility of a glass ceramic made of silicon dioxide, calcium oxide, sodium oxide and phosphorus pentoxide with organic substances, polymers, amino acids and other, and beyond a certain liability ^ 5 or binding activity were detected.
Die Benutzung von Glaskeramik als Material für EndoDrothesen als Knochenschaft und Gelenkersatz ist jedoch au* alle Fälle beschränkt, bei denen die mechanische Belastung der Prothesen gering ist oder hauptsächlich eine Belastung auf Druck vorliegt, weil die Biegebruchfestigkeit von Glaskeramiken nicht sehr hoch ist Für die als Implantationsmaterial in Frage kommenden GJaskeramikzusammensetzungen liegt die Biegebruchfestigkeit unter 10 000 Newton/cm2. Diese Festigkeit reicht für Endoprothesen der hochbelasteten Knocken im Menschen nicht aus.The use of glass ceramic as a material for endodrotheses as a bone shaft and joint replacement is, however, limited to all cases in which the mechanical load on the prosthesis is low or where there is mainly pressure because the flexural strength of glass ceramics is not very high In the case of glass ceramic compositions in question, the flexural strength is below 10,000 Newtons / cm 2 . This strength is not sufficient for endoprostheses of the highly stressed knocks in humans.
Aus einem Implantat aus Glaskeramik, z. B. einem Knochenzwischenstück, diffundieren außerdem zeitlich unbegrenzt Ionen in das angrenzende Gewebe, was eine für das Implantat und das Gewebe untragbare Belastung darstellt.From an implant made of glass ceramic, e.g. B. a In addition, ions diffuse indefinitely into the adjacent tissue, resulting in a represents an intolerable burden for the implant and the tissue.
Glaskeramiken wurden auch bereits für die Verwendung an hochbelasteten Gelenk-Prothesen als Auftragsschichten für Metallteile, die der Verankerung der Prothese dienen, vorgeschlagen (DT-OS 23 06 552). Dieser Vorschlag bedingt Keramik-Metatl-Verbundkonstruktionen für derartige Prothesen mit allen Schwierigkeiten, die mechanisch hochbelastete Verbundkonstruktionen mit sich bringen.Glass ceramics were also already being used for this on highly stressed joint prostheses as application layers for metal parts that are used to anchor the Prosthesis are proposed (DT-OS 23 06 552). This proposal requires ceramic-Metatl composite constructions for such prostheses with all the difficulties that mechanically highly stressed composite structures entail.
Es ist ferner allgemein bekannt, daß das Anwachsen von Gewebe an dichte Aluminiumoxid-Keramikoberflächen dadurch verstärkt und beschleunigt werden kann, daß bei der Implantation in der Nähe dieser Oberflächen kleine Apatitkristalle, z. B. in Pulverform, eingelagert werden. Derartige Apatitkriställchen können z. B. aus Calcium-Aluminiumphosphat bestehen. Soweit bisher bekannt ist, werden derartige Kristallenen vom Körper abgebaut und resorbiert, wodurch in der Nähe der Grenzfläche Ionen zur Verfugung stehen, die für den Aufbau neuen Knochengewebes benötigt werden und nützlich sind. Die entsprechenden Versuche haben jedenfalls gezeigt, daß sich nach Einbringen derartiger Kriställchen in der Nähe der Implantatoberfläche schneller eine mechanisch feste Verbindung zwischen dem Implantat und dem umliegenden Knochengeweoe bildet. Das Einbringen von wachstumsstimulierenden Apatiten in Pulverform in die Nähe von Prothesenoberflächen aus dichter Aluminiumoxid-Keramik ist in der praktischen Operationstechnik schwer dosierbar. Es scheidet daher praktisch Für die klinische Anwendung aus.It is also well known that the growth of tissue onto dense alumina ceramic surfaces can be strengthened and accelerated by the fact that during the implantation in the vicinity of this Surface small apatite crystals, e.g. B. in powder form, are stored. Such apatite crystals can z. B. consist of calcium aluminum phosphate. As far as is known so far, such crystals are broken down and resorbed by the body, which means that ions are available in the vicinity of the interface, which are needed and useful for building new bone tissue. The corresponding attempts have shown in any case that after the introduction of such crystals near the implant surface a mechanically firm connection between the implant and the surrounding one faster Bone tissue forms. The introduction of growth-stimulating apatites in powder form in the vicinity of prosthesis surfaces made of dense aluminum oxide ceramic is in the practical surgical technique difficult to dose. It is therefore practically ruled out for clinical use.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Implantate zu schaffen, die Ionen in solcher Dosierung enthalten, daß ihre Diffusion in das Gewebe nach Eintritt der festen Verankerung des Implantates im Knochen aufhört.The invention is based on the object of creating implants that contain ions in such a dose that their diffusion into the tissue after the implant is firmly anchored in the bone stops.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß Ionen zum Steuern der Gewebereaktionen und zur Stimulation des Anwachsens von Gewebe nur in die Oberflächen, und zwar in die Oberflächen derjenigen Prothesenteile eingelagert sind, die der Befestigung der Prothesen dienen.The solution to this problem is that according to the invention ions to control the tissue reactions and to stimulate tissue growth only in the surfaces, namely in the Surfaces of those prosthesis parts are stored that are used to attach the prostheses.
Dichte Aluminiumoxid-Keramik hat eine hohe Biegebruchfestigkeit von mehr als 20 000 Newton/cm2, ausgezeichnete Gleiteigenschaften und hohe Verschleißbeständigkeit für die auf Reibung beanspruchten Teile von Gelenkendoprothesen und bietet darüber hinaus bereits in reinem Zustand die Möglichkeit der Bildung mechanisch fester Verbindungen zum Knochengewebe. Um jedoch die Zeit, die für die Bildung dieser mechanisch festen und tragfähigen Verbindung notwendig ist, kleiner zu halten, insbesondere das Operationstrauma zu überwinden, sind in die Oberflächen der Teile der Prothesen, die der Verankerung am angrenzenden Knochenraum dienen, vor der Implanta-Dense aluminum oxide ceramic has a high flexural strength of more than 20,000 Newton / cm 2 , excellent sliding properties and high wear resistance for the parts of joint endoprostheses that are subjected to friction and, in addition, offers the possibility of forming mechanically strong connections to the bone tissue even in its pure state. However, in order to keep the time required for the formation of this mechanically strong and stable connection shorter, in particular to overcome the surgical trauma, the surfaces of the parts of the prostheses that are used for anchoring to the adjacent bone space are to be
tion solche Ionen eingebracht, die die Bildung einer mechanisch festen Verbindung vom Knochengewebe zum Implantat verbessern, stimulieren und beschleunigen. tion introduced such ions that the formation of a Improve, stimulate and accelerate the mechanically firm connection between the bone tissue and the implant.
Aus diesem Zusammenhang sind aus der vorgenannten Literatur bereits Silizium-, Calcium-, Natrium- und Phosphorionen bekannt (Biomed. MaL, s. o.). Weiterhin haben sich die Ionen der folgenden Elemente für diese Wachstumsstimulation an verschiedenen Glaskeramikzusammensetzungen sowie bei der erfindungsgemäßen Einlagerung in Aluminiumoxid-Keramikoberflächen als vorteilhaft erwiesen: Lithium, Bor, Kohlenstoff, Fluor, Magnesium und/oder Kalium. Besonders günstig ist die Anwesenheit von Bor-, Silizium-, Phosphor-, Kalium- und Calciumionen.In this context, silicon, calcium, sodium and Phosphorus ions known (Biomed. MaL, see above). Farther have the ions of the following elements for this growth stimulation on different glass ceramic compositions as well as with the inclusion according to the invention in aluminum oxide ceramic surfaces as proven to be beneficial: lithium, boron, carbon, fluorine, magnesium and / or potassium. That is particularly cheap Presence of boron, silicon, phosphorus, potassium and calcium ions.
Die Einlagerung der Ionen in die betreffenden Oberflächen kann nach bekannten Methoden erfolgen.The ions can be incorporated into the surfaces in question by known methods.
Die Aufgabe der Einlagerung der Ionen kann besonders günstig durch Diffusion gelöst werden.The task of storing the ions can be achieved particularly favorably by diffusion .
Der Vorteil der Diffusion besteht bekanntlich darin, daß sich die Diffusionstiefe und die lonenkonzentration steuern läßt (Ficksches Gesetz).As is known, the advantage of diffusion is that the diffusion depth and the ion concentration are different controls (Fick's law).
Zum Beispiel können diejenigen Implamtatoberflächen, in die die Ionen eingebracht werden sollen, in die Oxide, Karbonate oder Salze oder die entsprechenden Gemische eingebettet und dann auf solche Temperaturen erhitzt werden, bei denen die betreffenden Ionen in die Implantatoberfläche eindiffundieren. Durch die Wahl der Temperatur für diese Behandlung und der Dauer, für die diese Temperaturbehandlung aufrechterhalten wird, kann die Menge der eindiffundierenden Ionen innerhalb verhältnismäßig großer Grenzen variiert und den für die Wachstumsstimulation des Gewebes günstigen Verhältnissen angepaßt werden. Durch eine Behandlung mit Säuren vor der eben genannten Wärmebehandlung kann das Eindiffundieren der Ionen bei dieser Behandlung noch verbessert werden.For example, those implant surfaces into which the ions are to be introduced, into the oxides, carbonates or salts or the corresponding Mixtures are embedded and then heated to temperatures at which the ions in question are in diffuse into the implant surface. By choosing the temperature for this treatment and the The amount of time for which this temperature treatment is maintained can be determined by the amount of diffusing Ions varied within relatively large limits and those for the growth stimulation of the Tissue are adapted to favorable conditions. By treatment with acids before the flat The heat treatment mentioned can improve the diffusion of the ions during this treatment will.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels weiter erläutert:The invention is further explained below using an exemplary embodiment:
Der Schaft des Femurteiles einer Hüftgelenkendoprothese aus dichter Aluminiumoxid-Keramik, die zur Implantation in Schafen vorgesehen ist, wird in ein Pulver eingebettet, das folgende Oxide und Salze enthält:The shaft of the femur part of a hip joint endoprosthesis made of dense aluminum oxide ceramic, which is used for Implantation provided in sheep is embedded in a powder, the following oxides and salts contains:
40% beta-Aluminiumoxid (Na2O · 11 AI2O3),40% beta-aluminum oxide (Na2O11 AI2O3),
30% Calciumborat (3 CaO · B2O3),
30% Calciumphosphat (4 CaO · P2O5).30% calcium borate (3 CaO B2O3),
30% calcium phosphate (4 CaO · P2O5).
Die eingebettete Prothese wird sodann in einem elektrisch beheizten Ofen auf die Temperatur 1300° C aufgeheizt und 16 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Nach dem Abkühlen und Reinigen von anhaftenden Pulverbestandteilen ist der vorher weiße Prothesenschaft dunkel gefärbtThe embedded prosthesis is then heated to a temperature of 1300 ° C. in an electrically heated oven heated and held at this temperature for 16 hours. After cooling and cleaning adhering powder components, the previously white prosthesis socket is colored dark
Diese Prothese wurde in einem Versuch einem Schaf, natürlich zusammen mit der unbehandelten Pfanne für die Hüftgelenkendoprothese, implantiert. Eine Prothese aus der gleichen Aluminiumoxid-Keramik, die jedoch nicht der Diffusionsbehandlung unterworfen war, wurde einem Schaf gleichen Alters und gleichen Gewichts implantiert Beide Schafe wurden nach 2 Monaten getötet, die Oberschenkel mit den Implantaten wurden entnommen und die Festigkeit des Sitzes der Prothese wurde geprüft Zum Entfernen der Prothese, die erfindungsgemäß Ionen in der Oberfläche enthielt, war eine um 30% höhere Kraft nötig als zum Entfernen der Vergleichsprothese.This prosthesis was made in an experiment for a sheep, of course, along with the untreated pan for the hip joint prosthesis, implanted. A prosthesis made from the same alumina ceramic but that was not subjected to the diffusion treatment, a sheep of the same age and weight became Both sheep were sacrificed after 2 months, the thighs with the implants removed and the firmness of the seat of the prosthesis was checked To remove the prosthesis, the according to the invention contained ions in the surface, was 30% more force is required than to remove the comparative prosthesis.
Die erfindungsgemäßen Prothesen besitzen gegenüber den Glaskeramikprothesen den Vorteil, daß bei ihnen das Herausdiffundieren von Ionen aus der Implantatoberfläche nach einiger Zeit vollständig abklingt, da die Gesamtmenge derartiger Ionen in der Oberfläche begrenzt ist, während aus Glaskeramikoberflächen Ionen immer weiter herausdifiundieren, da sie aus dem Inneren des Implantats nachgeliefert werden können. Nach Eintritt der festen Verankerung des Implantats im Knochen ist es jedoch vorteilhaft, wenn die Eindiffusion von Fremdionen aufhört, da für die Aufrechterhaltung stationärer Verhältnisse die Versorgung des Knochens über die Blutbahnen günstiger ist.The prostheses according to the invention have the advantage over the glass ceramic prostheses that with They completely prevent ions from diffusing out of the implant surface after a while decays because the total amount of such ions in the surface is limited, while from glass-ceramic surfaces Ions continue to diffuse out, as they are replenished from inside the implant be able. After the implant is firmly anchored in the bone, however, it is advantageous if the diffusion of foreign ions ceases, as the supply is needed to maintain stationary conditions of the bone via the bloodstream is cheaper.
Claims (6)
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| DE2324867A1 DE2324867A1 (en) | 1974-11-28 |
| DE2324867B2 DE2324867B2 (en) | 1975-07-24 |
| DE2324867C3 true DE2324867C3 (en) | 1976-08-12 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2703814A1 (en) * | 1977-01-29 | 1978-08-03 | Greenspan Donald | Dense alumina prosthetic bone implants - coated with biologically active glass |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2703814A1 (en) * | 1977-01-29 | 1978-08-03 | Greenspan Donald | Dense alumina prosthetic bone implants - coated with biologically active glass |
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