PL186803B1

PL186803B1 - Sztuczny staw, w szczególności staw biodrowy i sposób wytwarzania sztucznego stawu, w szczególnościstawu biodrowego

Info

Publication number: PL186803B1
Application number: PL97329283A
Authority: PL
Inventors: Manfred Semlitsch
Original assignee: Ct Pulse Orthopedics Ltd
Priority date: 1996-04-12
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 2004-02-27
Also published as: EP1767170A3; DE59710619D1; RU2182474C2; CN1204953A; ES2205171T3; CA2251334C; ATE247440T1; EP0892627A1; PL329283A1; EP1340477A3; CA2251334A1; EP1340477B1; JP4131750B2; AU716129B2; US6126695A; WO1997038650A1; EP1340477A2; EP1767170A2; CZ327398A3; JP2000508212A

Abstract

1 . Sztuczny staw, w szczególnosci staw biodro- wy, z panewka lozyskowa, która ma wklesla powierzch- nie kulista A ze srodkiem M„ i z kula stawowa, która ma wypukla powierzchnie kulista B ze srodkiem MK , która jest umieszczona z reguly obrotowo-symetrycznie wzgledem osi zamocowania D w kierunku szyjki udowej trzonu sztucznego stawu biodrowego, znamienny tym, ze panewka lozyskowa (1) i kula stawowa (2) sa wyko- nane z odpornego na scieranie materialu metalicznego, ze wklesla powierzchnia lozyskowa (A) panewki lozy- skowej (1) ma sredni promien (Rm ) i wypukla po- wierzchnia lozyskowa (B) kuli stawowej (2) ma sredni promien (rm ), przy czym ich róznica wynosi 35 µ m < Rm - rm < 85 µ m, ze blad ksztaltu wkleslej powierzchni lozysko- wej (A) w zakresie jej kata ograniczajacego 90° < a < 180° jest mniejszy niz plus/minus 7,5 µ m, ze blad ksztaltu wypuklej powierzchni lozyskowej (B) w zakresie jej kata ograniczajacego ß 140° jest mniejszy niz plus/minus 2 µ m, i ze kula stawowa (2), poza wypukla powierzchnia lozy- skowa (B) jest przedluzona o cofnieta powierzchnie (C), która ma mniejsza odleglosc od srodka (Mk) niz wypukla powierzchnia lozyskowa (B), natomiast chropowatosc wkle- slej powierzchni lozyskowej (A) odpowiada wartosci Ra < 0,08 µ m i chropowatosc wypuklej powierzchni lozysko- wej (B) odpowiada wartosci Ra < 0,08 µ m. Fig.3 PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sztuczny staw, w szczególności staw biodrowy, i sposób wytwarzania sztucznego stawu, w szczególności stawu biodrowego.

Znane są sztuczne stawy, zwłaszcza stawy biodrowe, z panewką łożyskową, która ma wklęsłą powierzchnię kulistą i z kulą stawową, która ma wypukłą powierzchnię kulistą i która jest umieszczona z reguły obrotowo-symetrycznie względem osi zamocowania w kierunku szyjki udowej trzonu sztucznego stawu biodrowego.

Sztuczne stawy wymagają kojarzenia materiałów poruszających się względem siebie elementów łożyskowych, które mają dobre właściwości użytkowe w tych wyjątkowych warunkach. Dlatego, klasyczny punkt wyjścia do zestawiania materiałów polega na kojarzeniu nierównych partnerów. Tak więc tworzy się kombinacje stosunkowo miękkich panewek łożyskowych z polietylenu z twardymi, metalowymi lub ceramicznymi kulami stawowymi, a w początkach sztucznych stawów biodrowych zestawiano ze sobą materiały metaliczne o różnej twardości i odporności na ścieranie. Mimo wszelkich starań w takich kombinacjach materiałów nie można było całkowicie wyeliminować ścierania się elementów współpracujących. W przypadku polietylenu występuje na przykład w stawie biodrowym ścieranie, które powoduje w ciągu roku obniżenie się powierzchni łożyskowej o około 0,2 mm w kierunku działania siły głównej, a w przypadku powierzchni metalicznych występuje również ścieranie powierzchni z powodu

186 803 obciążeń punktowych i mikrozgrzewów, przy czym z chwilą rozpoczęcia się tych zjawisk dotykają one bardzo szybko całej powierzchni przypora.

W publikacji Streichera „Badanie trybologicznego zachowania się kombinacji metal/metal dla sztucznych stawów biodrowych (BIOMEDIZINISCHE TECHNIK, Tom 35, nr 5, 1990, Berlin, Niemcy, str. 107-11) opisano układy badawcze, które umożliwiają rzeczywiście dokładny pomiar ścierania przy badaniach ścierania w sztucznych stawach biodrowych. Badano ścieranie pomiędzy jednakowymi stopami CoCrMo i stopem CoCrMo względem UHMWPE jako odniesieniem. Przebadane zostały pary panewka łożyskowa - kula stawowa z luzem różnej wartości. Analiza badań przeprowadzona była poprzez stały odczyt momentu tarcia, jak również przez okresowy pomiar elementów składowych implantu. Oprócz tego stosowana była metoda aktywacji cienkowarstwowej, aby móc stwierdzić również małe prędkości ścierania. Analiza pokazała tylko niewielką zależność tarcia od prędkości ślizgania się, jak również większy moment tarcia stopu CoCrMo względem siebie w porównaniu do momentu tarcia względem polietylenu. Redukcja średnicy łożyska w obszarze łożyska z parą polimer/metal wykazała dla pary ze stopów CoCrMo do przeróbki plastycznej podobne straty tarcia jak przy parze polimer/metal. Dla ścierania przy takim samym luzie wykazany został wpływ średnicy łożyska. Oprócz tego wykazano, że moment tarcia dla pary metal/metal po fazie wprowadzania z wyższym momentem tarcia może się zmniejszać. Nie wykazano, jaka geometria początkowa jest konieczna, aby dojść do par o minimalnym ścieraniu, ani nie przedstawiono sposobów, które prowadziłyby do poprawy sytuacji.

Problemem zmniejszenia ścieralności i wyeliminowania tworzenia się odkształceń w postaci grzbietów na metalowych stawowych powierzchniach łożyskowych zajmuje się opis WO 97/16138 Al. Sztuczny staw tam opisany, dla rozwiązania tego problemu spełnia określone warunki geometryczne, a zwłaszcza posiada precyzyjnie ukształtowane powierzchnie współpracujące. Posiada on panewkę stawową przyłączoną do jednej kości i zawierającą element z półkolistą wnęką z pierwszą twardą sferoidalną powierzchnią stawową o promieniu R] i drugi element stawu, który ma postać generalnie kulistego elementu mocowanego do drugiej kości mającego drugą sferoidalną powierzchnię stawową o promieniu R3 ślizgowo stykającą się z pierwszą powierzchnią w obszarze ścisłego kontaktu. Obszar ścisłego kontaktu oznacza obszar, w którym stykają się powierzchnie wyznaczone przez promienie R1 i R3. przy zachowaniu określonej różnicy promieni, określonej wartości kąta rozciągania się tych powierzchni i chropowatości powierzchni.

Zadaniem wynalazku jest otrzymanie sztucznego stawu, zwłaszcza stawu biodrowego o niskim ścieraniu powierzchni łożyskowych, oraz dostarczenie sposobu wytwarzania takiego stawu.

Zadanie to zostało rozwiązane zgodnie z wynalazkiem w zakresie sztucznego stawu, w szczególności stawu biodrowego, z panewką łożyskową, która ma wklęsłą kulistą powierzchnię łożyskową A ze środkiem M_s, i z kulą stawową, która ma wypukłą kulistą powierzchnię łożyskową B ze środkiem Mk, która jest umieszczona z reguły obrotowosymetrycznie względem osi zamocowania D w kierunku szyjki udowej trzonu sztucznego stawu biodrowego przez to, że panewka łożyskowa i kula stawowa są wykonane z odpornego na ścieranie materiału metalicznego, że wklęsła powierzchnia łożyskowa A panewki łożyskowej ma średni promień R_m a wypukła powierzchnia łożyskowa B kuli stawowej ma średni promień rm, przy czym ich różnica wynosi 35 pm < Rm - rm< 85 pm, że błąd kształtu wklęsłej powierzchni łożyskowej A w zakresie kąta ograniczającego 90° < α < 180° jest mniejszy niż plus/minus 7,5 pm, że błąd kształtu wypukłej powierzchni łożyskowej B w zakresie kąta ograniczającego β > 140° jest mniejszy niż plus/minus 2 pm, i że kula stawowa poza wypukłą powierzchnią łożyskową B jest przedłużona o cofniętą powierzchnię C, która ma mniejszą odległość od środka Mk niż wypukła powierzchnia łożyskowa B, natomiast chropowatość wklęsłej powierzchni łożyskowej A odpowiada wartości Ra < 0,08 pm i chropowatość wypukłej powierzchni łożyskowej B odpowiada wartości Ra < 0,08 pm.

Dzięki utworzeniu, zwymiarowaniu i dobraniu w pary powierzchni łożyskowych z jednakowego, odpornego na ścieranie materiału metalicznego uzyskuje się między tymi powierzchniami geometrię, która wraz z efektem kapilarnym płynu ustrojowego i wyporem mię186 803 dzy ślizgającymi się po sobie powierzchniami łożyskowymi eliminuje w znacznym stopniu mikrozgrzewy i ścieranie. Wyeliminowanie mikrozgrzewów umożliwia wykorzystanie dodatnich właściwości identycznych, odpornych na ścieranie materiałów metalicznych, jak odporność na obciążenia dynamiczne, trwałość kształtu i sprężystość. Powstają powierzchnie na jednofazowej strukturze, które nie pękają pod dużym obciążeniem z powodu różnicy twardości między powierzchnią i korpusem ani nie odspajają się od korpusu. Jednocześnie powierzchnie łożyskowe są dobrze dopasowane do siebie, tak, że nie ma niedopuszczalnego nacisku powierzchniowego w stanie bezruchu.

Szczególnie przydatnymi materiałami są stopy kobaltu, chromu, niklu, jak na przykład według ISO 5832/4 materiał o nazwie PROTASUL 21 WF firmy SULZER AG, gdy produkuje się go metodą, w której kołowa tworząca kształt kuli również obraca się, jednak na swojej osi obrotu jest przekręcona względem osi obrotu przedmiotu obrabianego, aby szlifować, gładzić i polerować kulę aż do uzyskania zadanych tolerancji średnicy, dokładności kształtu i jakości powierzchni.

Efekt ten jest jeszcze lepszy, gdy chropowatość powierzchni łożyskowych A i B odpowiada wartości Ra < 0,05 mm.

Zgodnie z wynalazkiem, panewka łożyskowa na swojej stronie zewnętrznej jest połączona poprzez połączenie, z elementem pośrednim, który jest połączony rozłącznie z zewnętrzną miseczką panewki.

Korzystnie, materiał elementu pośredniego jest ponad dziesięć razy bardziej sprężysty niż materiał metalowej panewki łożyskowej.

Zgodnie z wynalazkiem, kula stawowa jest połączona z trzonem za pomocą rozłącznego w kierunku osi zamocowania D połączenia stożkowego.

Rozłączne połączenia powłok wewnętrznych są znane z zastosowania powłok ze stosunkowo sprężystego polietylenu. Nie dają się one przejąć przez powłoki wewnętrzne z materiałów metalicznych, z zasady bardziej wytrzymałych i ciągliwych. Przemawiają przeciw temu funkcja i metoda wytwarzania. Dlatego celowe jest trwałe połączenie panewki łożyskowej na jej stronie zewnętrznej z elementem pośrednim ze sprężystego tworzywa sztucznego, jak na przykład polietylen, który ze swej strony może być połączony rozłącznie z zewnętrzną miseczką. W szczególności nawet wszczepiane miseczki z tworzywa sztucznego mogą być zastąpione przez metaliczną panewkę łożyskową, jeśli połączenie rozłączne elementu pośredniego jest takie same, a także mogą być wymienione, wymagające precyzji kule stawowe przy trzonach protezowych, gdy kule te dysponują na trzonie połączeniem rozłącznym, na przykład rozłącznym połączeniem stożkowym. Dzięki ukształtowaniu kuli stawowej i panewki łożyskowej z możliwością wymiany, można je dostarczać w opakowaniu sterylnym aż na stół operacyjny. Kontrola położenia implantowanego stawu odbywa się jeszcze z manipulacyjnymi kulami stawowymi, które nie uszkadzają panewki, natomiast precyzyjne kule wstawia się dopiero pod koniec zabiegu.

Interesujące okazało się, że dla kojarzenia pary metal/metal odpornej na ścieranie przy zadanej chropowatości Ra, błędy kształtu poszczególnych części odgrywają dla smarowania większą rolę niż szerokość zakresu, w obrębie którego powinna mieścić się różnica średnich promieni Rm - r_m. Przy normalnej dla sztucznych stawów biodrowych średnicy nominalnej kul stawowych, na przykład 28 mm, różnica średnich promieni może wynosić 35 pm < Rm - rm< 85 pm, co odpowiada szerokości zakresu 50 pm, gdy wychodzi się od bezwzględnych żądanych wymiarów produkcyjnych a nie od wybiórczych kojarzeń. W przypadku połowy tego zakresu, przy produkcji obu tych części średni promień Rm albo rm należałoby wykonać z dokładnością 25 pm. Wartości te są dostatecznie duże, żeby można było zrezygnować z kojarzenia wybiórczego i mieć możliwość dobierania każdej kuli z każdą panewką. Jednak jest to możliwe tylko wtedy, gdy osiągnie się odpowiednią dokładność kształtu. Trzeba jej przestrzegać bardzo starannie i wymaga to specjalnych metod produkcji, żeby utrzymać wymagane wielkości tolerancji.

Zadane wielkości średnicy, dokładności kształtu i chropowatości uzyskuje się za pomocą zgodnego z wynalazkiem sposobu wytwarzania elementów sztucznego stawu.

I tak, sposób wytwarzania sztucznego stawu, w szczególności sztucznego stawu biodrowego, w którym panewka łożyskowa jest z materiału odpornego na ścieranie i jest wstęp6

186 803 nie obrobiona w obszarze późniejszej wklęsłej powierzchni łożyskowej A, z niedomiarem, a kula stawowa jest z materiału odpornego na ścieranie i jest wstępnie obrobiona w obszarze późniejszej wypukłej powierzchni łożyskowej, z nadmiarem, zgodnie z wynalazkiem charakteryzuje się tym, że wstępnie obrobioną panewkę, jako przedmiot obrabiany, mocuje się jej osią biegunową w osi obrotu wrzeciona obrabiarki i że podczas obrotu przedmiotu obrabianego, dociska się kołowo-walcową ściernicę, zamocowaną obrotowo współosiowo z osią obrotu wrzeciona narzędziowego, jej kołową krawędzią strony czołowej, z dodaniem materiału ściernego, do wklęsłej powierzchni łożyskowej A panewki, przy czym oś obrotu wrzeciona narzędziowego przecina się pod kątem odchylenia δ < 90° z osią obrotu wrzeciona i przedmiotu obrabianego w punkcie, i przy czym dociska się ściernicę przez to, że dosuwa się wrzeciono narzędziowe w kierunku jego osi obrotu.

Kąt odchylenia 5 między osią obrotu wrzeciona narzędziowego i osią obrotu wrzeciona obrabiarki ustawia się w zakresie między 45° i 39° i zewnętrzną średnicę da kołowej krawędzi ściernicy dobiera się tak, że zachowana jest zależność

1,6 R< <2,2R.

cos δ

Korzystnie, panewka łożyskowa jako przedmiot obrabiany obraca się z prędkością ns, natomiast kołowo-cylindryczna ściernica ma w przybliżeniu dwukrotnie większą niż przedmiot obrabiany prędkość obrotową n_w> która korzystnie nie stanowi całkowitej wielokrotności prędkości obrotowej przedmiotu obrabianego.

W sposobie według wynalazku obrabia się panewkę stawową za pomocą szlifowania, wygładzania albo polerowania.

Dalej, zgodny z wynalazkiem sposób wytwarzania sztucznego stawu, w szczególności stawu biodrowego, w którym panewka łożyskowa jest z materiału odpornego na ścieranie i jest wstępnie obrobiona w obszarze późniejszej wklęsłej powierzchni łożyskowej A, z niedomiarem, a kula stawowa jest z materiału odpornego na ścieranie i jest wstępnie obrobiona w obszarze późniejszej wypukłej powierzchni łożyskowej, z nadmiarem, charakteryzuje się tym, że wstępnie obrobioną kulę stawową mocuje się, jako przedmiot obrabiany, jej osią zamocowania D w osi obrotu wrzeciona obrabiarki i że podczas obrotu przedmiotu obrabianego dociska się kołowo-cylindryczną ściernicę, zamocowaną obrotowo współosiowo z osią obrotu wrzeciona narzędziowego, kołową krawędzią jej strony czołowej, z dodaniem materiału ściernego, do wypukłej powierzchni łożyskowej B kuli stawowej.

Korzystnie, kąt odchylenia y między osią obrotu wrzeciona narzędziowego i osią obrotu wrzeciona obrabiarki ustawia się w zakresie między 20° i 60° a wewnętrzna średnica di kołowej krawędzi ściernicy spełnia warunek

1,8 r > di > 1,1 r.

Kulę stawową jako przedmiot obrabiany obraca się z prędkością nK, natomiast kołowocylindryczna ściernica ma w przybliżeniu dwukrotnie większą prędkość n_w od prędkości przedmiotu obrabianego, która korzystnie, jest mniejsza od całkowitej wartości podwójnej prędkości obrotowej przedmiotu obrabianego.

Kulę stawową obrabia się za pomocą szlifowania, wygładzania albo polerowania.

Korzystnie, podczas obróbki kuli stawowej wykonuje się pomiar średnicy na wypukłej powierzchni łożyskowej B, wzdłuż prostej poprowadzonej poprzez jej środek Mr.

Układ taki ma tę zaletę, że narzędzie i przedmiot obrabiany - w ramach sztywności wrzecion, na których są zamocowane - centrują się wzajemnie na powierzchniach obrabianych. Ze względu na ruch staczania występuje ścieranie na przedmiocie obrabianym i na narzędziu, w wyniku czego tworzy się powierzchnia kulista na obu częściach. Na narzędziu, przy załamanej krawędzi na stronie czołowej, powstaje wąskie kołowe pasmo powierzchni kulistej, natomiast na przedmiocie obrabianym powstają kuliste powierzchnie łożyskowe A, B o takim samym kształcie. Dzięki temu, że każdy punkt powierzchni roboczej narzędzia styka

186 803 się z każdym punktem powierzchni obrabianej, powstają dokładne wycinki powierzchni kulistych łożyskowych A i B.

Przy wytwarzaniu wklęsłej powierzchni łożyskowej A panewki łożyskowej dobrze jest wybrać kąt między osiami obrotu panewki i narzędzia, kąt odchylenia, w granicach 39° - 45°, żeby powstał możliwie duży kąt ograniczający a dla powierzchni łożyskowej, ponieważ wtedy można wybrać tak dużą średnicę dla tworzącej powierzchni kulistej i odpowiadającego jej cylindra, że kąt ograniczający a może wzrosnąć do 180° bez zetknięcia się tego cylindra z krawędzią wewnętrzną panewki łożyskowej. Tak więc, potrzebny jest tylko jeden ruch dosuwu w kierunku osi obrotu narzędzia, żeby dojść do większego kąta ograniczającego a. Przy kącie ograniczającym a znacznie mniejszym od 180° można wprawdzie wybrać dla tworzącej większą średnicę koła, ale wtedy tworząca ma styczność tylko jako koło przerywane.

Podczas wytwarzania kuli stawowej okazało się, że właściwie już wypukła powierzchnia łożyskowa B z jej kątem ograniczającym β około 180° przy dokładności kształtu plus/minus 2 pm wystarczy do działania łożyska, o ile z jednej strony wszystkie inne części powierzchni na kuli stawowej są cofnięte i z drugiej strony, w stanie normalnego obciążenia, równik panewki i wypukłej powierzchni łożyskowej B są ustawione w przybliżeniu równolegle do siebie. Kąt odchylenia y narzędzia obrotowego z kołowo-walcowym cylindrem wydrążonym można nastawić w większych granicach, na przykład między 60° do 20°, żeby wytworzyć wypukłą powierzchnię B łożyskową. Ponieważ tworząca powierzchni kołowopierścieniowej nawet przy kącie ograniczającym β ponad 180° nie dochodzi do środka wypukłej powierzchni łożyskowej B, można rozpoznawać średnicę kuli stawowej na wypukłej powierzchni łożyskowej B podczas obróbki, na przykład za pomocą czujnika stykowego z obsadzonymi diamentem obwiedniami, żeby dostatecznie dokładnie ekstrapolować pozostały czas obróbki.

Pomijając polerowanie promienia początkowego na równiku wklęsłej powierzchni łożyskowej A panewki łożyskowej, inne operacje potrzebne do uzyskania odpowiedniej dokładności panewki i kuli stawowej można wykonywać automatycznie na obrabiarce sterowanej numerycznie.

Małe zużycie kuli stawowej i panewki łożyskowej daje ponadto tę korzyść, że po wykonaniu sposobem według wynalazku nie jest konieczna ponowna operacja z powodu pogarszających się powierzchni łożyskowych. Dlatego kule stawowe przy cementowanych trzonach protezowych można połączyć w jedną część z trzonem, a przy bezpośrednio wszczepianych trzonach, na przykład z tytanu, można mocować za pomocą połączenia stałego, o ile technika operacyjna nie przewiduje, ze względu na brak miejsca, późniejszego mocowania kuli na implantawanym trzonie.

W szczególności opłaca się stosować anatomicznie dopasowane i trwale osadzane trzony, które mają kształt esowy z pierwotną wersją (Anteversion) bliższej strefy szyjkowej i z końcem trzonu, w stosunku do późniejszego, odstającym w krzywiźnie lub na załomie, ponieważ teraz jeszcze tylko trwałość zakotwienia określa termin następnego zabiegu.

Wynalazek w przykładzie wykonania został bliżej objaśniony na podstawie załączonego rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie przekrój wzdłużny panewki łożyskowej; fig. 2a - przekrój kuli stawowej z kątem ograniczającym powierzchni łożyskowej β > 180°; fig. 2b - przekrój kuli stawowej z kątem ograniczającym powierzchni łożyskowej β < 180°; fig. 3 - schematyczny zapis w rozwinięciu profili panewki łożyskowej i kuli stawowej, usytuowanych względem siebie w odstępie ich średnich promieni; fig. 4 - układ kuli stawowej i narzędzia podczas wytwarzania na obrabiarce; fig. 5 - układ panewki łożyskowej i narzędzia podczas wytwarzania na obrabiarce; i fig. 6 - wykonanie panewki łożyskowej połączonej trwale z elementem pośrednim z tworzywa sztucznego, który jest mocowany rozłącznie w zewnętrznej miseczce.

Za pomocą figur rysunku opisano geometrię, która umożliwia wykorzystanie jednego rodzaju, odpornych na ścieranie materiałów metalicznych, takich jak PROTASUL 21 WF, na panewkę łożyskową 1 i kulę stawową 2 w łożysku sferycznym bez występowania mikrozgrzewów i nadmiernego ścierania, przy czym wykorzystywane są do spełnienia funkcji inne właściwości materiału, jak odporność na obciążenia dynamiczne, trwałość kształtu i spręży8

186 803 stość. Dzięki odpowiedniej relacji między średnimi promieniami Rm, rm powierzchni łożyskowych: wklęsłej powierzchni łożyskowej A i wypukłej powierzchni łożyskowej B oraz dopuszczalnymi tolerancjami 12, 13 i dopuszczalną chropowatością powierzchni łożyskowych unika się w znacznym stopniu mikrozgrzewów tego samego rodzaju materiału metalicznego.

Na fig. 1 przedstawiono panewkę łożyskową 1 sztucznego stawu biodrowego, której sferyczna wklęsła powierzchnia łożyskowa A rozpościera się w obrębie kąta ograniczającego α rozwartego, ale mniejszego od 180° i leży na promieniu R od środka tej powierzchni Ms. Analogicznie, na fig. 2a i 2b przedstawiona jest kula stawowa 2 ze sferyczną wypukłą powierzchnią łożyskową B, którą rozpościera się w obrębie kąta ograniczającego β > 140° i leży na promieniu r od środka Mk kuli stawowej.

Obie kule stawowe przedstawione na fig.2a i 2b są przedłużone pozą wypukłą powierzchnią łożyskową B o powierzchnię pseudokulistą C, którą ma jednak odstęp mniejszy niż promień r wypukłej powierzchni łożyskowej B od środka Mk powierzchni łożyskowej B. Ten mniejszy odstęp powstaje przykładowo w ten sposób, że kula stawowa 2 przed szlifowaniem jest już spłaszczona w strefie powierzchni pseudokulistej C względem późniejszego środka Mk albo jest ukształtowana stożkowo. Kula stawowa 2 jest połączona z trzonem 27 protezy poprzez rozłączne połączenie stożkowe, przy czym oś zamocowania D stożka 6 zbiega się z osią obrotu Kołowo-symetrycznej wypukłej powierzchni łożyskowej B, aby wypukła powierzchnia łożyskowa B niezależnie od zamocowania stożkowego zajmowała zawsze stałe położenie.

Na fig. 3 przedstawiono w rozwinięciu obwodzony profil powierzchni sferycznych: wklęsłej powierzchni łożyskowej A i wypukłej powierzchni łożyskowej B. Wychodząc od wspólnej, nie pokazanej na rysunku podstawy, zarejestrowano na średnim promieniu Rm profil wklęsłej powierzchni łożyskowej A w obrębie kąta ograniczającego a i na średnim promieniu rm profil wypukłej powierzchni łożyskowej B w obrębie kąta ograniczającego β. Przy tym, powiększenie prostopadle do kierunku obwodzenia jest większe o kilka potęg liczby dziesięć niż powiększenie w kierunku obwodzenia. Dopuszczalny błąd kształtu wklęsłej powierzchni łożyskowej A panewki łożyskowej względem średniego promienia Rm mieści się w zakresie plus/minus 7,5 pm, a chropowatość wynosi Ra < 0, 05 pm. Dla wypukłej powierzchni łożyskowej B kuli stawowej 2 dopuszczalny błąd kształtu względem średniego promienia rm wynosi plus/minus 2 pm a chropowatość Ra < 0,05 pm. Jeżeli w takiej Kombinacji różnica średnich promieni mieści się w granicach 35 pm < ^Rm ^rm <85 pm i materiałem na panewkę łożyskową 1 oraz Kulę stawową 2 jest odporny na ścieranie stop metalowy z przykładowo węglikami blokowymi jako elementem nośnym, to w obecności płynu ustrojowego uzyskuje się nośność, która mimo zastosowania tego samego rodzaju stopów metalowych wyklucza w znacznym stopniu mikrozgrzewy i uszkodzenia powierzchni przy normalnych obciążeniach stawu biodrowego.

Układ pokazany na fig. 4 dotyczy sposobu wytwarzania kuli stawowej 2, która jest zamocowana za pomocą stożka wewnętrznego na trzpieniu mocującym 23, przy czym trzpień mocujący 23 należy do wrzeciona 24 obrabiarki i obraca się z prędkością nK przykładowo 850 obr/min wokół swojej osi obrotu 15. Wrzeciono narzędziowe 20 odchylone o kąt odchylenia y, przykładowo 30°, obraca się wokół swojej osi obrotu 16 z prędkością na przykład 2000 obr/min, przy czym obie osie obrotu 15, 16 przecinają się w punkcie przecięcia 25, który stanowi środek obrabianej później na gotowo kuli stawowej 2. Na wrzecionie narzędziowym 20 zamocowana jest współosiowo, jako narzędzie obróbkowe do szlifowania, wygładzania lub polerowania, wydrążona Kołowo-cylindryczna ściernica 18, której Kołowa załamana krawędź wewnętrzna 18i stanowi tworzącą o średnicy wewnętrznej di. Cylinder wydrążony jest wykonany ze zwykłych materiałów do szlifowania bez związanego ziarna, jak na przykład z tlenków metali albo węglików. Poprzez dodanie nie pokazanego na rysunku materiału ściernego i dociskanie strony czołowej ściernicy 18 w kierunku posuwu, pokrywającym się z kierunkiem osi obrotu 16, tworząca powierzchni 18i oraz powierzchnia łożyskowa B szlifują się wzajemnie dając dokładne wycinki powierzchni kulistych, przy czym promień r wypukłej powierzchni łożyskowej B zmniejsza się bardzo powoli a tworząca 18i powiększa się w kołową, sklepioną sferycznie obwódkę. Dobierając odpowiedni materiał można zmniejszyć ścieranie w obrębie

186 803 tej obwódki. Tak powstającą wypukłą powierzchnię łożyskową β można wyznaczyć poprzez odpowiedni kąt ograniczający β a jej wielkość zależy od kąta odchylenia y narzędzia i od średnicy tworzącej di. Stosownie do tego możliwe są wypukłe powierzchnie łożyskowe B z kątem ograniczającym β większym i mniejszym od 180°, jak to zaznaczono na fig. 2a, 2b. Przy kącie ograniczającym β > 180°, jak na fig. 4, zmniejszenie się promienia r podczas szlifowania można ustalić przez pomiar średnicy przez punkt przecięcia 25 obu osi obrotu 15, 16, żeby określić moment przerwania szlifowania przy ostatecznym wymiarze promienia r w ekstrapolowanym czasie. Jako preferowany zakres kąta odchylenia y i średnicy tworzącej di podaje się następujące wielkości: 20° < γ < 60° i 1,8r > di > 1,1 r.

W ilustrującym sposób wytwarzania sztucznego stawu w odniesieniu do panewki łożyskowej układzie na fig. 5, panewkę łożyskową 1 mocuje się na wrzecionie obrabiarki 22 za pomocą uchwytu zaciskowego 21 w taki sposób, że oś biegunowa panewki 1 zbiega się z osią obrotu 14 wrzeciona obrabiarki 22, przy czym wrzeciono obrabiarki 22 obraca się z prędkością n_s przykładowo 850 obr/min. Wrzeciono narzędziowe 19 jest odchylone o kąt odchylenia 8 a jego oś obrotu 16 przecina oś obrotu 14 wrzeciona obrabiarki 22 i 25 przedmiotu obrabianego w punkcie przecięcia 25, który odpowiada środkowi M_s późniejszej wklęsłej powierzchni łożyskowej A. Na wrzecionie narzędziowym 19, jako narzędzie do szlifowania bez związanego ziarna, zamocowana jest współosiowo pełna, kołowo-cylindryczna, ściernica 17, która obraca się z prędkością na przykład 2050 obr/min a krawędź zewnętrzna jej powierzchni czołowej stanowi kołową tworzącą 17a. W wyniku dodawania środka ściernego i przemieszczania tworzącej 17a w kierunku osi obrotu 16 narzędzia następuje wzajemne oszlifowanie wklęsłej powierzchni łożyskowej A i tworzącej 17a w dokładne wycinki powierzchni kulistych. Aby lepiej uchwycić wymiar promienia R, obciąga się wstępnie krawędź 17a narzędzia nadając jej kształt kulisty, dzięki czemu zużycie narzędzia powoduje tylko nieznaczne zmiany wymiarowe i można łatwiej utrzymać zadany promień R na panewce łożyskowej 1. Preferowany zakres wielkości kąta odchylenia 8 wynosi 39° < δ < 45°. Jeżeli kąt ograniczający a ograniczający wklęsłą powierzchnię A ma wynosić nieco poniżej 180° i, na przykład, ma występować tylko posuw w kierunku osi obrotu 16 narzędzia, to dla średnicy zewnętrznej da tworzącej i kąta odchylenia 8 wynika preferowany zakres zastosowania

1,6 R< <2,2R.

cos δ

Na fig. 3 pokazano podstawowe wzajemne zależności w zakresie różnic wymiarowych średnich promieni Rm, rm oraz tolerancji 12 błędu kształtu panewki 1, tolerancji 13 błędu kształtu kuli stawowej 2 i chropowatości powierzchni łożyskowych A, B. W praktyce jakość kul stawowych 2 kontroluje się poprzez sprawdzanie kolistości miernikiem „Talyround”, natomiast panewki łożyskowe sprawdza się na maszynie mierniczej po ich stronie wewnętrznej, w różnych płaszczyznach, dosuwając promieniowo czujnik pomiarowy, żeby wyznaczyć z punktów pomiarowych średni kształt kuli i zinterpolować odkształcenia. Dopuszczalny błąd kształtu kuli stawowej 2 w obrębie wypukłej powierzchni łożyskowej β wynosi plus/minus 2 μη, naaonmass dla wklęssej poowerzcłun łożyskowej A panewki łożyskowej 1 1oS0 doppszczzl· ny błąd kształtu wynosi plus/minus 7,5 pm. Chropowatość Ra obu tych części wynosi poniżej 0,08 pm, korzystnie poniżej 0,05 pm.

Nośność takiego prawie nieścieralnego układu jest tak korzystna, że promień kuli stawowej 2 i panewki łożyskowej 1, jak pokazano na fig. 6, można wykonać mniejszy od promienia tradycyjnej panewki polietylenowej. Oznacza to możliwość wymiany panewki i kuli stawowej także przy implantowanych zewnętrznych miseczkach 4, które mają wymienną powłokę polietylenową, ponieważ metalową panewkę łożyskową 1 można wyposażyć w element pośredni 3 o dostatecznej grubości ścianki z polietylenu, którego wymiary zewnętrzne odpowiadają wymiarom tradycyjnej miseczki polietylenowej. Przy tym element pośredni 3 połączony trwale z panewką łożyskową 1 poprzez połączenie 7 może mieć nieco mniejszą grubość ścianki niż tradycyjna panewka polietylenowa. Ma to tę zaletę, że imputowane wymienne miseczki polietylenowe można zastąpić odpowiednią miseczką metalową z polietylenowym elementem pośrednim. Zewnętrzna miseczka 4 na fig. 6 na stronie zewnętrznej ma sięgające

186 803 do dwóch trzecich jej wysokości uzębienie 9, które jest zwrócone ku równikowi, natomiast w górnej trzeciej części strony zewnętrznej umieszczone są kolce 11, które są ukierunkowane równolegle do osi biegunowej 10. Taką miseczkę zewnętrzną można wbić w przygotowaną z niedomiarem jamę kostną. Przy tym kolce 11 mogą wnikać w nie pokazane na rysunku łożysko kostne, natomiast skierowane w dół uzębienie może przemieszczać się pod wstępnym naprężeniem na łożysku kostnym i w ostatecznym położeniu zapobiega zwrotnemu poślizgowi wraz z wierzchołkami zębów, żeby uzyskać dostateczne zakotwienie pierwotne.

Fig.5

Z2

186 803

Fig.6

186 803

Fig.2a Fig. 2b

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sztuczny staw, w szczególności staw biodrowy, z panewką łożyskową, która ma wklęsłą powierzchnię kulistą A ze środkiem M_s, i z kulą stawową, która ma wypukłą powierzchnię kulistą B ze środkiem Mk, która jest umieszczona z reguły obrotowo-symetrycznie względem osi zamocowania D w kierunku szyjki udowej trzonu sztucznego stawu biodrowego, znamienny tym, że panewka łożyskowa (1) i kula stawowa (2) są wykonane z odpornego na ścieranie materiału metalicznego, że wklęsła powierzchnia łożyskowa (A) panewki łożyskowej (1) ma średni promień (R_m) i wypukła powierzchnia łożyskowa (B) kuli stawowej (2) ma średni promień (i*m), przy czym ich różnica wynosi 35 pm < Rm - rm< 85 pm, że błąd kształtu wklęsłej powierzchni łożyskowej (A) w zakresie jej kąta ograniczającego 90° < α < 180° jest mniejszy niż plus/minus 7,5 pm, że błąd kształtu wypukłej powierzchni łożyskowej (B) w zakresie jej kąta ograniczającego β > 140° jest mniejszy niż plus/minus 2 pm, i że kula stawowa (2), poza wypukłą powierzchnią łożyskową (B) jest przedłużona o cofniętą powierzchnię (C), która ma mniejszą odległość od środka (Mk) niż wypukła powierzchnia łożyskowa (B), natomiast chropowatość wklęsłej powierzchni łożyskowej (A) odpowiada wartości R_a < 0,08 pm i chropowatość wypukłej powierzchni łożyskowej (B) odpowiada wartości Ra < 0,08 pm.
2. Sztuczny staw według zastrz. 1, znamienny tym, że chropowatość wklęsłej powierzchni łożyskowej (A) ma wartość Ra < 0,05 pm i chropowatość wypukłej powierzchni łożyskowej (B) ma wartość Ra < 0,05 pm.
3. Sztuczny staw według zastrz. 1, znamienny tym, że panewka łożyskowa (1), na swojej stronie zewnętrznej, jest trwale połączona poprzez połączenie (7) z elementem pośrednim (3), który jest połączony rozłącznie z zewnętrzną miseczką (4) panewki łożyskowej (1).
4. Sztuczny staw według zastrz. 3, znamienny tym, że materiał elementu pośredniego (3) jest ponad dziesięć razy bardziej sprężysty niż materiał metaliczny panewki łożyskowej (1).
5. Sztuczny staw według zastrz. 1, znamienny tym, że kula stawowa (2) jest połączona z trzonem (27) za pomocą rozłącznego, w kierunku osi zamocowania D, połączenia stożkowego.
6. Sposób wytwarzania sztucznego stawu, w szczególności sztucznego stawu biodrowego, w którym panewka łożyskowa jest z materiału odpornego na ścieranie i jest wstępnie obrobiona w obszarze późniejszej wklęsłej powierzchni łożyskowej A, z niedomiarem, a kula stawowa jest z materiału odpornego na ścieranie i jest wstępnie obrobiona w obszarze późniejszej wypukłej powierzchni łożyskowej B, z nadmiarem, znamienny tym, że wstępnie obrobioną panewkę łożyskową (1), jako przedmiot obrabiany, mocuje się jej osią biegunową (10) w osi obrotu (14) wrzeciona obrabiarki (22) i że podczas obrotu przedmiotu obrabianego, dociska się kołowocylindryczną ściernicę (17), zamocowaną współosiowo z osią obrotu (16) wrzeciona narzędziowego (19), jej kołową krawędzią (17a) strony czołowej, z dodaniem materiału ściernego, do wklęsłej powierzchni łożyskowej (A) panewki łożyskowej (1), przy czym oś obrotu (16) wrzeciona narzędziowego (19) przecina się pod kątem odchylenia (δ) < 90° z osią obrotu wrzeciona obrabiarki (14) i przedmiotu obrabianego w punkcie (25) przy czym, dociska się ściernicę (17) przez to, że dosuwa się wrzeciono narzędziowe (19) w kierunku jego osi obrotu (16).
7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że kąt odchylenia (δ) między osią obrotu (16) wrzeciona narzędziowego (19) i osią obrotu (14) wrzeciona obrabiarki (22) ustawia się w zakresie między 45° i 39° i że zewnętrzną średnicę (d_a) kołowej krawędzi (17a) ściernicy (17), dobiera się tak, że zachowana jest zależność

1,6 R<

cos δ < 2,2 R.

186 803
8. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że panewka łożyskowa (1) jako przedmiot obrabiany obraca się z prędkością (n_s), natomiast kołowo-cylindryczna ściernica (17) ma w przybliżeniu dwukrotnie większą niż przedmiot obrabiany prędkość obrotową (n_w), która korzystnie jest różna od całkowitej wielokrotności wartości prędkości obrotowej przedmiotu obrabianego.
9. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że obrabia się panewkę łożyskową (2) za pomocą szlifowania, wygładzania albo polerowania.
10. Sposób wytwarzania sztucznego stawu, w szczególności stawu biodrowego, w którym panewka łożyskowa jest z materiału odpornego na ścieranie i jest wstępnie obrobiona w obszarze późniejszej wklęsłej powierzchni łożyskowej A, z niedomiarem, a kula stawowa jest z materiału odpornego na ścieranie i jest wstępnie obrobiona w obszarze późniejszej wypukłej powierzchni łożyskowej, z nadmiarem, znamienny tym, że wstępnie obrobioną kulę stawową (2) mocuje się, jako przedmiot obrabiany, jej osią zamocowania (D) w osi obrotu (15) wrzeciona obrabiarki (24) i że podczas obrotu przedmiotu obrabianego dociska się kołowo-cylindryczną ściernicę (18), zamocowaną współosiowo z osią obrotu (16) wrzeciona narzędziowego (20), kołową krawędzią (18i) jej strony czołowej, z dodaniem materiału ściernego, do wypukłej powierzchni łożyskowej (B) kuli stawowej (2).
11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że kąt odchylenia (y) między osią obrotu (16) wrzeciona narzędziowego (20) i osią obrotu (15) wrzeciona obrabiarki (24) ustawia się w zakresie między 20° i 60° i, że wewnętrzna średnica (di) kołowej krawędzi (18i) ściernicy (18) spełnia warunek

1,8 r > di > 1,1 r.
12. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że kula stawowa (2) jako przedmiot obrabiany obraca się z prędkością (n_x), natomiast kołowo-cylindryczna ściernica (18) ma w przybliżeniu dwukrotnie większą prędkość (n_w) od prędkości przedmiotu obrabianego, która korzystnie, jest różna od całkowitej wartości wielokrotności prędkości obrotowej przedmiotu obrabianego.
13. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że kulę stawową (2) obrabia się za pomocą szlifowania, wygładzania albo polerowania.
14. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że podczas obróbki kuli stawowej (2) wykonuje się pomiar średnicy na wypukłej powierzchni łożyskowej (13), wzdłuż prostej poprowadzonej poprzez jej środek (Mk).