DE2914513C3

DE2914513C3 - Oberflächenstruktur für Verankerungselemente zur zementfreien Verankerung von Knochenimplantaten

Info

Publication number: DE2914513C3
Application number: DE2914513A
Authority: DE
Inventors: Otto Winterthur Frey
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1978-05-19
Filing date: 1979-04-10
Publication date: 1983-11-10
Also published as: AT369977B; JPS54154194A; ATA317579A; JPS5745576B2; DE2914513B2; GB2020982A; FR2425843A1; US4272855A; FR2425843B1; CH630251A5; DE2914513A1; GB2020982B

Description

Die Erfindung betrifft eine Oberflächenstruktur für Verankerungselemente zur zementfreien Verankerung von Knochenimplantaten, bei der mindestens auf einem Teil der Verankerungsfläche durch aus einer Ausgangsniveaufläche hervorstehende Warzen und/oder in diese Fläche hineindringende Vertiefungen erzeugte Hohlräume für das Ein- bzw. Anwachsen von Gewebe geschaffen sind, daß die Warzen und/oder Vertiefungen eine konische Grundform mit beliebigem, jedoch mindestens ecken- und kantenfreiem Querschnitt aufweisen und ihre in Richtung der konischen Verjüngung verlaufende Höhenachse mit der Ausgangsniveaufläche einen Winkel tx zwischen 50° und 90° bildet, und daß die Oberfläche der Warzen oder Vertiefungen und ihre Übergangsfläche in die Ausgangsniveaufläche ebenfalls ecken- und/oder kantenfrei ausgebildet sind, wie sie ays der DE-PS 8 37 294 bekannt ist.

Zu einer optimalen zementfreien Verankerung eines ϊ Prothesenschaftes in einem Knochen gehören nicht nur ein fester Sitz des Implantates im und durch ein- oder anwachsendes Gewebe, sondern auch die Möglichkeit einer Reoperation ohne zu große Zerstörung des Schaftlagers. Eine solche Verankerung erfordet daher

ίο die Beachtung von einer ganzen Reihe von Gesichtspunkten, die unter Umständen einander entgegenlaufende Maßnahmen bedingen.

So ist — wie an sich aus der genannten DE-PS oder der MMW (Münchner Medizinische Wochenschrift) 118

Π976), Nr. 22, S. 700, bekannt - das Haftvermögen an den sich berührenden Oberflächen von Implantat und Gewebe um so besser, je größer diese Oberflächen sind.

Ein weiterer Gesichtspunkt ist die Anzahl der pro

Flächeneinheit der. nicht künstlich vergrößerten, Grundfläche vorhandenen Gewebefäden; die Festigkeit einer Verankerung steigt, je größer die Anzahl dieser Gewebefäden ist.

Aus den beiden vorstehend geschilderten Forderungen wäre der Schluß zu ziehen, daß eine optimale Verankerung eine möglichst große Flächendichte von möglichst hohen Vorsprüngen bzw. Vertiefungen die beste Verankerung ergeben. Dem steht die Forderung entgegen, daß die Durchmesser bzw. Querabmessungen relativ zur Höhe bzw. Tiefe der Strukturelemente nicht zu eng sein dürfen, wenn das ein- bzw. angewachsene Gewebe bis in seine äußersten Spitzen ausreichend ernährt werden soll.

Einer möglichst großen Anzahl von Gewebefäden steht andererseits ferner entgegen, daß die Verfestigung

J5 um so größer wird und damit sich die Festigkeitseigenschaften des Knochengewebes um so mehr an die im allgemeinen höhere mechanische Festigkeit des Implantates annähern, -je dicker der einzelne Gewebefaden bzw. »zapfen« ist, d. h. je größer bei Vorsprüngen die

•»o Abstände und bei Vertiefungen die Querabmessungen der einzelnen Strukturelemente sind.

Die unterschiedlichen mechanischen Festigkeiten von künstlichen Werkstoffen und Gewebe machen es weiterhin erforderlich, daß in einer mittleren Scherebe-

■»5 ne — das ist die etwa auf halber Höhe bzw. Tiefe der Vorsprünge bzw. Vertiefungen verlaufende Ebene parallel zur Hauptbelastungsrichtung — der Flächenanteil an gewebeerfüllter Teilfläche möglichst groß sein soll gegenüber der von dem Implantat eingenommenen Teilfläche. Wird jedoch die Teilfläche der einzelnen Hohlräume für das Einwachsen von Gewebe zwischen die Vorsprünge oder Vertiefungen zu groß, so verfestigen sich die eingewachsenen Gewebestränge so stark, daß die allseitigen Scherkräfte bei Reoperationen nicht nur diese Gewebefäden zerstören, sondern darüber hinaus einen erheblichen Teil des benachbarten Gewebes schädigen.

Die vorstehenden Ausführungen zeigen, daß für eine optimale zementfreie Verankeiung die Durchmesser, Höhen und Abstände von Vorsprüngen und/oder Vertiefungen nicht unabhängig voneinander sind.

sondern — in Abhängigkeit von einer Basisgröße — aneinander angepaßt werden müssen.

Diese gegenseitigen Abhängigkeiten lassen sich dabei theoretisch und rechnerisch praktisch nicht erfassen, so daß eine Optimierung auf rein experimenteller Basis erfolgen muß.

Bei der eingangs erwähnten Schaftkonstruktion, mit

der die haftende Oberfläche vergrößert und ein Gleiten und Verdrehen der Prothese- im Knochen verhindert werden soll, wird nur ein Teil der vorstehend geschilderten Problematik zementfreier Verankerungen angesprochen: so sind beispielsweise die in =, Verbindung mit der Ernährung des einwachsenden Gewebes und in Verbindung mit einer Reoperation stehenden Gesichtspunkte dort nicht berücksichtigt.

In anderen Fällen hat man die Implamate mit eine gewisse Tiefe aufweisenden, porösen Oberflächen κ> versehen (z. B. DE-OS 14 41 354 und 21 27 843); diese porösen Oberflächen haben sich jedoch in der Praxis nicht bewährt, weil die mechanische Festigkeit der Verankerungselemente dadurch sehr stark beeinträchtigt wird. Die Ursache für diese Materialschwächung irv liegt darin, daß durch die Poren in dem Material scharfe Ecken und Kanten erzeugt worden sind, die besonders bei langzeitigen Wechselbelastungen zu sich in den massiven Kern fortsetztenden Anrissen und schließlich zu Ermüdungsbrüchen führen.

Weiterhin läßt sich die Porenbildung dabei nicht so steuern, daß gezielt die vorstehend erläuterten Bedingungen für die Abmessungen und den Abfand der Strukturelemente erzwungen werden können.

Auch die in neuerer Zeit vorgeschlagene Oberflä- 2~> chenstruktur für eine Verankerung von Implantaten in einem Knochenzementbett (DE-OS 28 19 178) ist für eine zementfreie Verankerung ungeeignet. Die Abmessungen der warzenartigen Vorsprünge — d. b. das Verhältnis ihrer Höhe zu ihrer Breite — sowie ihre ü> Abstände untereinander sind dort ebenfalls nicht so gewählt, daß bei dieser Oberflächenstruktur die erwähnten, für eine zementfreie Verankerung notwendigen Kriterien erfüllt worden sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Oberflächenstruk- J5 tür für eine zementfreie Verankerung zu schaffen, bei der neben einer ausreichenden Haftung einerseits die Ernährung des eingewachsenen Gewebes sichergestellt wird, bei der jedoch andererseits auch bei einer Reoperation die Schädigungen des die Prothese haltenden Ge.vebebettes möglichst gering sind. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt dadurch, daß die Warzen und/oder Vertiefungen zottenartig ausgebildet sind und daß mit der Querachse der Zotte als Basisgröße, gemessen senkrecht zur Höhenachse in der Ebene durch deren Schnittpunkt mit der Ausgangsniveaufläche. die folgenden Beziehungen erfüllt sind:
für die Längsachse des Zottenquerschnitts: D< L<3 D: für die Höhe der Zotte positiv bzw. negativ von der Ausgangasniveaufläche aus: D< H< 5 D; für den Abstand zwischen den Mantellinien der konischen Grundform benachbarter Zotten, gemessen in der Schnutebene der Höhenachse mit der Ausgangsniveaufläche: 0,25 D<A<D.

Die Bezeichnung »zottenartig« verdeutlicht dabei, daß es sich bei der erfindungsgemäßen Gestaltung der Vorsprünge und Vertiefungen um relativ zu ihrer Breite hohe und schlanke Gebilde handelt, die darüber hinaus relativ eng beeinander stehen, wie dies beispielsweise auch bei den natürlichen Zotten des menschlichen Darmes der Fall ist. Durch die Formgebung der Zotten und die Ausgestaltung ihrer Übergänge in die Ausgangsniveaufläche wird erreicht, daß die ganze Struktur keine Störstellen mit hohen Belastungsspitzen hat, die zu den erwähnten Anrissen und ihren Folgen führen. Weiterhin gewährleistet man durch die beanspruchten Beziehungen zwischen Querschnittsabmessuneen. Höhe und Abstfnd der Zotten — wobei die Abstandsbeziehung selbstverständlich nicht für am Rande liegende Bereiche der Struktur gilt — neben einer erheblichen Vergrößerung der dem anwachsenden Gewebe zur Verfügung stehenden Oberfläche eine ausreichende Ernährung des zwischen die Zotten einwachsenden Gewebes; andererseits wird damit die Bildung von in sich stark verf?-tigten Gewebebereichen zwischen den Zotten vermieden, die bei Reoperationen zu großen Zerstörungen der das Implantat umgebenden Spongiosa führen könnea In diesem Zusammenhang hat es sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn die Höhe der Zotten mindestens der zweifachen Querabmessung entspricht.

Zur weiteren Anpassung der Oberflächenstruktur an das natürliche Wachstum, vor allem des spongiösen Knochengewebes, das sich bekanntlich in seinem Wachstum nach den lokalen Kraft- bzw. Belastungsrichtungen orientiert, können weiterhin die Höhenachsen der Zotten und — bei Zotten mit unterschiedlichen Längs- und Querabmessungen — die Breitseite der Zottenoberrläche etwa senkrecht zur lokalen Belastungsrichtung angeordnet werden.

Die neue Oberflächenstruktur ist bei aiien Knochenimplantaten, einschließlich riüftgelenkspfannen, und bei allen in der Implantattechnik üblichen metallischen oder keramischen Werkstoffen sowie Kunststoffen anwendbar; sie kann auf verschiedene Weise, beispielsweise durch Prägen oder durch entsprechende Ausgestaltung des Hohlraumes einer Gießform sowie unter Umständen durch chemisches Ätzen oder aach durch Fräsen oder eine andere mechanische Bearbeitung hergestellt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt stark vergrößert in einem Schnitt einen Ausschnitt aus der Oberfläche eines Implantates, in dessen als Vertiefungen ausgebildete Zotten Knochengewebe eingewachsen ist:

F i g. 2 gibt in gleicher Darstellung eine erhabene Zotte wieder, die einen Winkel α + 90° mit einer Ausj^ngsniveaufläche bildet;

Fig.3 ist ein Querschnitt durch eine Zotte mit unterschiedlich langen Längs- und Querabmessungen, während in

Fig.4 in einer schematischen Skizre, die einen Ausschnitt aus einem im Schnitt wiedergegebenen Schaft einer Hüftgelenksprothese darstellt, lokal unterschiedliche Richtungen der einzelnen Höhenachsen verdeutlicht sind.

Von einer Ausgangsniveaufläche 1 ausgehend, die in Fig. 1 durch die äufrere Oberfläche eines Implantats 2 gebildet wird, sind einzelne Zotten 3 als Vertiefungen k; das Implantat 2 hineingearbeitet; in diesen Vertiefungen ist eingewachsenes Knochengewebe 4 angedeutet. Die Zotte 3 kann zwar im Querschnitt beliebig ausgebildet sein, weist aber vorzugsweise eine kreisförmige, elliptische oder ovale Querschnittsform auf, wobei die kürzere der Querschnittsabmessungen (F i g. 3), also die Querachse mit D "nd, wenn vorhanden, die längere Querschnittsabmessung oder Längsachse mit L bezeichnet sind.

Die Querachse D, die als Abstand der Schninpunkte 6 der über die Höhe H konischen Grundform mit der Ausgangsniveaufläche — bzw. mit einer zur Höhenachse 5 senkrechten Ebene 10 durch den Schnittpunkt der Niveaufläche 1 mit dieser Achse 5 (F i g. 2) — festgelegt ist, ist die Basisabmessung der Zotte 3; auf sie werden

alle anderen Abmessungen bezogen. Ihr Absolutwert kann — je nach Größe der Verankerungsfläche und der aufzunehmenden Belastungen — Werte zwischen 0,25 und 10 mm annehmen.

Bei den Zotten 3 nach Fig. I, deren Höhenachse 5 senkrecht auf der Ausgangsniveaufläche ( sieht, beträgt die I lohe // — gemessen von der Ausgangsniveauflache I aus - beispielsweise das I.Jfache von D. Der Abstand A /wischen zwei benachbarten Zotten 3 ist — abgesehen von Randbercichen der Oberfläche bzw. der Oberflächenstruktur, die sich keineswegs immer über die gesamte Verankerungsflache erstrecken muß — etwa 0.75 D: er wird jeweils in der Ausgangsniveauflache I bestimmt und stellt die kürzeste Entfernung zweier Schnittpunkte 6 bzw. 11 (F i g. 2) der konischen Grundform in der Ausgangsniveauflache I dar.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 »wachsen« die Zotten 3 als erhabene Vorsprünge aus der Niveaufläche I. die hier die Basisflächc des Implantatkerns 2 ist, heraus: ihre Höhenachse 5 bildet in diesem Beispiel mit der Niveaufläche 1 einen Winkel von etwa 50° und ist so ausgerichtet, daß sie auf der örtlichen Hauptbelastungsrichtung möglichst senkrecht steht. Wie Fig. 4 erkennen läßt, können dabei die Höhenachsen 5 verschiedener Zotten 3 in Abhängigkeit von der örtlichen Belastungsrichtung, die von der in F i g. 4 mit P bezeichneten resultierenden Bclastungsrichtung durchaus verschieden sein kann, unterschiedliche Winkel mit der Ausgangsniveauflache I bilden.

Wie die beiden Längsschnitte der Fig. I und 2 zeigen, sind die Übergänge 7 der Zotten 3 in die Ausgangsniveauflache 1 sowie ihr »Boden« 8 (Fig. I) bzw. ihre »Spitze« 9 (Fig. 2) ecken- und kantenfrei ausgebildet und durch Kurven mit relativ großen Krümmungsradien verwirklicht: dadurch wird die eingangs geschilderte, durch kanten- und kerbenartige Ecken hervorgerufene Schwächling der mechanischen Festigkeit des Implanlatmatcrials vermieden.

Rir die Wahl der Größen D, /., //, A innerhalb der angegebenen Begrenzungen sei abschließend als allgemeiner Hinweis angegeben, daß diese Wahl so /u treffen ist. daß — selbstverständlich innerhalb der durch die Materialwerte des /u verankernden Implantatmatcrials gegebenen Möglichkeiten — die Scherkräfte in der im wesentlichen in der Ausgangsniveauflache gegebenen Grenzllaehe im Bereich des Knochennuiterials und im Bereich des Implantatwerksloffes soweit wie möglich aneinander angeglichen oder, bei Werkstoffen mit dem Knochenmaterial ähnlichen Materialwerten, sogar möglichst weitgehend ausgeglichen werden sollen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnursen

Claims

Patentansprüche:

1. Oberflächenstruktur für Verankerungselemente zur zementfreien Verankerung von Knocherärnplantaten, bei der mindestens auf einem Teil der Verankerungsfläche durch aus einer Ausgangsniveaufläche hervorstehende Warzen und/oder in diese Räche hineindringende Vertiefungen erzeugte Hohlräume für das Ein- bzw. Anwachsen von Gewebe geschaffen sind, daß die Warzen und/oder Vertiefungen eine konische Grundform mit beliebigem, jedoch mindestens ecken- und kantenfreiem Querschnitt aufweisen und ihre in Richtung der konischen Verjüngung verlaufende Höhenachse mit der Ausgangsniveaufläche einen Winkel« zwischen 50° und 90° bildet, und daß die Oberfläche der Warzen oder Vertiefungen und ihre Obergangsfläche in die Ausgangsniveaufläche ebenfalls ecken- und/oder kantenfrei ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Warzen und/oder Vertiefimgerf zottenartig ausgebildet sind und daß mit der Querachse (D) der Zotte (3) als Basisgröße, gemessen senkrecht zur Höhenachse (5) in der Ebene durch deren Schnittpunkt mit der Ausgangsniveaufläche (1), die folgenden Beziehungen erfüllt sind:

für die Längsachse (L) des Zottenquerschnitts: D<L<3D;

für die Höhe (H) der Zotte (3) positiv bzw. negativ vonder Ausgangsniveaufläche(l)aus:D < H < 5 D; für den Abstand (A) zwischen den Mantellinien der konischen Grundform benachbarter Zotten, gemessen in der Schnittebeiw der RJhenachse (5) mit der Ausgangsniveauf!äche(<):(\25 D<A<D.

2. Oberflächenstruktur nach .*' ispruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhenachse (5) etwa rechtwinklig zur lokalen Belastungsrichtung steht.

3. Oberflächenstruktur nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß für Zotten (3), deren Längsachse fi.; größer ist als die Querachse (D). die Breitseite der Zottenoberfläche etwa senkrecht zur örtlichen Belastungsrichtung angeordnet ist

4. Oberflächenstruktur nach Anspruch 1 oder J, dadurch gekennzeichnet, daß für Zotten (3), deren Längsachse (L) größer als die Querachse (D), die Höhe (H) mindestens gleich der Länge (L) ist.

5. Oberflächenstruktur nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (H) mindestens gleich der doppelten Querachsenlänge ist.