DE102006047661A1

DE102006047661A1 - Augementationskomponente zur Auffüllung von Knochendefekten

Info

Publication number: DE102006047661A1
Application number: DE102006047661A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl.-Ing.(FH) Blömer; Richard Dr.-Ing. Dr. Zeller; Jens Dipl.-Ing. Schneider; Jens Dipl.-Ing.(Univ.) Beger; Patricia Dipl.-Ing. Graf
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-04-03
Also published as: WO2008040409A1; DE202006015415U1; DE102006047661A8

Abstract

Um bei einer Augmentationskomponente zur Auffüllung von Knochendefekten mit einer metallischen, porösen Struktur einerseits eine hohe Festigkeit der Augmentationskomponente zu erhalten und andererseits das Einwachsen von Knochenmaterial in das gesamte Volumen der Augmentationskomponente zu fördern, wird vorgeschlagen, dass die Augmentationskomponente aus einem dreidimensionalen Gerüst aus miteinander verbundenen Stegen aufgebaut ist, die untereinander verbundene kleinere Hohlräume mit einer Größe im Bereich von 0,5 mm bis 6 mm einerseits, vorzugsweise von 0,5 mm bis 1 mm, und große Hohlräume mit einer Größe im Bereich von 6 mm bis 20 mm andererseits, vorzugsweise von 6 mm bis 10 mm, ausbilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Augmentationskomponente zur Auffüllung von Knochendefekten mit einer metallischen, porösen Struktur.
Es ist häufig notwendig, knöcherne Defekte durch eine sogenannte Augmentationskomponente zu überbrücken. Dabei handelt es sich um Formkörper, die in die knöchernen Defekte eingesetzt werden und die entweder als Vollmaterial das fehlende Knochenmaterial vollständig ersetzen ( US 6,387,131B1 ) oder die als poröses Material einerseits eine lasttragende Funktion übernehmen und andererseits das Einwachsen von Knochenmaterial in die Poren ermöglicht. Bekannt ist die Verwendung von Calciumphosphatkeramiken oder von resorbierbaren Polymeren, diese Substanzen haben jedoch nur eine relativ geringe Festigkeit, so daß sie nur beschränkt einsetzbar sind.
Andererseits ist es auch bekannt, metallische poröse Festkörper zu verwenden, um Knochendefekte zu überbrücken (Firmenprospekt "The actipore PLF System", Firme Biorthex Inc., 2006). Dabei handelt es sich um schwammähnliche Materialien, die sehr kleine Poren aufweisen, was den vollständigen knöchernen Aufbau erschwert.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Augmentationskomponente vorzuschlagen, die einerseits eine hohe Lasttragfähigkeit aufweist und die andererseits ein optimales Einwachsen von Knochenmaterial ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei einer Augmentationskomponente der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Augmentationskomponente aus einem dreidimensionalen Gerüst aus miteinander verbundenen Stegen aufgebaut ist, die untereinander verbundene kleine Hohlräume mit einer Größe in einem Bereich von 0,5 mm bis 6 mm einerseits, vorzugsweise von 0,5 mm bis 1 mm, und große Hohlräume mit einer Größe in einem Bereich von 6 mm bis 20 mm andererseits, vorzugsweise von 6 mm bis 10 mm, ausbilden.
Die kleinen Hohlräume gewährleisten eine ausreichende Festigkeit des Formkörpers, während die großen Hohlräume dazu dienen, in ihnen Knochenmaterial zu deponieren, beispielsweise autologes oder homologes Knochenmaterial. Ausgehend von diesen mit Knochenmaterial gefüllten großen Hohlräumen und von der Kontaktfläche zu den überbrückten Knochen kann das Knochenwachstum in die kleinen Hohlräume hinein erfolgen, so daß auch im Volumen des Augmentationskörpers eine größere Anzahl von Knochenwachstumszentren vorliegen, von denen aus das Knochenwachstum in die umgebenden kleinen Hohlräume erfolgen kann. Dies Kombination von kleinen Hohlräumen, die der Sicherstellung der Festigkeit dienen, und großen Hohlräumen, die als Vorratsvolumina Ausgangsstellen für das Knochenwachstum sind, führt zu einem deutlich schnelleren Durchwachsen des gesamten Gerüstes mit Knochenmaterial gegenüber Augmentationskörpern, bei denen das Einwachsen des Knochenmaterials ausschließlich von den Grenzflächen aus erfolgen kann.
Die Stege des Gerüstes können dabei eine Dicke in einem Bereich von 0,2 mm bis 2,5 mm aufweisen.
Günstig ist es, wenn die relative Dichte der Augmentationskörper in einem Bereich von 0,05 bis 0,5 liegt. Durch den Aufbau des Gerüstes aus einzelnen Stegen ist der Volumenanteil des Gerüstmaterials gegenüber dem Volumenanteil der Hohlräume außerordentlich gering, und trotzdem läßt sich ein hohe Festigkeit erreichen. Es ist dadurch mit anderen Worten möglich, den größten Teil des Knochendefektes nach dem Einwachsen mit Knochenmaterial aufzufüllen und nicht mit dem Fremdmaterial der Augmentationskomponente.
Die Augmentationskomponente kann vorzugsweise aus Titan, einer Titanlegierung oder einer Cobaltlegierung bestehen.
Es ist auch möglich, daß die Stege mit einer Beschichtung versehen sind, beispielsweise mit einer Calciumphosphatbeschichtung, die das Knochenwachstum und die Verbindung mit den Stegen fördert.
Die Größe der kleinen Hohlräume kann für das gesamte Volumen gleich sein, es ist aber auch möglich, daß die Größe der kleinen Hohlräume innerhalb der Augmentationskomponente variiert.
Dabei kann sich die Größe der kleinen Hohlräume von einem Bereich der Augmentationskomponente zu einem anderen Bereich der Augmentationskomponente ändern, so daß auch die mechanische Festigkeit sich von Bereich zu Bereich ändert und optimal an den angrenzenden Knochen angepaßt werden kann.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, daß sich die Größe der kleinen Hohlräume beim Übergang von einem Bereich zu einem anderen Bereich allmählich ändert, aber auch eine sprunghafte Änderung ist möglich.
Es ist vorteilhaft, wenn ein einzelner großer Hohlraum oder eine Gruppe von mehreren großen Hohlräumen jeweils von kleinen Hohlräumen umgeben sind, so daß das Knochenwachstum ausgehend von den großen Hohlräumen nach allen Seiten in die kleinen Hohlräume hinein erfolgt. Dabei kann der Anteil der kleinen Hohlräume am Gesamtvolumen der Augmentationskomponente in einem Bereich von 50% bis 99%, vorzugsweise von 50% bis 90%, liegen, das heißt der größte Anteil des Volumens der Augmentationskomponente wird von kleinen Hohlräumen eingenommen, zwischen die großen Hohlräume eingelagert sind.
Die großen Hohlräume können allseits von kleinen Hohlräumen umgeben sein, es ist aber auch möglich, daß die großen Hohlräume die Augmentationskomponente kanalförmig durchsetzen, in diesem Falle wird als Größe der Hohlräume deren Durchmesser angenommen. In diesem Falle kann das Knochenmaterial besonders einfach in die großen Hohlräume eingefüllt werden, außerdem kann durch diese großen Hohlräume von der Außenseite her besonders günstig verstärktes Knochenwachstum erfolgen.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
1: eine schematische Ansicht einer Augmentationskomponente mit einer gitterförmigen Struktur mit kleinen und großen Hohlräumen und
2: eine vergrößerte Detailansicht der Gitterstruktur im Bereich der kleinen Hohlräume.
Die in der Zeichnung dargestellte Augmentationskomponente 1 kann eine unterschiedliche äußere Form haben entsprechend der Form und der Größe des Knochendefektes, der von der Augmentationskomponente 1 ausgefüllt werden soll. Dabei ist es möglich, entweder vorgegebene Formen zu verwenden, beispielsweise Würfel, Quader, Platten, Zylinder, Keile etc., es ist aber auch möglich, die Augmentationskomponente 1 vor dem Einsetzen entsprechend der Form und der Größe des zu überbrückenden Knochendefektes zu formen und zwar durch Abschneiden eines entsprechend geformten und dimensionierten Formstückes von einem größeren Materialstück dieser Ausgestaltung.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Augmentationskomponente 1 die Gestalt eines Quaders.
Aufgebaut ist die Augmentationskomponente 1 als dreidimensionale Gitterkonstruktion aus Stegen 3, die gemeinsam ein dreidimensionales Gerüst 2 aufbauen. Die Stege 3 haben dabei eine Dicke zwischen 0,2 mm und 2,5 mm und eine Länge, die so bemessen ist, daß die Stege kleine Hohlräume 4 mit einer Größe zwischen 0,5 mm und 6 mm ausbilden. Die Hohlräume können dabei regelmäßig oder unregelmäßig geformt sein, mit dem Ausdruck "Größe" wird der größte Abstand von Eckpunkten des Hohlraumes bezeichnet, an dem sich Stege 3 treffen.
Die Stege 3 können geradlinig oder auch gebogen ausgebildet sein, sie sind an Kreuzungspunkten miteinander verbunden und bilden so ein formstabiles dreidimensionales Gerüst aus, das jedoch am Gesamtvolumen der Augmentationskomponente 1 nur einen Anteil in einem Bereich von 5% bis 50% hat.
Die Abmessungen der Stege können über das gesamte Volumen gleich sein und auch die Anordnung kann regelmäßig sein, so daß sich gleich große kleine Hohlräume 4 ergeben. Es ist aber auch möglich, daß unterschiedliche Längen und/oder Anordnungen der Stege gewählt werden, so daß sich kleine Hohlräume 4 unterschiedlicher Größe ergeben, die entweder gleichmäßig über das gesamte Volumen verteilt sind oder die ihre Größe von Bereich zu Bereich ändern, sei es allmählich, sei es sprunghaft.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Anordnung mit gleich langen geradlinigen Stegen 3 dargestellt, die im gesamten Volumen regelmäßig angeordnet sind, so daß alle kleinen Hohlräume 4 gleich groß sind und gleiche Formen aufweisen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind in einer Ebene des Gerüstes 2 nebeneinander und parallel zueinander verlaufend eine Anzahl von Querträgern 5 angeordnet, wobei jeder Querträger 5 aus aneinander anschließenden Stegen 3 gebildet wird, die abwechselnd 120° nach oben und 120° nach unten gegenüber den benachbarten Stegen 3 geneigt sind. Jeder Querträger 5 ist dadurch in aneinander anschließende Abschnitte unterteilt, die jeweils von einem Steg 3 gebildet werden, und die gegenüber der Ebene abwechselnd um 30° ansteigen und dann wieder um 30° abfallen.
In der Ebene darunter ist die gleiche Anordnung von Querträgern 5 vorgesehen, jedoch läuft die Längsrichtung der Querträger in der darunterliegenden Ebene senkrecht zu der Längsrichtung der Querträger in der darüberliegenden Ebene. Die Anordnung ist dabei so gewählt, daß die jeweils tiefsten Punkte der Querträger 5 in der oberen Ebene die jeweils höchsten Punkte der querverlaufenden Querträger 5 in der darunterliegenden Ebene berühren, im Berührungsbereich sind die Querträger beider Ebenen miteinander verbunden. In der unter diesen beiden Ebenen angeordneten Ebene verlaufen gleich ausgebildete Querträger 5 wieder parallel zu denen in der obersten Ebene, allerdings seitlich um einen halben Abstand der Querträger versetzt zur oberen Ebene, so daß die obersten Punkte der Querträger 5 in der untersten Ebene an den unteren Punkten der Querträger in der mittleren Ebene anliegen und dort mit diesen verbunden sind. Diese Anordnung mit quer zueinander verlaufenden und seitlich jeweils um einen halben Querträgerabstand versetzten Querträgern setzt sich fort.
Man erhält dabei eine regelmäßige Struktur, die unter einer Richtung von 45° zur Längsrichtung der Querträger in aufeinanderfolgenden Ebenen eine Wabenstruktur aufweist, also eine Struktur mit dem Querschnitt eines regelmäßigen Sechseckes.
Eine solche Struktur weist ausgezeichnete Lasttrageeigenschaften auf und ein sehr geringes Volumen der Stege gemessen am Gesamtvolumen.
Die geschilderte Struktur des Gerüstes bildet den Grundaufbau der in der Zeichnung dargestellten Augmentationskomponente 1. Zusätzlich sind im Volumen der Augmentationskomponente 1 noch große Hohlräume 6 angeordnet, deren Größe in einem Bereich von 6 mm bis 20 mm liegt. Es kann sich dabei um durchgehende Kanäle handeln, wie dies im Ausführungsbeispiel der 1 dargestellt ist, oder aber auch um allseits von kleinen Hohlräumen 4 umgebene Hohlräume, die durch abweichende Länge und Anordnung der Stege 3 erzeugt werden. Die Kanäle hingegen können entweder in derselben Weise erzeugt werden oder aber auch nachträglich durch Anbringung einer Bohrung, die das Gerüst 2 durchsetzt.
In jedem Fall werden zwischen einem oder mehreren großen Hohlräumen 6 und den sie umgebenden kleinen Hohlräumen 4 Grenzflächen ausgebildet, die offen sind und somit einen Übergang von Material aus den großen Hohlräumen 6 in die kleinen Hohlräume 4 ermöglichen.
Die großen Hohlräume 6 dienen der Aufnahme von Knochenmaterial 7, dabei kann es sich um autologes oder homologes Knochenmaterial handeln. Dieses wird durch geeignete Instrumente, beispielsweise in Form von Spritzen, in die großen Hohlräume 6 eingefüllt und kann nach dem Einsetzen der Augmentationskomponente 1 in den Knochendefekt von diesen großen Hohlräumen 6 aus in die umgebenden kleinen Hohlräume 4 hinein wachsen. Dadurch wird das Einwachsen von Knochenmaterial nicht nur von den Außenflächen der Augmentationskomponente 1 eingeleitet, sondern auch von den über das Volumen der Augmentationskomponente 1 verteilten großen Hohlräumen 6 aus. Diese Anordnung führt dazu, daß auch größere Defekte schnell, vollständig und gleichmäßig mit Knochenmaterial durchbaut werden können.
Die Stege der beschriebenen Augmentationskomponente 1 bestehen aus Metall, vorzugsweise aus Titan oder einer Titanlegierung, beispielsweise Ti6Al4V, oder einer Cobaltlegierung, und die Herstellung der komplizierten Gitterstruktur kann beispielsweise mittels eines Elektronenstrahlschmelzverfahrens erfolgen, bei dem Metallpulver schichtweise entsprechend der jeweils gewünschten Struktur durch den Elektronenstrahl dort aufgeschmolzen wird, wo in der jeweils bearbeiteten Schicht Teile des Gerüstes angeordnet werden sollen. Durch schichtweises Aufbauen des Gerüstes 2 in dieser Weise lassen sich auch sehr komplizierte Strukturen des Gitters realisieren, wobei die aufgeschmolzenen Metallbereiche nach dem Erstarren ein einstückiges Gitterstück mit hohen Festigkeitswerten ausbilden. Dieses Gitterstück kann außenseitig auch intraoperativ auf die geeignete Form gebracht werden, da die einzelnen Stege gekürzt werden können, so daß die Außenflächen entsprechend der gewünschten Form bearbeitet werden können.
Die einzelnen Stege des Gerüstes können zusätzlich beschichtet werden, beispielsweise mit einer Calciumphosphatbeschichtung, die das Einwachsen von Knochensubstanz erleichtert und somit zu einer innigen Verbindung der eingewachsenen Knochensubstanz und des Gerüstes 2 führt. Die mechanischen Eigenschaften des Gerüstes 2 können durch geeignete Größe der kleinen Hohlräume 4 und durch geeignete Anordnung der Stege 3 so eingestellt werden, daß sie den mechanischen Eigenschaften des benachbarten Knochenmaterials entsprechen, so daß eine Osteolyse aufgrund zu hoher Festigkeitswerte der Augmentationskomponente 1 entgegengewirkt werden kann. Dabei spielt selbstverständlich auch die Anordnung und die Größe der großen Hohlräume 6 eine Rolle, die so groß und so in der Augmentationskomponente 1 verteilt ausgebildet werden, daß einerseits die gewünschte mechanische Festigkeit erreicht wird und daß andererseits das Einwachsen von Knochenmaterial von möglichst vielen Zentren aus gefördert wird, um auf diese Weise eine rasche und gleichmäßige Ausbreitung des Knochenmaterials im gesamten Volumen der Augmentationskomponente 1 zu erreichen.

Claims

Augmentationskomponente zur Auffüllung von Knochendefekten mit einer metallischen, porösen Struktur, dadurch gekennzeichnet, daß die Augmentationskomponente (1) aus einem dreidimensionalen Gerüst (2) aus miteinander verbundenen Stegen (3) aufgebaut ist, die untereinander verbundene kleine Hohlräume (4) mit einer Größe in einem Bereich von 0,5 mm bis 6 mm einerseits, vorzugsweise von 0,5 mm bis 1 mm, und große Hohlräume (6) mit einer Größe im Bereich von 6 mm bis 20 mm andererseits, vorzugsweise von 6 mm bis 10 mm, ausbilden.
Augmentationskomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (3) eine Dicke im Bereich von 0,2 mm bis 2,5 mm aufweisen.
Augmentationskomponente nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Dichte der Augmentationskomponente in einem Bereich von 0,05 bis 0,5 liegt.
Augmentationskomponente nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Augmentationskomponente aus Titan, einer Titanlegierung oder einer Cobaltlegierung besteht.
Augmentationskomponente nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (3) mit einer Beschichtung versehen sind.
Augmentationskomponente nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der kleinen Hohlräume (4) innerhalb der Augmentationskomponente (1) variiert.
Augmentationskomponente nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Größe der kleinen Hohlräume (4) von einem Bereich der Augmentationskomponente (1) zu einem anderen Bereich der Augmentationskomponente (1) ändert.
Augmentationskomponente nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Größe der kleinen Hohlräume (4) beim Übergang von einem Bereich zu einem anderen Bereich allmählich ändert.
Augmentationskomponente nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Größe der kleinen Hohlräume (4) beim Übergang von einem Bereich zu einem anderen Bereich sprunghaft ändert.
Augmentationskomponente nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner großer Hohlraum (6) oder eine Gruppe von mehreren großen Hohlräumen (6) jeweils von kleinen Hohlräumen (4) umgeben sind.
Augmentationskomponente nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der kleinen Hohlräume (4) am Gesamtvolumen der Augmentationskomponente (1) in einem Bereich von 50% bis 99% liegt.
Augmentationskomponente nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die großen Hohlräume (6) die Augmentationskomponente (1) kanalförmig durchsetzen.