DE2742098C2 - Endoprothese mit einer Metall-Keramik-Verbindung - Google Patents
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Description
55
Die Erfindung bezieht sich auf eine Endoprothese mit
einer Metall-Keramik-Verbindung, insbesondere Hüftgelenk-Endoprothese mit einem in den Knochen
einsetzbaren Metallschaft, auf dessen freien Zapfen ein mit einer angepaßten Bohrung versehener Keramikkopf mit einer Schraubverbindung befestigt ist.
Eine solche Endoprothese ist z. B. aus der deutschen Offenlegungsschrift 25 48 077 bekanntgeworden. Bei
der in dieser Druckschrift offenbarten Gelenkendoprothese erfolgt die Verbindung zwischen dem Metallschaft
und dem Keramikkopf in der Weise, daß der freie Zapfen des Metalischaftes als Vaterkonus ausgebildet
ist, während die Bohrung im Keramikkopf als
Mutterkonus ausgeführt ist und die beiden Teile
unmittelbar zusammengepreßt werden, so daß eine rein
kraftschlüssige Verbindung entsteht Um einerseits relativ kleine Konuswinkel verwenden zu können und
dadurch einen sicheren Reibschluß zu erhalten andererseits aber die Gefahr der Sprengung des Keramikkopfes
bei Erhitzung der Endoprothese zur Sterilisation herabzusetzen, wird in der genannten Druckschrift
dargelegt den Vaterkonus und/oder den Mutterkonus mit einer Rillenprofiliorung geringster Profwtiefe zu
versehen, um dadurch Deformationsräume zwischen dem Metallschaft und dem Keramikkopf ζυ schaffen, in
die hinein der Metallschaft sich elastisch ausdehnen kann. Dadurch soll die Flächenpressung auf den
Innenkonus des Keramikkopfes in Grenzen gehalten werden, um die Gefahr einer Sprengung des unelastischen Keramikkopfes zu vermeiden. Es hat sich jedoch
gezeigt daß diese bekannte Verbindungstechnik mit selbsthemmendem Konus für die Befestigung einer
biokeramischen Hüftgelenkkugel auf dem Metallschaft immer noch nicht sicher genug ist insbesondere dann,
wem eine Wechselbelastung auf die Verbindung
ausgeübt wird.
Aus der DE-OS 23 18 396 ist bekannt die Verbindung
von Metallschaft und Keramikkopf einer Endoprothese als Schraubverbindung auszuführen. Dabe hat sich
jedoch gezeigt, daß ein ausreichend feines Gewinde für die Verschraubung im Keramikkopf sowohl aus
Gründen des Herstellungsaufwandes als auch aus Festigkeitsgründen nicht anwendbar ist Es wurde
deshalb empfohlen, als Zwischenglied zwischen dem Keramikkopf und dem Metallschaft eine Gewindebuchse aus Metall in dem Keramikkopf einzusetzen und dort
zu befestigen. Auf diese Weise konnte zwar ein Feingewinde zwischen Gewindebuchse und Metallschaft zur Anwendung kommen, es ergaben sich jedoch
erhebliche Probleme für die Befestigung der Gewindebuchse im Keramikkopf. Darüber hinaus erwies es sich
als notwendig, zusätzliche konstruktive Maßnahmen zur Sicherung der Schraubverbindung vorzusehen, d. h, es
konnte auf spezielle Schraubensicherungen nicht verzichtet werden. Durch die Verwendung eines
Zwischengliedes zwischen Metallschaft und Keramikkopf und durch die Notwendigkeit von Schraubensicherungen wurde der Aufbau einer solchen Endoprothese
derart kompliziert, daß man den Gedanken an eine Schraubverbindung zwischen Keramikkopf und Metallschaft wieder vollständig aufgegeben hat. Vor allem ist
darauf zu achten, daß bei Endoprothesen solcher Art durch hohe mechanische Beanspruchungen, die insbesondere bei plötzlich auftretenden Stößen ·.>rkommen.
die Keramikkugel nicht zerstört wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es. eine
Endoprothese der eingangs genannten Gattung so zu schaffen, daß bei der Verbindung zwischen Metallschaft
und Keramikkopf sowohl unter Weclodbelastung als
auch unter Temperatureinfluß einerseits absolute Sicherheit gegen Lösung bietet und andererseits eine
Überlastung des Keramikkopfes ausgeschlossen ist. Gleichzeitig soll eine solche Verbindung konstruktiv
einfach aufgebaut sein.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß das Gewinde der Schraubverbindung zwischen dem Zapfen und dem
Keramikkopf unterschiedlich gestaltet ist, wobei das Innengewinde im Keramikkopf ein Rundgewinde mit
sinusförmigem Profil und das Außengewinde an dem Zapfen ein in der Durchmesserebene geradlinig
verlängertes Rundgewindeprofil aufweist, dessen Profil-
höhe Λ größer als die Profilbreite ό ist.
Mit dieser erfinderischen Maßnehme, das Gewinde so auszugestalten, wird eine Federwirkung erreicht, und
man ist nicht mehr an die engen materialmäßigen Eigenschaften der Keramik gebunden. Insbesondere
tritt eine feiernde Wirkung bf;i Be- und Enilastungavorgängen
an der Verbindungsstelle Metallschaft-Keramikkopf auf. Dies bedeutet sowohl wirtschaftlich als
auch technisch einen Vorteil insbesondere gegenüber der Kegelherstellung, die sich immer als sehr schwierig
bei der Produktion erweist, da sehr genaue Maßtoleranzen eingehalten werden müssen. Gegenüber der Keilbzw.
Kegelverbindung hat diese Konstruktion noch den Vorteil, daß die Verbindungsteile — wie es bei einer
Feder üblich ist — bei Entlastung wieder in ihre ursprünglichen Zustände zui ückkehren.
Der Vorteil der Erfindung besteht auch darin, daß es durch die spezielle Ausgestaltung der Schraubverbindung
möglich geworden ist, eine an sich für den Anwendungsfall der Endoprothese einer Steckverbindung
überlegene Schraubverbindung anzuwenden. Die
große Sicherheit gegen Lösen der Schraubv rbindung wird bei der erfindungsgemäßen Lösung dadurch
erzielt, daß die über einen relativ geringen Fußquerschnitt weit herausragende Gewindeflanken des Metallzapfens
beim Festziehen der Verschraubung elastisch deformiert werden. Dadurch ergibt sich zum einen eine
gleichmäßige Aufteilung der längs der Gewindeberührungslinie entstehenden Spannkraft und eine nachfedernde
Wirkung, die einer Tellerfeder vergleichbar ist. Andererseits läßt sich ohne Überbeanspruchung des
Keramikkopfes eine hohe Vorspannung der Schraubverbindung erzielen und damit eine hohe Sicherheit
gegen Lösen bei Wechselbeanspruchung. Eine weitere Sicherheit gegen Lösung der Schraubverbindung bildet
die große Reibung zwischen Metall und Keramikoberfläche der Gewindeflanken. Schließlich wird die Gefahr
einer Überbeanspruchung des Keramikkopfes bei Erhitzung der kompletten aus Keramik-Gelenkkopf und
Metallschaft bestehenden Endoprothese zum Zweck der Sterilisation dadurch ausgeschlossen, daß zwischen
den einzelnen Gewindegängen aufgrund der unterschiedlichen Gewindeformen von Gewindezapfen und
Gewindebohrung ausreichendes Spiel bis zu einigen Zehntel Millimetern im Falle der durch die Wärmedehnung
bewirkten Vergrößerung des G.'windezapfens zur Verfugung steht. Durch diese Unempfindlichkeit gegen
Erhitzung kann eine erfindungsgemäß ausgebildete Endoprothese ohne jegliche Gefahr einer Hochtemperatur-Sterilisation
von üL":r 25O°C ausgesetzt werden. Aus der weitgehenden Unempfindlichkeit gegen Wärmedehnung
ergibt sich ferner der Vorteil, daß man in der Auswahl der Metallegierungen für den Metallschaft
nicht an solche gebunden ist. dessen Wärmeausdehnungskoeffizient dem des verwendeten keramischen
Werkstoffes entspricht. Es können also z. B. außer Titan oder Titanlegierungen für den Metallschaft auch
Chrom-Kobalt-Stähle oder andere Chromstahllegierungen zur Anwendung kommen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll der Quotient */*, aus Profilhöhe h und
Profilbreite b des Außengewindes nicht kleiner sein als 2. Bei anderen Materialkombinat'onen und Bauteilabmessungen
können wieder andere Zahlenwerte für den
Quotienten Mb gelten.
bine weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin,
daß der erste Gewindering des Außengewindes von geringerer Breite ist als die öbi'igen Gewindegänge.
Hierdurch kann erreicht werden, daß noch bevor der Keramikkopf den äußeren Bund des Metallschaftes
berührt, der erste Gewindegang an einem schulterförmigen
Ansatz am Gewindeende im Keramikkopf sich anlegt und beim Anziehen der Verschraubung der erste
Gewindegang plastisch deformiert, d, h. verquetscht wird, was eine zusätzliche Sicherung gegen ein Lösen
der Verschraubung ergibt.
Im weiteren bezieht ?ich die Erfindung auf ein
ίο Verfahren zur Sicherung der Schraubverbindung eines
metallischen Zapfens mit Außengewinde und eines Keramikkopfes mit einem Innengewinde, -das ein
angenähert sinusförmiges Profil aufweist, in dem der Zapfen des Metallschaftes vor dem Einschrauben in den
ι5 Keramikkopf auf eine höhere Temperatur vorzugsweise
auf etwa 250°C erhitzt wird. Durch die Erhitzung des Metallschaftes dehnt sich dieser in seiner Länge aus. Der
Keramikkopf kann dann mit einem normalen Anzugsdrehmoment, das durch die feinpolierte Kugeloberflä-
ehe begrenzt ist, auf dem Metalls^haft festgezogen
werden, wobei sich der Festsitz ae<· Verschraubung
durch die sich bei der Abkühlung ergebende Kontraktion durch eine Erhöhung der axialen Schraubenkraft
verstärkt. Es wird hiermit also erreicht. daC das Drehmoment für das Lösen der Schraubverbindung
erheblicn größer ist als es für das Anziehen aufgrund der hochfein polierten Kugeloberfläche des Keramikkopfes
erreicht werden kann oder durch Benutzung eines äußeren Vielkantansatzes erforderlich würde. So z. B.
werden mit einer Kugel von 32 mm 0 mit normalem Anzugsmoment von ca. 3000 Ncm und einer Erhitzungstemperatur von ca. 250° C Drehmomente für das Lösen
der Verschraubung ei lorderlich, die über 4000 Ncm d. h.
jenseits der durch den Reibungsschluß auf der Kugeloberfläche gegebenen Grenze liegen. Eine solchermaßen
festgezogene Kugel läßt sich bei Raumtemperatur nunmehr wieder lösen, wenn die Kugeloberfläche
angerauht, d. h. der Reibungsschluß erhöht wird. Da sich bei der Erwärmung der Gewindezaplen in
Länge und Breite dehnt, kann es von Vorteil sein, die Gev'ndeflanken des Keramikkopfes ungleich zu gestalten.
Durch eine flachere Ausführung der Seite kann das durch die Kontraktion im Durchmesser bedingte
Abrutschen des metallischen Profils vermindei; werden.
4^ wodurch der Betrag der sich ausbildenden axial
gerichteten Schraubenkraft größer wird.
Weitere Einzelheiten und Ausbildungen der Erfindung werden im Rahmen der Erläuterungen eines
Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen beschrieben, wobei die
F i g. I eine Hüftfeelenkprothese ohne die Gelenkpfanne
darstellt.
Fig. la einen vergröberten Ausschnitt hinsichtlich de j Innen- und Außengewindes.
F i g. 2 den Querschnitt des Keramikkopfes mit Mehrkantbund,
F i g. 3 den vergrößerten Ausschnitt insbesondere des ersten Gewindeganges des Melallzapfens.
Ein Metallschaft 11 ist soweit in den Oberschenkelknochen eingetrieben, daß ein Bund 13 des Metallschaftes
11 auf einer Fläche dieses Knochens aufliegt. Oberhalb eines Anschlagbundes 5 weist der Metallschaft
11 einen Zapfen 1 auf, dessen Außengewinde 3 als Flachgewinde ausgeführt ist. Die Profilhöhe des
h5 Flachgewndes ist nit Λ. die Profilbreite mi! b
bezeichnet. Der Quotient hh, aus Profilhöhe h und
Profilbreite b beträgt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa zwei. Auf dem Zapfen 1 ist ein
kugelförmiger Keramikkopf 2 aufgeschraubt, der im unteren Bereich der Außenfläche des Kopfes einen das
Gewindeloch umgebenden Mehrkanlbund 6 aufweist. Ein Sechskantbund 6 ist in F i g. 2 besonders dargestellt
und dient zum Anziehen der Schraubverbindung mittels eines Schraubenschlüssels. Das Innengewinde 4 im
Keramikkopf 2 ist ein Rundgewinde mit angenähert sinusförmigem Profil.
Metallzapfens 1 im fertig montierten Zustand in Fig. 3
vergrößert dargestellt. Der erste Gewindegang des Zapfens 1. der von geringerer Breite ausgeführt ist als
die übrigen Gewindegänge, ist dabei von einem schulterförmigen Ansatz 8 am Ende des Innengewindes
4 im Keramikkopf 2 deformiert worden, woraus sich eine zusätzliche Sicherung gegen Lösen der Verschraubung ergibt.
Claims (8)
1. Endoprothese mit einer Metall-Keramik-Verbindung, insbesondere Hüftgelenk-Endoprothese
mit einem in den Knochen einsetzbaren Metallschaft, auf dessen freien Zapfen ein mit einer
angepaßten Bohrung versehener Ktramikkopi mittels einer Schraubverbindung befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewinde
der Schraubverbindung zwischen dem Zapfen (1) und dem Keramikkopf (2) unterschiedlich gestaltet
ist, wobei das Innengewinde (4) im Keramikkopf (2) ein Rundgewinde mit sinusförmigem Profil und das
Außengewinde (3) an dem Zapfen (1) ein in der Durchmesserebene geradlinig verlängertes Rundgewindeprofil aufweist, dessen Profilhöhe h größer als
die Profilbreite b ist
Z Endoprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient */& aus Profilhöhe h
und Profilbreite b des Außengewindes (3) größer ist als der einsprechende Quotient */& des Innengewindes (4).
3. Endoprothese nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewindeprofil des Innengewindes (4) auf der tragenden Seite flacher 2=>
gehalten ist als auf der freien Gegenseite.
4. Endoprothese nach Anspruch 1. 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkopf (2)
eine Kugel ist, die im unteren Bereich der Außenfläche des Kopfes einen das Gewindeloch to
umgebenden Mehrkantbund (6) aufweist.
5. Endoprothese nach einem der Ansprüche 1 bis
4. dadurch gekennzeichnet d*ß der erste Gewindegang (7) des Außengewindes (3) von geringerer
Breite b ist als die übrigen Gewindegänge. a
6. Endoprothese nach einem Jer Ansprüche I bis
5. dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkopf (2)
aus Aluminiumoxid, der Metallschaft (11) aus Titan oder einer Titanlegierung besteht.
7. Endoprothese nach einem der Ansprüche 1 bis *o
6. dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkopf (2)
aus Aluminiumoxid, der Metallschaft (11) aus Chrom-Kobait-Stahl besteht.
8. Verfahren zur Sicherung der Schraubverbindung des metallischen Zapfens (1) mit Außengewin-
de (3) und des Keramikkopfes (2) mit Innengewinde (4) bei einer Endoprothese nach einem der
Ansprüche I bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß der Zapfen des Metallschaftes vor dem Einschrauben in
den Keramikkopf auf eine höhere Temperatur, vorzugsweise auf etwa 2500C erhitzt wird.
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