DE2914513A1

DE2914513A1 - Oberflaechenstruktur fuer verankerungselemente von knochenimplantaten

Info

Publication number: DE2914513A1
Application number: DE19792914513
Authority: DE
Inventors: Otto Frey
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1978-05-19
Filing date: 1979-04-10
Publication date: 1979-11-22
Also published as: GB2020982A; JPS5745576B2; US4272855A; AT369977B; ATA317579A; CH630251A5; FR2425843B1; DE2914513C3; GB2020982B; DE2914513B2; JPS54154194A; FR2425843A1

Description

P. 5320/Wg/IS Gebrüder Sulzer, Aktiengesellschaft, Winterthur/Schweiz

Oberflächenstruktur für Verankerungselemente von Knochenimplantaten

Die Erfindung betrifft eine Oberflächenstruktur für Verankerungselemente von Knochenimplantaten, bei der mindestens ein Teil der Verankerungsfläche durch aus einer Ausgangsniveaufläche hervorstehende Warzen oder in diese Fläche hineindringende Vertiefungen erzeugte Hohlräume für das Einwachsen von Gewebe geschaffen sind.

Um eine zementfreie Verankerung von Implantaten durch Einwachsen von Knochengewebe zu ermöglichen bzw. zu verbessern, sind bereits eine Vielzahl von Oberflächenstrukturen vorgeschlagen worden. Einerseits hat man die Implantate mit eine gewisse Tiefe aufweisenden, porösen Oberflächen versehen (z.B. DE-OS 14 41 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 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 fortsetzenden Anrissen und schliesslich zu Ermüdungsbrüchen führen.

Andererseits hat man versucht, durch regelmässige Anordnung von Noppen und/oder Vertiefungen die Haftung von Implantaten im Knochen zu verbessern (siehe z.B. DE-PS 837 294). Ganz abgesehen davon, dass auch bei diesen Strukturen scharfe Ecken und Kanten nicht vermieden worden sind, ist dadurch keine entscheidend erhöhte Haftfestigkeit zwischen den Implantaten und dem Gewebe erreicht worden, weil mit dieser Strukturierung nur eine ungenügende Oberflächenvergrösserung erreicht worden ist; die Vergrösserung der Oberfläche ist jedoch ein entschei-

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dendes Merkmal, durch das eine Verbindung zwischen dem Gewebe und dem in ihm als Fremdkörper wirkenden Verankerungselement beeinflusst und verbessert werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Oberflächenstruktur zu schaffen, durch die die Bedingungen für das Anwachsen von Gewebe an die Oberfläche eines Knochenimplantates optimiert wird, ohne dadurch die mechanischen Eigenschaften des Verankerungselementes beeinträchtigt werden. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 beanspruchten Merkmale.

Durch die Formgebung der Zotten und die Ausgestaltung ihrer Uebergänge in die Ausgangsniveaufläche wird erreicht, dass die ganze Struktur ecken- und kantenfrei ist und somit keine Störstellen mit hohen Belastungsspitzen hat, die zu den erwähnten Anrissen und ihren Folgen führen. Weiterhin erreicht man durch die beanspruchten Beziehungen zwischen Querabmessung, Höhe und Abstand der Zotten - wobei die Abstandsbeziehung selbstverständlich für nicht am Rande liegende, ungestörte Bereiche der Struktur gilt - vor allem eine erhebliche Vergrösserung der dem anwachsenden Gewebe zur Verfügung stehenden Oberfläche; darüberhinaus wird dadurch die Oberflächenstruktur des Implantates der Struktur des spongiösen Gewebes angenähert und diesem ähnlich gestaltet. Eine solche Annäherung kann besonders gefördert und damit die Optimierung der Struktur sowie der Verankerung vervollkommnet - werden, wenn die Höhe der Zotten mindestens der zweifachen Querabmessung und der Abstand der Zotten höchstens dem Abstand der Querabmessung entsprechen.

Zur weiteren Anpassung der Oberflächenstruktur an das natürliche Wachstum, vor allem des spongiösen Knochengewebes, das sich bekanntlich vorzugsweise in seinem Wachstum nach den lokalen Kraftbzw· Belastungsrichtungen orientiert, können weiterhin die Zottenachse und - bei Zotten mit unterschiedlichen Längs- und Querabmessungen - die Breitseite der Zottenoberfläche möglichst senkrecht zur lokalen Belastungsrichtung angeordnet werden.

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Die neue Oberflächenstruktur ist bei allen Knochenimplantaten, einschliesslich Hüftgelenkspfannen, 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 Aetzen oder auch 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;

Fig. 2 gibt in gleicher Darstellung eine erhabene Zotte wieder, die einen Winkel 0& φ 90 mit einer Ausgangsniveaufläche bildet;

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

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

Von einer Ausgangsniveaufläche 1 ausgehend, die in Fig. 1 durch die äussere Oberfläche eines Implantats 2 gebildet wird, sind einzelne Zotten 3 als Vertiefungen in 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

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der Querschnittsabmessungen (Fig. 3) mit D und, gegebenenfalls, die längere mit L bezeichnet sind.

Die Querabmessung D, die als Abstand der Schnittpunkte 6 def über die Höhe H konischen Grundform mit der Ausgangsniveaufläche

- bzw. mit einer zur Zottenachse 5 senkrechten Ebene 10 durch den Schnittpunkt der Niveaufläche 1 mit der Achse 5 (Fig. 2) festgelegt ist, ist die Basisabmessung der Zotte 3; auf sie werden alle anderen Abmessungen bezogen. Ihr Absolutwert kann

- je nach Grosse der Ver£inkerungs fläche und der aufzunehmenden Belastungen - Werte zwischen 0,25 und 10 mm annehmen.

Bei den Zotten 3 nach Fig. 1, deren Achse 5 senkrecht auf der Ausgangsniveaufläche 1 steht, beträgt die Höhe fl - gemessen von der Ausgangsniveaufläche 1 aus - beispielsweise das 1,3-fache von D. Der Abstand A zwischen zwei benachbarten Zotten 3 ist - abgesehen von Randbereichen der Oberfläche bzw. der Oberflächenstruktur, die sich keineswegs immer über die gesamte Verankerungsfläche erstrecken muss - etwa 0,75 D; er wird jeweils in der Ausgangsniveaufläche 1 bestimmt und stellt die kürzeste Entfernung zweier Scnittpunkte 6 bzw. 11 (Fig. 2) der konischen Grundform in der Ausgangsniveaufläche 1 dar.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 "wachsen" die Zotten 3 als erhabene Vorsprünge aus der Niveaufläche 1, die hier die Basisfläche des Inplantatkerns 2 ist, heraus; ihre Achse 5 bildet in diesem Beispiel mit der Niveaufläche 1 einen Winkel von etwa 50 , wobei die Achse 5 so ausgerichtet ist, dass sie auf der örtlichen Hauptbelastungsrichtung möglichst senkrecht steht. Wie Fig. 4 erkennen lässt, können dabei die Achsen 5 verschiedener Zotten 3 in Abhängigkeit von der örtlichen Belastungsrichtung die von der in Fig. 4 mit P bezeichneten resultierenden Belastungsrichtung durchaus verschieden sein kann, unterschiedliche Winkel mit der Ausgangsniveaufläche 1 bilden.

Wie die beiden Längsschnitte der Fig. 1 und 2 zeigen, sind die

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Uebergänge 7 der Zotten 3 in die Ausgangshiveauflache 1 sowie ihr "Boden" 8 (Fig. 1) 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 Schwächung der mechanischen Festigkeit des Implantatmaterials vermieden.

Für die Wahl der Grössen D, L, H, A innerhalb der angegebenen Begrenzungen sei abschliessend als allgemeiner Hinweis angegeben, dass diese Wahl so zu treffen ist, dass- selbstverständlich innerhalb der durch die Materialwerte des zu verankernden Implantatmaterials gegebenen Möglichkeiten - die Scherkräfte in der im wesentlichen in der Ausgangsniveaufläche gegebenen Grenzfläche im Bereich des Knochenmaterials und im Bereich des Implantatwerkstoffes so weit wie möglich aneinander angeglichen oder, bei Werkstoffen mit dem Knochenmaterial ähnlichen Materialwerten, sogar möglichst weitgehend ausgeglichen werden sollen.

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Claims

29 U513 P. 5320/Wg/IS Patentansprüche

1. Oberflächenstruktur für Verankerungselemente von Knochenimplantaten, bei der mindestens auf einem Teil der Verankerungsfläche durch aus einer Ausgangsniveaufläche hervorstehende Warzen oder in diese Fläche hineindringende Vertiefungen erzeugte Hohlräume für das Einwachsen von Gewebe geschaffen sind, dadurch gekennzeichnet,

dass Noppen und/oder Vertiefungen zottenartig ausgebildet.

dass ferner die Zotten (3) eine konische Grundform mit beliebigem, jedoch mindestens praktisch ecken- und kantenfreiem Querschnitt haben, und ihre Achse (5) mit der Ausgangsniveauflache (1) einen Winkel OS zwischen 50 und 90 bildet,

dass weiterhin die Oberfläche der Zotten (3) und ihre Uebergangsflache (7) in die Ausgangsniveaufläche (1) ebenfalls praktisch ecken- und/oder kantenfrei ausgebildet sind,

und dass schliesslich mit der Querachse (D) der bzw. der kleinen Querabmessung der Zotte (3) als Basisgrösse, gemessen senkrecht zur Zottenachse (5) in der Ebene durch deren Schnittpunkt mit der Ausgangsniveaufläche (1), die folgenden Beziehungen erfüllt sind:

Für die Längenachse (L) des Zottenguerschnitts: D ^ L έ 3 D;

für die Höhe (H) der Zotte (3) positiv bzw. negativ von der Ausgangsniveaufläche (1) aus: 0,5 D ■£ H i- 5 D;

für den Minimalabstand (A) zwischen den Mantellinien der konischen Grundform benachbarter Zotten, gemessen in der Schnittebene der Zottenachse (5) mit der Ausgangsniveaufläche (1): 0,25 D JL A C 3 D.

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2. Oberflächenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der WinkelOi relativ zur Ausgangsniveaufläche (1) so ausgerichtet ist, dass die Zottenachse (5) möglichst weitgehend rechtwinklig zur lokalen Belastungsrichtung steht.

3. Oberflächenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für Zotten (3), deren Längsachse (L) grosser ist als die Querachse (D), die Breitseite der Zottenoberfläche möglichst weitgehend senkrecht zur örtlichen Belastungsrichtung angeordnet ist.

4. Oberflächenstruktur nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass für Zotten (3), deren Längsachse (L) grosser 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 Querachse (D), insbesondere mindestens gleich der doppelten Querachsenlänge, ist.

6. Oberflächenstruktur nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (A) höchstens gleich der Querachse (D) ist.

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