DE3914809C2

DE3914809C2 - Ermüdungsfeste Oberfläche

Info

Publication number: DE3914809C2
Application number: DE19893914809
Authority: DE
Inventors: Claus Dr Mattheck; Klaus Dr Schubert; Helmut Dr Herrmann; Dieter Dr Seidel
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1989-05-05
Filing date: 1989-05-05
Publication date: 1995-10-05
Anticipated expiration: 2009-05-06
Also published as: DE3914809A1

Description

Die Erfindung betrifft eine ermüdungsfeste Oberfläche nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Prothesen, bei welchen eine oder mehrere Prothesenoberflä chen mit dem Knochen verwachsen sollen wird durch geeignete Formgebung der Prothesenoberfläche versucht, das Einwachsen des Knochens zu begünstigen.

In der Druckschrift "Oberflächenstrukturierte Prothesen aus technischer und medizinischer Sicht" über die 8. Vortragsreihe des Arbeitskreises Implantate medizinisch-technische Zusam menarbeit am 17. November 1987 im Oskar-Helene-Heim in Berlin, Seite 25 bis 38 wird über kugelbeschichtete und über poröse Oberflächen berichtet. Dabei treten im Bereich der Rauhigkei ten bei Belastungen und Verkippungen Kerbspannungen auf, wel che zu Ermüdungsbrüchen führen. Dadurch wird die Lebensdauer der Implantate drastisch reduziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ermüdungsfeste Oberfläche der eingangs genannten Art so zu strukturieren, daß die möglichen Kerbspannungen minimiert werden, bei gleich zeitig optimaler Verbindung der Oberfläche mit dem Material mit dem sie verbunden werden soll, z. B. Knochen, der in die Oberfläche einwächst.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst.

Die Ansprüche 2 bis 6 stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar. Die Ansprüche 7 und 8 beanspruchen Verwendun gen der Erfindung.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß gestalteten Oberflä che besteht darin, daß auch die Fläche, welche mit ihr in Kon takt steht keiner Kerbspannung ausgesetzt ist und daß durch die vergrößerte Kontaktoberfläche die Flächenbelastung verrin gert wird.

Ein Ausführungsbeispiel wird im folgenden anhand der Figur nä her erläutert.

Die Figur zeigt die Kontur 4 einer Erhebung, dargestellt durch einen Schnitt durch diese Erhebung mit quadratischem Grundriß, der parallel zu einer Seitenfläche ausgeführt ist und der durch die Mitte der Erhebung verläuft. Der Maßstab kann durch Multiplikation mit einer Konstanten verändert werden, ohne daß die Oberfläche ihre positiven Eigenschaften verliert. Der Kurvenverlauf zwischen den Punkten 1 und 2 läßt sich durch folgende Funktion beschreiben:

F (x) = 0,19433 · x² - 0,25925 · x⁴ + 1,2404 · x⁶

dabei hat 1 die Koordinaten (0; 0) und 2 die Koordinaten (0,703; 0,182).

Dieser Kurvenabschnitt ist auch als Wertetabelle angegeben.

Der Kurvenverlauf zwischen den Punkten 2 und 3 hat für die Kerbspannungsfreiheit keine Bedeutung mehr. In der Figur sind in diesem Bereich Rillen 5 eingezeichnet, welche die Oberflä che vergrößern und z. B. das Einwachsen des Knochens begünsti gen. Diese Rillen haben bei Prothesenoberflächen vorzugsweise eine Tiefe zwischen 30 und 300 µm. Die Höhe der Erhebungen liegt vorzugsweise zwischen 0,3 und 3 Millimetern. Eine Größenbeschränkung nach oben oder unten existiert nicht, da sich die Eigenschaften der Oberfläche bei Maßstabsveränderun gen nicht ändern.

Der Abszissenabstand der Punkte 2 und 3 darf gegenüber der Figur vergrößert aber nicht verkleinert werden.

Die Erhebungen sind also 4seitige Pyramiden die im oberen Teil der Seiten umlaufende Querrillen als Substruktur aufwei sen. Sie stehen dicht an dicht, so daß eine zweidimensionale schachbrettartige Struktur entsteht.

Bei gleicher Querschnittskontur können die Erhebungen auch rechteckige, vieleckige oder runde Grundrisse aufweisen.

Verwendung finden solche Oberflächen bei Prothesen, z. B. bei Knieprothesen und im oberen Teil des Schaftes von Hüftgelenks prothesen.

In der Zahnmedizin ist die Oberfläche geeignet für künstliche Zahnwurzeln und für Verankerungsteile von Zahnprothesen.

Bei belasteten Metall-Kunststoffverbindungen kann die metall seitige Verbindungsfläche erfindungsgemäß ausgebildet sein, ebenso bei Verbindungen von Metall mit Faserverbundwerkstof fen.

x-Koordinate

y-Koordinate |0.0|0.0

5.0396264E-02|4.9018860E-04

9.7803771E-02|1.3618469E-03

0.14201444|3.3636093E-03

0.18345815|5.1E-03

0.22146857|8.2702637E-03

0.25692707|1.1E-02

0.28965676|1.41E-02

0.31945157|1.8515587E-02

0.34850132|2.2E-02

0.37649626|2.67E-02

0.40428942|3.2E-02

0.43124861|3.7380219E-02

0.45776540|4.2293549E-02

0.48353475|4.9386978E-02

0.50890476|5.6294441E-02

0.53324980|6.4815521E-02

0.55744958|7.2573662E-02

0.59044343|8.7E-02

0.62157142|0.10393333

0.65007830|0.125

0.67788804|0.15171242

0.70273793|0.18212700

Claims

1. Ermüdungsfeste Oberfläche von implantierbaren Knochen- oder Zahnprothesen oder bei belasteten Metall-Kunststoffverbin dungen, bei der aus einer sonst glatten Fläche regelmäßig geformte Erhebungen mit konkav ausgeformten Außenflächen herausragen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Seitenfläche einer Erhebung mit einer Ebene, welche senkrecht auf der sonst glatten Fläche steht, eine Schnittlinie bildet, die im normierten Bereich zwischen Punkt (1) und (2), bezogen auf die glatte Fläche, zwischen den Werten 0 bis 0,7027 durch die Funktion F = 0,19433 x² - 0,25925 x⁴ + 1,2404 x⁶beschrieben wird, wobei die Schnittlinie im weiteren Be reich bis zur Mitte der Erhebung bei 1,303 beliebig ver laufen kann.

2. Ermüdungsfeste Oberfläche nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Erhebungen eine quadratische Grundfläche haben und schachbrettartig angeordnet sind.

3. Ermüdungsfeste Oberfläche nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schnittlinie vom Punkt (2) bis zum Punkt (3) eine Gerade ist mit der Steigung der Funktion F im Punkt (2).

4. Ermüdungsfeste Oberfläche nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen zwischen den Punkten (2) und (3) Rillen enthalten, welche parallel zur glatten Fläche laufen.

5. Ermüdungsfeste Oberfläche nach Anspruch 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen einen Kreis als Grundriß haben und möglichst dicht beieinander stehen.

6. Ermüdungsfeste Oberfläche nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, da durch gekennzeichnet, daß die Erhebungen ein regelmäßiges Vieleck als Grundriß haben und möglichst dicht beieinander stehen.

7. Ermüdungsfeste Oberfläche nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Oberfläche auf der Metallseite bei Metall- und Kunstharzverbindungen verwendet wird.

8. Ermüdungsfeste Oberfläche nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Oberfläche auf der Metallseite bei Metall-Faserverbundwerkstoffverbin dungen verwendet wird.