DE60306739T2 - Hüftprothese mit keramischem Lager - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hüftprothese mit einem Metallstützteil, das permanent mit einem keramischen Lagerteil verbunden ist.
  • STAND DER TECHNIK
  • Keramikhüftpfannen wurden erstmals im Jahre 1970 vom französischen Chirurg Pierre Boutin verwendet. Er verwendete Aluminiumoxidköpfe mit 32 mm Durchmesser in Kombination mit zementierten Aluminiumoxidpfannen. Eines der Hauptprobleme mit dieser Anordnung war die Erzielung einer zufriedenstellenden Fixierung in der Hüftpfanne mit diesen nicht-modularen Keramikmänteln. Eine zementfreie Pfannenkomponente wurde 1972 von Mittelmeier in Deutschland eingeführt. Sein Design bestand aus einem verkürzten monolithischen Keramik-Kegelsockel mit Außengewinde, der in eine knapp ausgebohrte Hüftpfanne geschraubt wurde, so dass ein Gelenk mit einem Kugelkopf mit 32 oder 38 mm Durchmesser erhalten wurde, der auf einem zementfreien Stamm befestigt war. Das Einschraub-Schalen-Design war nicht modular, die Ergebnisse waren im Allgemeinen nicht erfolgreich.
  • Nachfolgende Modelle von Keramikpfannen waren fast einheitlich modular konstruiert. Diese hat gewöhnlich eine von zwei Formen. Die Pfanne kann erstens die Form eines Keramikeinsatzes haben, der in eine konische Vertiefung in einem Metallmantel passt. Alternativ kann diese aus einem Keramikeinsatz bestehen, der in eine Polyethylenabdeckung gepresst wird oder im Presssitz darin befestigt ist, welche dann in einen Metallmantel gepresst oder eingerastet wird (eine Polyethylen-Sandwichkonstruktion).
  • Für eine bestimmte Pfannengröße ist der Maximaldurchmesser der gelenkbildenden Oberflächen eingeschränkt durch die vergleichsweise dicke Pfannenwand, die für eine derartige modulare Konstruktion unvermeidbar ist. Diese Einschränkung ist wichtig, da die Vorteile einer großen Gelenkverbindung, insbesondere eine gesteigerte Stabilität und ein gesteigerter Bewegungsbereich, weithin anerkannt sind. Es ist insbesondere unmöglich, eine derartige modulare Pfanne für eine Oberschenkeloberflächenprothese herzustellen, da entweder die Hüftpfanne oder der Oberschenkelkopf stark ausgebohrt werden muss.
  • Eine modulare Konstruktion hat auch andere Nachteile. Die Mikrobewegung an der Grenzfläche zwischen den modularen Komponenten kann zu Verschleiß führen. Der Zusammenbau von Keramik-Komponenten mit Kegelsitz erfordert Umsicht, da eine Fehlausrichtung zum Bruch der Keramik führen kann.
  • Monoblock-Pfannen sind einfach und sicher, und sind daher eine verlockende Wahl für Chirurgen.
  • Die bei frühen Monoblock-Keramikpfannen beobachtete Lockerung war teilweise zurückzuführen auf die Verwendung der Einschraub-Befestigung. Es wurde jedoch angenommen, dass ein zusätzlicher Grund der Lockerung das schlechte Osseointegrationspotential des biologisch inerten Aluminiumoxid-Materials war. Metalle, wie Titan, oder Titanlegierungen, werden dagegen weithin als gute Wahl für Knochenbefestigungsoberflächen von Orthopädie-Implantaten angesehen.
  • Eine Maßnahme zur Applikation einer Knocheneinwuchsoberfläche auf eine Keramikpfanne ist durch Aufbringen einer Metallbeschichtung auf die Keramik, beispielsweise durch Plasma-Sprühen. Dies ist in Patent US 6 319 285 beschrieben. Die durch Plasma-Sprühen aufgebrachte Metallbeschichtung ist jedoch nicht an die Keramik gebunden, und die Keramikoberfläche muss aufgeraut werden, damit die Beschichtung angemessen haftet. Dies schwächt die Keramik.
  • EP 0202141 offenbart eine Oberschenkelkopfprothese, in der ein Metallstützteil permanent an ein Keramiklagerteil gebunden ist.
  • US 5 716 414 offenbart eine Pfannenprothese mit einem Keramiklager, das in einem Metallmantel sitzt.
  • WO98/42390 offenbart ein Verfahren zur Bildung einer Oxidbeschichtung auf einem Gegenstand, der aus Zirkon oder einer Zirkonlegierung hergestellt ist.
  • ERKLÄRUNG DER ERFINDUNG
  • Erfindungsgemäß wird eine Pfannenkomponente einer Hüftprothese bereitgestellt, die ein Metallstützteil und ein keramische Lagerteil umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Lagerteil permanent an das Metallstützteil gebunden ist und dass die Oberfläche des an das Metallstützteil gebundenen Keramiklagerteils glatt ist.
  • Das Metallstützteil und das Keramiklagerteil haben jeweils im Wesentlichen halbkugelförmige Lageroberflächen, wobei das Metallstützteil und das Keramiklagerteil permanent über im Wesentlichen die gesamte Fläche der halbkugelförmigen Lageroberflächen gebunden sind.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Keramiklagerteil eine Keramikabdeckung, die die gelenkbildende Oberfläche bildet. Diese ist an ein Stützteil mit einem Metallmantel gebunden, der die am Knochen angelagerte Oberfläche bildet oder hält. Der Metallmantel kann hergestellt werden durch Drechseln, Spinnen, Gießen, Schmieden oder Pressen, und an die Keramikschale gebunden werden, vorzugsweise durch Diffusionsbinden oder durch aktives Legierungshartlöten. Dies ermöglicht, dass sogar auf einer sehr glatten Keramikoberfläche eine gute Bindung erzeugt wird, wodurch die Festigkeit der Pfanne maximiert wird. Andere mögliche Verfahren zum Binden des Metallmantels an die Keramikeinlage umfassen das Kleben oder Hartlöten. Der Mantel kann strukturiert oder mit einer rauen oder porösen Beschichtung beschichtet sein, so dass eine Knocheneinwuchsoberfläche erhalten wird. Alternativ kann der Mantel aus einem offenzelligen porösen Metall hergestellt sein. Die Oberfläche des Mantels kann zudem mit Hydroxyapatit oder einer anderen Beschichtung oder Behandlung beschichtet werden, so dass der Knocheneinwuchs gefördert und gesteigert wird. Der Mantel kann in einem Bereich von Größen konstruiert sein, die einen Teil einer erneuernden Hüftprothese ausmachen.
  • Eine der Schwierigkeiten bei einer solchen Konstruktion ist die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen dem Metallmantel und der Keramikabdeckung. Bindeverfahren, wie Diffusionsbindung oder Hartlöten, umfassen das Erwärmen der Komponenten, und beim anschließenden Kühlen auf Raumtemperatur kann die unterschiedliche Kontraktion zwischen den beiden Komponenten zu hohen Grenzflächenspannungen und zu Rissen führen, die sich in die Keramik ausbreiten. Man kann dies auf verschiedene Weise bewältigen:
    • 1. Die Metallkomponente kann aus einer Legierung hergestellt sein, in der der Wärmeausdehnungskoeffizient zur Keramik passt. Eine Legierung aus Titan und Tantal und/oder Niob kann beispielsweise mit Aluminiumoxid verwendet werden.
    • 2. Die Metallverstärkung kann hergestellt sein in einem Fleckenmuster mit Lücken, die das unterschiedliche Schrumpfen beim Kühlen in Einklang bringen.
    • 3. Die Keramik kann an einen Mantel gebunden sein, der aus einem offenzelligen porösen Metall besteht. Die Metall-Keramik-Bindung hat die Form einzelner Flecken. Das niedrige Modul eines Metalls mit Trabekelstruktur reduziert die Spannungen aufgrund des unterschiedlichen Schrumpfens.
  • Das bevorzugte Verfahren zum Verbinden des Metallmantels mit der Keramikkomponente ist Diffusionsbindung. Ein Problem mit dieser Technik, insbesondere zum Binden von Titan an Aluminiumoxid, ist die Bildung von spröden Zwischenmetallen und Oxiden, wie TiAl und TiO2.
  • Dies wird u.a. mit einem Verfahren bewältigt, bei dem eine Zwischenschicht zwischen Metall und Keramik gefügt wird. Diese Zwischenschicht kann als Diffusionssperre zur Minimierung der Bildung spröder Phasen an der Grenzfläche wirken. Zudem kann eine weiche Metallzwischenschicht Wärmespannungen eines Titan- Keramikgelenks durch plastische Verformung reduzieren. Zwischenschichten, die für Titan-Porzellan-Zahnimplantate vorgeschlagen werden, umfassen Siliziumnitrid, Niob, Tantal und Gold. Diese Zwischenschicht kann in der Form einer Folie aufgebracht werden, oder sie kann auf der Metallschicht oder auf dem Keramik-Einsatz vor dem Zusammenbau und dem Verbinden aufgebracht werden.
  • Das Keramiklagerteil umfasst, ist aber nicht eingeschränkt auf Aluminiumoxid, Zirkonoxid, zirkongehärtetes Aluminiumoxid, Siliziumcarbid und/oder Siliziumnitrid.
  • Das Metallstützteil umfasst ein biologisch kompatibles Metall, wie u.a. reines Titan, Titanlegierung (wie Titan-Aluminium-Vanadium, Titan-Niob, Titan-Tantal), Kobalt-Legierungen, wie Kobalt-Chrom-Molybdän, Edelstahl, Tantal und/oder Zirkon.
  • Anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen die 1 bis 5 erfindungsgemäße Ausführungsformen sind, lässt sich die Erfindung besser verstehen, und es wird eindeutiger gezeigt, wie sie umgesetzt werden kann. Die 6 und 7 veranschaulichen Prothesen, die außerhalb des erfindungsgemäßen Schutzbereichs sind und lediglich zu Informationszwecken aufgenommen sind.
  • Es zeigt:
  • 1 eine Perspektivansicht einer Hüftpfanne;
  • 2 eine Perspektivansicht eines Keramiklagers;
  • 3 einen Querschnitt durch eine Pfannenkomponente, die aus einer Hüftpfanne und einem Keramiklager der 1 und 2 besteht.
  • 4 eine Explosionsansicht einer Pfannenkomponente, umfassend eine Hüftpfanne, ein Zwischenteil und ein Keramiklager:
  • 5 einen Querschnitt durch die Pfannenkomponente der 4 in einem zusammengebauten Zustand;
  • 6 eine Explosionsansicht einer erneuernden Oberschenkelkopf-Prothese, die sich außerhalb des erfindungsgemäßen Schutzbereichs befindet; und
  • 7 eine erneuernde Oberschenkelkopf-Prothese in einem zusammengebauten Zustand.
  • In den 1 bis 3 umfasst eine Pfannenkomponente 2 einer Hüftprothese ein Stützteil in der Form eines im Wesentlichen halbkugelförmigen Metallmantels 4, in den permanent ein halbkugelförmiges Lagerteil befestigt ist, das eine Keramikabdeckung 6 umfasst.
  • Der Metallmantel 4 hat eine im Wesentlichen halbkugelförmige Innenseite 8 und eine im Wesentlichen halbkugelförmige Außenseite 12, und die Keramikabdeckung 6 hat eine im Wesentlichen halbkugelförmige Außenseite 10, die sich sehr genau der Form der Innenseite 8 des Mantels 4 anpasst, so dass die Befestigung der Abdeckung 6 im Mantel 4 erleichtert wird.
  • Die Abdeckung 6 kann an dem Mantel 4 beispielsweise durch Diffusionsbindung, aktives Legierungshartlöten oder Kleben befestigt sein. Bei einem bevorzugten Verfahren werden die Innenseite 8 und die Außenseite 10 mit Flussmittel behandelt, bevor sie zusammengedrückt werden. Dann wird die gesamte Pfannenkomponente 2 erwärmt, und das Hartlötmaterial wird in die Lücke zwischen der Innenseite 8 und der Außenseite 10 eingeführt, wodurch die Abdeckung 6 in den Mantel 4 hartgelötet wird.
  • Direkt nach dem Zusammenbau wird die Pfannenkomponente 2 in einer gebohrten Öffnung (nicht gezeigt) befestigt, die sich in der Hüftpfanne eines Patienten befindet. Zur Erleichterung der Verbindung zwischen dem Mantel 4 und der Pfanne kann die Außenseite 12 des Mantels 4 mit Hydroxyapatit oder einer anderen Beschichtung oder Behandlung beschichtet werden, die den Knocheneinwuchs fördert und steigert. Der Mantel 4 kann darüber hinaus ganz aus einem porösen Material bestehen und kann beispielsweise die Form eines starren Gitters oder einer offenzelligen Struktur haben, die einen Knocheneinwuchs erleichtert.
  • Die Innenseite 8 des Mantels 4 kann einen etwas kleineren Radius aufweisen als die Außenseite 10 der Abdeckung 6, so dass diese bei Raum- (oder Körper-) Temperatur nicht im Mantel 4 befestigt werden kann. Der Mantel 4 wird erwärmt, so dass es sich bis zu dem Punkt ausdehnt, an dem die Abdeckung 6 in den Mantel 4 passt. Der Zusammenbau kann dann abkühlen, so dass der Mantel 4 die Abdeckung 6 greift und eine permanente Verbindung der Abdeckung 6 mit dem Mantel 4 schafft. Diese Technik kann zusammen mit einer anderen Befestigungstechnik verwendet werden, wie Diffusionsbindung oder Hartlöten. Die Verbindung kann sogar durch die Verwendung von Klebstoff verstärkt werden, vorausgesetzt der Kleber kann den Temperaturen standhalten, die zum Ausweiten des Mantels 4 nötig sind. Ein besonderer Vorteil der Verwendung einer Wärmeschrumpftechnik ist, dass die Pfannenkomponente 2 direkt nach dem Abkühlen derart angeordnet werden kann, dass die Abdeckung 6 unter der vom Mantel 4 ausgeübten Presslast ist. Dies steigert die Rissbeständigkeit der Keramikabdeckung 6 stark und verlängert dadurch ihre Haltbarkeit und die Beständigkeit gegenüber Stoßbelastung.
  • In den 4 und 5 befindet sich in einer alternativen Ausführungsform ein Zwischenteil in der Form einer weichen Metallzwischenschicht 14 zwischen Mantel 4 und Abdeckung 6. Die Zwischenschicht 14 wird in Form einer Folie über die Abdeckung 6 aufgebracht, bevor sie im Mantel 4 befestigt ist. Alternativ kann die Zwischenschicht 14 vor dem Zusammenbau und der Bindung auf dem Mantel 4 oder auf der Abdeckung 6 aufgebracht werden. Die Zwischenschicht 14 verbessert die Haftung, passt Unstetigkeiten und Herstellungsspielräume bei den zusammenpassenden Oberflächen an und/oder schafft ein bestimmtes Maß an Stoßdämpfung zwischen dem Mantel 4 und der Abdeckung 6.
  • In den 6 und 7 umfasst eine erneuernde Oberschenkelkopf-Prothese, die sich nicht im Schutzbereich der Erfindung befindet, ein Stützteil in Form einer Metallkappe 18, die am Ende des ausgeschnittenen Oberschenkels (nicht gezeigt) befestigt ist, und ein Keramiklagerteil 20, das mit der anhand der erfindungsgemäßen Ausführungsform der 1 bis 3 beschriebenen Technik über der Kappe 18 befestigt ist. Die Oberschenkelkopfprothese kann auch mit einer Zwischenschicht zusammengebaut werden, wie mit einer weichen Metallzwischenschicht 14 der Ausführungsform der 4 und 5.

Claims (17)

  1. Pfannenkomponente (2) einer Hüftprothese, umfassend ein Metallstützteil (4) und ein keramisches Lagerteil (6), dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Lagerteil (6) permanent mit dem Metallstützteil (4) verbunden ist, und dass die Oberfläche (10) des keramischen Lagerteils (6), welches mit dem Metallstützteil (4) verbunden ist, glatt ist.
  2. Pfannenkomponente (2) nach Anspruch 1, wobei das Stützelement (4) durch Diffusionsbindung mit dem Lagerteil (6) verbunden ist.
  3. Pfannenkomponente (2) nach Anspruch 1, wobei das Stützteil (4) durch Hartlöten mit dem Lagerteil (6) verbunden ist.
  4. Pfannenkomponente (2) nach Anspruch 3, wobei das Stützelement (4) durch aktives Legierungshartlöten mit dem Lagerteil (6) verbunden ist.
  5. Pfannenkomponente (2) nach Anspruch 1, wobei das Stützteil (4) durch Kleben mit dem Lagerteil (6) verbunden ist.
  6. Pfannenkomponente (2) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Oberfläche (12) des Stützelements (4) eine raue und/oder poröse Beschichtung besitzt.
  7. Pfannenkomponente (2) nach Anspruch 6, wobei das Stützelement (4) mit Hydroxyapatit beschichtet ist.
  8. Pfannenkomponente (2) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stützelement (4) aus einem porösen Material hergestellt ist.
  9. Pfannenkomponente (2) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Stützteil (4) und dem Lagerteil (6) ein Zwischenteil (14) angeordnet ist.
  10. Pfannenkomponente (2) nach Anspruch 9, wobei das Zwischenteil (14) eine weiche metallische Zwischenschicht (14) ist.
  11. Pfannenkomponente (2) nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Zwischenteil (14) Siliziumnitrid, Niob, Tantal und/oder Gold aufweist.
  12. Pfannenkomponente (2) nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Zwischenteil (14) eine Folie umfasst.
  13. Pfannenkomponente (2) nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Zwischenteil (14) auf dem Stützteil (4) und/oder dem Lagerteil (6) vor dem Verbinden dieser Teile miteinander angeordnet wurde.
  14. Pfannenkomponente (2) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lagerteil (6) Aluminiumoxid aufweist, Zirkonoxid, Zirkonoxid-gehärtetes Aluminiumoxid, Siliziumcarbid und/oder Siliziumnitrid.
  15. Pfannenkomponente (2) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stützteil (4) Titan aufweist, Titanlegierung oder eine Kobaltlegierung.
  16. Pfannenkomponente (2) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stützteil (4) einen Metallmantel (4) umfasst und das keramische Lagerteil (6) permanent in den Metallmantel (4) eingebaut ist.
  17. Pfannenkomponente (2) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das metallische Stützelement (4) und das keramische Lagerteil (6) mit entsprechenden, im Wesentlichen halbkugelförmigen Lagerflächen versehen sind, und das Metallstützteil (4) und das keramische Lagerteil (6) im Wesentlichen über die gesamte Fläche der halbkugelförmigen Lagerflächen miteinander permanent verbunden sind.
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