DE69322169T2

DE69322169T2 - Geschmierte pfanne für gesamtgelenkprothese

Info

Publication number: DE69322169T2
Application number: DE69322169T
Authority: DE
Inventors: Slobodan Ch-7270 Davos Tepic
Original assignee: AO FORSCHUNGSINST
Current assignee: AO FORSCHUNGSINST
Priority date: 1993-06-29
Filing date: 1993-06-29
Publication date: 1999-06-24
Anticipated expiration: 2013-06-30
Also published as: DE69322169D1; EP0663810A1; WO1995001139A1; EP0663810B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gesamtgelenkprothese, im speziellen auf eine Gesamthüftprothese, welche Mittel zur Reduktion des Verschleisses der Gelenkkomponenten eine dynamischen Schmierung aufweist. Der Mechanismus ist eine Nachahmung der Tropfschmierung in natürlichen Knorpeln.
Chirurgische Gelenkwiederherstellung, so dass eine niedrige Reibung im Gelenk entsteht, wurde von Sir J. Charnley in den frühen Sechzigerjahren entwickelt - während der letzten drei Dekaden wurden Millionen von Patienten vom Leiden an gelenkdegenerierenden Krankheiten befreit. Der Austausch des gesamten Gelenkes bedeutete eine wahrhafte Revolution auf dem Gebiet. Nach einem nicht erfolgreichen Versuch, eine Metallkopf /Teflonpfannen-Kombination anzuwenden, entdeckte Charnley die Metallkopf/UHMWPE Pfannen-Kombination (Ultra High Molecular Weight Polyethylene), welche bis heute eine Standardoption geblieben ist. Die Schmierung gehört zum Grenzflächentyp und hängt hauptsächlich von den Eigenschaften des UHMWPE ab. Die gebräuchlichsten Materialien für den Prothesenkopf sind Legierungen auf Chrom-Basis. Keramische Köpfe sind eine Alternative und scheinen den Verschleiss der Polymerpfanne um einen Faktor zwei zu reduzieren. UHMWPE-Verschleiss gegen einen Metallkopf von ungefähr 0,2 mm/Jahr ist selbst kein die Lebensdauer limitierender Faktor (die übliche Pfannendicke beträgt ungefähr 8 mm, ausreichend für den Verschleiss von 40 Jahren). Dennoch unterstützen zahlreiche Studien die Ansicht, dass Verschleisspartikel (einige 400 Milliarden/Jahr) durch indirekte Mechanismen der Knochenresorption als Faktor zur Prothesenlockerung beitragen - diese Partikel können im gesamten umgebenden Gewebe einschliesslich Knochen nachgewiesen werden. Als breiter Konsens auf dem Gebiet des Gesamtgelenkersatzes gilt, dass Polymerpfannenverschleiss ein ernsthaftes Problem ist. Moderne Herstellungstechniken und speziell neue Oberflächenbehandlungen und Fertigbearbeitungen haben die fast vergessene Metall-auf-Metall Methode verbessert. Keramik-auf- Keramik wurde ebenfalls versucht, aber keine der Alternativen zeigte die vorausgesagten guten Resultate der Plastikpfanne. Keine der Alternativen bot eine Art der Schmierung, welche zum Erreichen des verlangten Zieles des, zum Beispiel, menschlichen Hüftgelenkes, vernünftig entwickelt werden könnte.
Aus der DE-A21 39 878 und aus der DE-A 23 34 3863 sind Hüftgelenkprothesen mit einer fluidgefüllten Kammer im Kugelkopf bekannt, welche mit dem Gelenkspalt, welcher mit dem zusammenarbeitenden festen Acetabulum gebildet wird, verbunden ist.
In der DE-A23 34 3863 ist die fluidgefüllte Kammer zusätzlich mit einer Kolben/Zylinder-Pumpvorrichtung versehen. Die Nachteile dieser bekannten Vorrichtungen sind die unvollständige Abdichtung der fluidgefüllten Kammer und die Erzeugung von Verschleisspartikeln.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Lösung des Problems der Schmierung eines Gesamtgelenkes. Die Gestaltung ist begründet durch den Schmiermechanismus eines natürlichen Knorpels - nach C. McCutchen bekannt als "Austropfen". Ziel ist es, der Gelenkkraft zu ermöglichen, einen fluidgefüllten Behälter mit Druck zu beaufschlagen und das Fluid in den Gelenkspalt zu pumpen. Bestenfalls würde die ganze Kraft durch den dünnen Film getragen ("Austropfen" aus dem Behälter). Die Drücke, welche zur Unterstützung der Kräfte in, zum Beispiel, einer Hüftprothese benötigt werden, übersteigen 5 MPa (50 bar, oder atm). Das Fluid muss während der Periode mit geringer Belastung zurück gefüllt werden und der Behälter wird zum Zurücksaugen des während der Phase mit hoher Belastung abgegebenen Fluides expandiert. Wenn zum Zurückbringen des Fluides nur Ansaugen gebraucht wird, beträgt die maximale Druckdifferenz zum Bewegen der Flüssigkeit 0,1 MPa. Während der Fortbewegung entspricht die Zeitdauer der Phase mit hoher Belastung ungefähr der Phase mit niedriger Belastung. Zum Aufrechterhalten des Flusses während dem grössten Teil der Phase mit hoher Belastung, sollte während der Phase mit niedriger Belastung die gleiche Menge an Fluid abgesaugt werden (Schmierfluid ist das Fluid, welches nach dem Austausch des Gelenkes um das Gelenk gefunden wird und welches einem Synovialfluid ähnlich ist). Mit der grossen Differenz der Treibdrücke (eine fünfzig mal) kann dies nur durch Änderung des Strömungswiderstandes zwischen den Phasen ausgeführt werden. Der bevorzugte Weg zur Abstimmung des Strömungswiderstandes durch den Gelenkspalt ist die Deformation der Pfanne unter Belastung, so dass der Spalt unter höherer Belastung verringert wird. Die Pfanne wird dünn genug hergestellt, um am Äquator um den gewünschten Betrag zu deformieren - die Deformation wird durch eine Aufhängung innerhalb einer äusseren Schale, welche am Knochen anliegt, aufgezwungen. Die Fluidkammer ist vorzugsweise zwischen der Gelenkpfanne und der äusseren Schale angeordnet und wird durch eine Membran, welche zwischen der Pfanne und der äusseren Schale aufgespannt ist, mit Druck beaufschlagt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Fluidkammer im Kopf/Hals der Prothese anzuordnen. Der Vorteil dieser Art der Ausführung liegt darin, dass die Abstimmung des Widerstands bei der Pfannendeformation vollständig elastisch sein kann, das heisst unverzüglich. Auf diese Weise entsteht kein Fluidverlust während dem Schliessen des Spaltes. Das Fluidvolumen kann durch den Gebrauch einer einfachen Kolbenpumpe zwischen dem Kopf und dem Hals der Prothese erhöht werden.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt der geschmierten Pfanne mit einer integrierten Fluidkammer;
Fig. 2 die Ausströmung des Fluides während der Phase des Gelenkzyklusses mit hoher Belastung;
Fig. 3 die Wiederauffüllung der Fluidkammer während der Phase des Gelenkzyklusses mit niedriger Belastung;
Fig. 4 eine Pfanne mit Rinnen zur Konzentration des Druckabfalles am Äquatorabschnitt der Pfanne;
Fig. 5 einen Querschnitt des Prothesenkopfes mit integrierter Fluidkammer;
Fig. 6 die elastische Pfanne gegen den Prothesenkopf gegliedert mit der Fluidkammer;
Fig. 7 einen Querschnitt der geschmierten Pfanne und des Kopfes mit dem Kolben-in-Zylinder Typ der Fluidkammer.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt der Schale einer erfindungsgemässen Gesamthüftprothese. Die Schale ist entweder mittels Knochenzement oder einer Oberfläche zum Einwachsen in den Knochen am Knochen 21 befestigt. Die am Knochen anliegende Oberfläche der Schale ist mit 1 bezeichnet. Das Schalenelement 11 gleitet auf der Gelenkoberfläche 2 des Prothesenkopfes. Der Hauptkörper der Schale besteht aus dem ersten äusseren Wandelement 3 und dem zweiten äusseren Wandelement 5. An seiner peripheren Region 6 unterstützt der Hauptkörper das Schalenelement 11 durch eine konisch geformte Hülse 17. Die Hülse 17 trifft entlang des Äquators 12 auf das Schalenelement 11 und ist mit dem Hauptteil des Sockels 5 an deren peripheren Wulst 8 verschweisst. Der Winkel 18 des konischen Abschnittes 17 ist geringer als 90º. In der Region des Scheitelpunktes der Schale 4 trifft das äussere Wandelement auf die Membran 9 der Fluidkammer 10. Die Membran 9 weist eine zentrale Öffnung 7 auf, wo sie an das Schalenelement 11 geschweisst ist. In der polaren Region 15 hat die Schale eine zentrale Bohrung 16, durch welche die Fluidkammer 10 mit dem Gelenkspalt (der Spalt zwischen der Schale und dem Kopf der Prothese) verbunden ist. Die Äquatorialebene des Sockels ist durch 13 bezeichnet, während die polare Symmetrieachse durch 14 bezeichnet ist. Der Raum 19, welcher durch das Schalenelement 11, das Körperelement 5, die Membran 9 und die Hülse 17 eingeschlossen wird ist nur mit Gas gefüllt. Die Fluidkammer 10 ist durch die Schweissnaht 20 zwischen den äusseren Wandelementen 3 und 5 gegen aussen abgedichtet.
Fig. 2 zeigt die Phase mit hoher Belastung des Gelenkzyklusses. Die Gelenkkraft 22a stösst den Kopf der Prothese 24 in den Sockel und verursacht eine axiale Bewegung 23 des Schalenelementes 11. Die nach innen gerichtete axiale Bewegung 23, verursacht durch die Kupplung der konischen Hülse 17 mit dem Schalenelement 11, verursacht eine Reduktion des anfänglichen Spaltes 25 zwischen dem Kopf 24 und dem Schalenelement 11. Dadurch wird das Fluid aus der Kammer 10, durch die Membran 9 mit Druck beaufschlagt, wie durch den Pfeil 26a gezeigt, durch einen engen Raum zwischen den Gelenkteilen gepresst. Das Ziel ist es, nicht mehr Fluid zu verlieren als während der Phase mit geringer Belastung des Zyklusses, welche in Fig. 3 gezeigt ist, zurück gesaugt werden kann. Jetzt ist die Gelenkkraft 22b niedrig und gestattet den Rückstellkräften der Schalenelemente 11 und 17 und der Membran 9 den Kopf aus dem Schalenelement 11 zu stossen und den Spalt 25 zu öffnen. Mit nicht mehr als 0,1 MPa (1 bar) Druckdifferenz (wenn die Fluidkammer ein Vakuum aufweisen würde) wird, wie durch den Pfeil 26b gezeigt, das Fluid zurück gesaugt. Der Widerstand, durch den offenen Spalt zu fliessen, muss um ungefähr dasselbe Verhältnis reduziert werden wie die Antriebskräfte, das heisst um einen Faktor 50 bis 100.
Fig. 4 zeigt einige in das Schalenelement 11 geschnittene Rillen 27 in der polaren Region. Der Zweck der Rillen ist die Konzentration des Druckabfalles der Fluidströmung in die Äquatorialregion 12 des Schalenelementes, wo die Widerstandsabstimmung durch Deformation des Schalenelementes am stärksten ist. Auf diese Weise sollte das Verhältnis von 50 bis 100 zwischen dem Strömungswiderstand hinaus zu dem Strömungswiderstand hinein einfacher zu erreichen sein. Wie in Fig. 6 gezeigt können diese Rillen dazu gebraucht werden, die Zone mit hohem Druck wählen zu können und damit die Gelenkkraft besser ausgleichen zu können. Die Rillen könnten im anderen Falle auch, wie in Fig. 5 gezeigt, in den Kopf 24 geschnitten sein.
Fig. 5 zeigt eine andere Möglichkeit der Anordnung der Pumpe im Kopf 24. Der obere Teil des Kopfes 30 ist an die Membran 28 geschweisst, welche an den unteren Teil des Kopfes 31 geschweisst ist. Die Membran ist auch an den Hals 32 der Prothese geschweisst. Die Bohrung 33 verbindet die Fluidkammer 29 mit dem Gelenkspalt.
Fig. 6 zeigt den Pumpenkopf gegen das deformierbare Schalenelement 11. Der Vorteil der Anordnung der Pumpe im Kopf ist, dass die Widerstandsabstimmung nun schnell ist - mit der Pumpe innerhalb des Sockels müsste Flüssigkeit ausgepresst werden bevor der Spalt schliessen würde. Die Gelenkkraft 35 kann nicht zur polaren Achse 14 des Kopfes fluchten. Der Gebrauch der zur Kraftachse zentrierten Rillen 27 sollte einen besseren Ausgleich der Fluidunterstützung gewährleisten. Im anderen Fall könnten die Rillen in den Kopf, wie durch 34 in Fig. 5 gezeigt, geschnitten sein.
Fig. 7 ist ein Querschnitt der Gelenkprothese mit einem weiteren zwischen dem Kopf der Prothese 36 und dem Hals 36 angeordneten Pumpentyp. Die Bewegung des Kopfes 36 auf dem Hals 36 unter Gelenkbelastung beaufschlagt das Fluid in der Kammer 42 mit Druck und presst das Fluid durch die Bohrung 39 in den Gelenkspalt. Wenn die Kraft reduziert wird, presst die Feder 38 den Hals wieder heraus und füllt die Kammer 42 wieder auf. Die Bewegung des Schnappringes 40 innerhalb der Nute 41 begrenzt die Bewegung des Kopfes 36 auf dem Hals 37. Ein Verlust des Fluids wird zwischen dem Hals und dem Kopf auftreten, was jedoch durch den mit dieser Ausführung möglichen grosszügigen Hub ausgleichbar ist. Der Abrieb an der Kopf/Hals-Grenzfläche ist viel einfacher zu kontrollieren als an dem kugelförmigen Gelenk - Die Übereinstimmung eines zylindrischen Lagers ist höher als diejenige eine kugelförmigen Lagers. Zusätzlich wirkt nur eine geringere Komponente der Gelenkkraft senkrecht zur Achse des Halses.

Claims

1. Eine dynamisch geschmierte Gesamtgelenkprothese, welche

A) zwei Gelenkelemente,

aa) ein Schalenelement (11) mit einer äquatorialen und einer polaren Region und

ab) ein Kopfelement (24; 31; 36), welches an dem Hals (32; 37) einer Prothese anbringbar ist, und mit dem Schalenelement (11) zusammenwirkt; umfasst und

wobei

B) zumindest eines der zwei zusammenwirkenden Elemente auf den entsprechenden im Knochen verankerten Teilen (3; 5; 50) der Prothese bewegbar unterstützt ist;

C) zumindest ein fluidgefülltes Abteil (10; 29; 41) mit dem Gelenkspalt (25) zwischen den zwei Gelenkelementen verbunden ist; und

D) die Gelenkbelastung das Volumen des fluidgefüllten Abteils (10; 29; 41) reduziert und den Druck darin erhöht; dadurch gekennzeichnet, dass

E) das Schalenelement (11) der Prothese deformierbar ist, so dass eine höhere Gelenkbelastung zu einer Reduktion des Gelenkspaltes (25) in der äquatorialen Region des Schalenelementes (11) führt.

2. Gesamtgelenkprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalenelement (11) entlang seiner äquatorialen Region durch eine konische Hülse (17) innerhalb des im Knochen verankerten Sockels (5) des Schalenelementes (11) unterstützt ist.

3. Gesamtgelenkprothese nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalenelement (11) in der polaren Region Rillen (27) aufweist.

4. Gesamtgelenkprothese nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopfelement (24; 31; 36) Rillen (34) aufweist.

5. Gesamtgelenkprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das fluidgefüllte Abteil (10) zwischen dem Schalenelement (11) und dem im Knochen verankerten Sockel (5) der Prothese eingeschoben ist.

6. Gesamtgelenkprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das fluidgefüllte Abteil (10) zwischen dem Schalenelement (11) und dem Hals (32; 37) der Prothese eingeschoben ist.

7. Gesamtgelenkprothese nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das fluidgefüllte Abteil (10) durch eine deformierbare Membran (28) mit Druck beaufschlagt wird.