CH630251A5

CH630251A5 - Oberflaechenstruktur an verankerungselement eines knochenimplantates.

Info

Publication number: CH630251A5
Application number: CH544378A
Authority: CH
Inventors: Otto Frey
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1978-05-19
Filing date: 1978-05-19
Publication date: 1982-06-15
Also published as: GB2020982B; FR2425843B1; FR2425843A1; AT369977B; ATA317579A; US4272855A; DE2914513C3; JPS5745576B2; DE2914513B2; DE2914513A1; GB2020982A; JPS54154194A

Description

Die Erfindung betrifft eine Oberflächenstruktur am Verankerungselement eines Knochenimplantates, bei der mindestens auf einem Teil der Verankerungsfläche durch aus einer Ausgangsniveaufläche hervorstehende Warzen oder in diese Fläche hineindringende Vertiefungen eine Oberflächenvergrösserung für das Einwachsen von Gewebe geschaffen wird.

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 1 441 354 und 2 127 843); 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 hegt 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.

Anderseits 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 Ver-grösserung der Oberfläche ist jedoch ein entscheidendes 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 dass dadurch die mechanischen Eigenschaften des Verankerungselementes beeinträchtigt werden. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 beanspruchten Merkmale.

Bei den Zotten, die vorzugsweise eine kreisförmige, elliptische oder ovale Querschnittsform haben, werden bezüglich der Höhe, dem Abstand sowie - bei elliptischen oder ovalen Formen zusätzlich-bezüglich der Querachse und der Längsachse vorteilhafterweise die im Anspruch 2 gegebenen Beziehungen eingehalten.

Durch die Formgebung der Zotten und die Ausgestaltung ihrer Übergänge 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 hegende, ungestörte Bereiche der Struktur gilt - vor allem eine erhebliche Vergrösserung der dem anwachsenden Gewebe zur Verfügung stehenden Oberfläche; darüber hinaus 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 H der Zotten mindestens der zweifachen Länge D und der Abstand der Zotten höchstens der Länge D 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 Kraft- bzw. Belastungseinrichtungen orientiert, können weiterhin die Höhenachse und - bei Zotten mit einer elliptischen oder ovalen Querschnittsform - die Breitseite der Zottenoberfläche möglichst senkrecht zur lokalen Belastungsrichtung angeordnet werden.

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

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Giessform sowie unter Umständen durch chemisches Ätzen 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 a # 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 Implantates 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 der Durchmesser bzw. die Querachse (Fig. 3) mit D und, gegebenenfalls, die Längsachse mit L bezeichnet sind.

Die Querachse D, die als Abstand der Schnittpunkte 6 der über die Höhe H konischen Grundform mit der Ausgangsniveaufläche - bzw. mit einer zur Höhenachse 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 Grösse der Verankerungsfläche und der aufzunehmenden Belastung - 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 H -

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gemessen von der Ausgangsniveaufläche 1 aus - beispielsweise das l,3fache 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 Schnittpunkte 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 Implantatkerns 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 Übergänge 7 der Zotten 3 in die Ausgangsniveaufläche 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 Aus-gangsniveaufläche gegebenen Grenzfläche im Bereich des Knochenmaterials und im Bereich des Implantatwerkstoffes so weit als möglich aneinander angeglichen oder, bei Werkstoffen mit dem Knochenmaterial ähnlichen Materialwerten, sogar möglichst weitgehend ausgeglichen werden sollen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

630251 PATENTANSPRÜCHE

1. Oberflächenstruktur am Verankerungselement eines Knochenimplantates, bei der mindestens auf einem Teil der Verankerungsfläche durch aus einer Ausgangsniveaufläche hervorstehende Warzen oder in diese Fläche hineindringen-de Vertiefungen eine Oberflächenvergrösserung für das Einwachsen von Gewebe geschaffen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Warzen und/oder Vertiefungen als Zotten (3) ausgebildet sind, deren Längsschnitte eine konische Grundform haben, dass ferner die Zotten (3) gegenüber der Ausgangsniveaufläche um 50 bis 90° geneigt sind, und dass ihre Oberfläche sowie ihr Übergang in die Ausgangsniveaufläche ecken- und kantenfrei ausgebildet sind.

2. Oberflächenstruktur nach Anspruch 1 mit einer kreisförmigen, elliptischen oder ovalen Querschnittsform der Zotten, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Länge D des Durchmessers resp. der Querachse des Zottenquerschnitts auf der Höhe der Ausgangsniveaufläche als Basisgrösse, die folgenden Beziehungen erfüllt sind:

- für die Länge L der Achse, die senkrecht auf dem erwähnten Durchmesser resp. der erwähnten Querachse steht: D < L < 3D;

- für die Höhe der Zotte: 0,5 D < H < 5D;

- für den Abstand A der Schnittpunkte zweier Mantellinien mit der Ausgangsniveaufläche, welche Mantellinien sich als innere Schnittgeraden einer die Höhenachsen zweier benachbarter Zotten enthaltende Ebene mit der konischen Grundform der Zotten ergeben: 0,25 D< A<3D.

3. Oberflächenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zotten gegenüber der Ausgangsniveaufläche (1) so geneigt sind, dass die Höhenachse (5) weitgehend rechtwinklig zur lokalen Belastungsrichtung steht.

4. Oberflächenstruktur nach Anspruch 2 oder 3 mit einer elliptischen oder ovalen Querschnittsform der Zotten, dadurch gekennzeichnet, dass die Breitseite der Zottenoberfläche weitgehend senkrecht zur örtlichen Belastungsrichtung angeordnet ist.

5. Oberflächenstruktur nach Anspruch 2 oder 4 mit einer elliptischen oder ovalen Querschnittsform der Zotten, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe H mindestens gleich der Länge L ist.

6. Oberflächenstruktur nach einem der Ansprüche 2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe H mindestens gleich der Länge D des Durchmessers resp. der Querachse, insbesondere mindestens gleich der zweifachen Länge 2D, ist.

7. Oberflächenstruktur nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand A höchstens gleich der Länge D des Durchmessers resp. der Querachse ist.