DE19728131A1 - Versatile sliding surface for joint prostheses - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Implantatlager für den künstlichen Gelenkersatz beim Men schen.The invention relates to an implant bearing for artificial joint replacement in men .
Derartige Kunstgelenke haben in der jüngeren Geschichte der Humanmedizin seit etwa 40 Jahren eine rasante Entwicklung genommen. Inzwischen sind solche Implantate für praktisch alle Gelenke verfügbar. Einen mengenmäßig großen Anteil nehmen davon künstliche Hüft- und Kniegelenke ein. Die Zahl entsprechender Operationen nimmt stetig zu. Die Gründe sind vielfältig. Zum einen steigt die Lebenserwartung, so daß immer mehr Menschen im hohen Alter Gelenkprobleme zu spüren bekommen. Auf der anderen Seite spielen Überernährung und mangelnde Bewegung eine auslösende Rolle. Hinzu kommt in den entwickelten Industrienationen ein Anspruchsdenken, das medizin technisch Machbare auch zu verlangen und sich nicht mit körperlichen Einschränkungen zufrieden zu geben.Artificial joints of this type have been around in the recent history of human medicine 40 years of rapid development. Such implants are now for practically all joints available. A large part of it take artificial hip and knee joints. The number of corresponding operations is increasing steadily. There are many reasons. For one thing, life expectancy increases, so that more and more people in old age are experiencing joint problems. On the on the other hand, overeating and a lack of exercise play a triggering role. In addition, in the developed industrialized nations there is a high level of thinking, medicine technically feasible to ask for and not with physical limitations to be satisfied.
Bis heute sind die benötigten Implantate einer ständigen Weiterentwicklung unterworfen, wobei die unterschiedlichen Erfahrungen in die Entwicklungsarbeiten einfließen. Ziel der Anstrengungen ist eine möglichst lange Benutzungsdauer, so daß dem Patienten Revi sionsoperationen im höheren Alter erspart bleiben. Dem genannten Ziel ist man inzwi schen durch verbesserte Operationsmethoden auf der einen, und optimierte Implantate auf der anderen Seite nähergekommen.To date, the required implants are subject to constant further development, whereby the different experiences flow into the development work. goal of Efforts are as long as possible, so that the patient Revi surgery operations at an older age are spared. In the meantime you are at the named goal thanks to improved surgical methods on the one hand and optimized implants approached on the other side.
Als Schwachpunkt derartiger Kunstgelenke wird heute immer noch die Gleitpaarung der beteiligten Werkstoffe angesehen. Am weitesten verbreitet dürfte diesbezüglich die Kom bination zwischen Metall und Polyäthylen sein. Hiervon ist das Polyäthylen in den Mittel punkt der Diskussion gerückt. Obwohl dieser Werkstoff im Prinzip physiologisch unbe denklich ist, so wird doch der Polyäthylenabrieb und die dadurch initiierte Granu lombildung für die Auslockerung von Prothesen verantwortlich gemacht. The weak point of such artificial joints is still the pairing of the materials involved. The most widespread in this regard is the com be a combination between metal and polyethylene. Of this, the polyethylene is in the middle point of discussion moved. Although this material is in principle physiologically unbe is conceivable, then the polyethylene abrasion and the granule initiated by it Lomation responsible for the loosening of prostheses.
Nachdem z. B. in Bezug auf künstliche Hüftgelenke versucht wurde, mittels einer Paarung Keramik/Polyäthylen die Abriebsrate zu verkleinern, gibt es zur Zeit eine Reihe von Akti vitäten, um das Risiko des Polyäthylenabriebs gänzlich auszuschalten. Einige Hersteller bieten Gelenkkomponenten in Keramik/Keramik-Gleitpaarung an, andere sind auf reine Metall/Metall-Paarungen übergegangen. Bei den Metall/Metall-Paarungen besteht noch eine gewisse Variationsbreite durch die Verwendung geeigneter Beschichtungen z. B. mit Titannitrit, Titancarbid, Titanoxynitrit, diamantartigem Kohlenstoff und dergleichen. Die se unterschiedlichen Lösungswege führen generell zu einer Verteuerung der Implantat komponenten und sind daneben auch mit Nachteilen behaftet, z. B. durch Bruchgefahr, Empfindlichkeit gegen Beschädigungen, mangelnde Dämpfung, oder das Auftreten von Metallabrieb. Da entsprechende Produkte erst seit kurzem auf dem Markt und zudem wenig verbreitet sind, kann ohnehin über das Langzeitverhalten bisher keine verbind liche Aussage getroffen werden.After e.g. B. was attempted in relation to artificial hip joints, by means of a pairing Ceramics / polyethylene to reduce the abrasion rate, there are currently a number of Akti vities to completely eliminate the risk of polyethylene wear. Some manufacturers offer joint components in ceramic / ceramic sliding pairing, others are pure Metal / metal pairings passed. The metal / metal pairings still exist a certain range of variation through the use of suitable coatings z. B. with Titanium nitride, titanium carbide, titanium oxynitrite, diamond-like carbon and the like. The These different solutions generally make the implant more expensive components and also have disadvantages, e.g. B. due to risk of breakage, Sensitivity to damage, lack of cushioning, or the occurrence of Metal abrasion. Since corresponding products have only recently been on the market and also are not widespread, so far no connection can be made about long-term behavior statement can be made.
Es bestand daher die Aufgabe zur Schaffung entsprechender Implantlager, welche die preiswerte Verfügbarkeit, die unproblematische Handhabbarkeit und die Dämpfungs eigenschaften des Polyäthylens ohne dessen Abriebverhalten aufweisen sollten.There was therefore the task of creating appropriate implant bearings, which the inexpensive availability, unproblematic handling and damping properties of the polyethylene should have without its abrasion behavior.
Die beschriebene Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Zurverfügungstellung eines speziellen Implantatlagers aus einem bestimmten Verbundwerkstoff gelöst. Dabei besteht dieser Verbundwerkstoff im Prinzip aus einem Basispolymer und mindestens einem Füllstoff mit abrieb- und/oder reibwertsenkenden Eigenschaften.The described object is achieved according to the invention by the provision a special implant bearing made of a certain composite material. Here In principle, this composite material consists of a base polymer and at least a filler with abrasion and / or low friction properties.
Generell ist es im allgemeinen Maschinenbau und im Bereich der Feinwerktechnik bekannt, Gleitlager aus speziellen Teilchen-Verbundwerkstoffen zu verwenden, um den Lagerabrieb zu senken. Dabei gehen jedoch die Anforderungen in andere Richtungen als im Bereich der Medizintechnik. Derartige auch als Composite oder Compound be zeichnete Verbundwerkstoffe sind dann z. B. auf die Einwirkung bestimmter Tempe raturen, aggressiver Chemikalien, oder abrasiv wirkender Verunreinigungen und derglei chen zugeschnitten. Außerdem spielt die Biokompatibilität der einzelnen Zutaten keine Rolle.Generally, it is in general mechanical engineering and in the field of precision engineering known to use plain bearings made of special particle composites to the Reduce bearing abrasion. However, the requirements go in other directions than in the field of medical technology. Such be as a composite or compound drawn composites are then z. B. on the action of certain tempe instruments, aggressive chemicals, or abrasive contaminants and the like Chen tailored. In addition, the biocompatibility of the individual ingredients does not matter Role.
Mit der Erfindung soll die im Prinzip bekannte Grundidee durch die Schaffung speziell angepaßter Verbundwerkstoffe für den Bereich der Medizintechnik verfügbar gemacht werden. Dabei wird vorgeschlagen, in ein körperverträgliches Basispolymer mindestens einen ebenfalls körperverträglichen Füllstoff aus sehr kleinen Partikeln bzw. Kurzfasern mit abrieb- und/oder reibwertsenkenden Eigenschaften fein verteilt einzubringen und diesen speziellen Verbundwerkstoff für jeweils mindestens eine Lagerseite als Gegenlaufpartner in künstlichen Gelenken zu verwenden. In dem als Implantatlager vorge schlagenen Verbundwerkstoff werden die Eigenschaften der einzelnen Komponenten vorteilhaft miteinander so kombiniert, daß sich daraus additiv eine höherwertige Sum meneigenschaft ergibt. Dabei werden die Druckkräfte, mit denen das Implantatlager belastet wird, von dem polymeren Basiswerkstoff aufgenommen. Dieser stützt sich in der Kontaktfläche auf dem Gegenlaufpartner ab und sorgt dafür, daß die eingebetteten Füllstoffe nicht unter zu hohen Druck geraten. Andererseits bewirken nun Füllstoffe aus Kurzfasern eine Verstärkung, welche die mechanische Festigkeit des Verbundwerkstoffs über lange Zeiträume sichert und die Alterungsrißbildung verhindert. Dabei wird gleichzeitig der für einige Basispolymere (z. B. Polyäthylen) lästige Kaltfluß herabgesetzt. In dem gebildeten Verbundwerkstoff kommt der Wechselwirkung zwischen dem Basis polymer und abriebsenkenden Füllstoffen z. B. in Gestalt mikroskopisch kleiner Partikel besondere Bedeutung zu. Derartige Füllstoffe sind in der Lage, den Abrieb des Basis polymers drastisch zu reduzieren, während sie selbst durch ihre Einbettung in das Basis polymer vor dem Herausbrechen geschützt sind. Füllstoffe mit Eigenschaften von Fest schmierstoffen unterstützen die Erzielung niedriger Gleitreibungskoeffizienten des Ver bundwerkstoffs, sind jedoch nicht in allen Fällen unverzichtbar für die Funktion des Implantatlagers, da z. B. Polyäthylen als Basiswerkstoff bereits einen sehr niedrigen Gleitreibungskoeffizienten besitzt, insbesondere unter Schmierung mit der körpereigenen Lymphflüssigkeit. Zusätzlich wird noch die Möglichkeit angeboten, mittels geeigneter Füllstoffe die Benetzbarkeit des Verbundwerkstoffs zu verbessern, um so die Ausbildung eines möglichst vollständigen Schmierfilms aus Lymphe im Kunstgelenk sicherzustellen.With the invention, the basic idea known in principle is to be created specifically adapted composite materials made available for the field of medical technology become. It is suggested at least in a body-compatible base polymer a body-compatible filler made from very small particles or short fibers with abrasion and / or friction value reducing properties this special composite material for at least one bearing side as counter-rotating partner to use in artificial joints. Pre-designed as an implant site Impacted composite material, the properties of the individual components advantageously combined with one another in such a way that a higher-value sum result in my property. The compressive forces with which the implant bearing is loaded by the polymeric base material. This is based in the Contact area on the counterpart and ensures that the embedded Fillers do not come under excessive pressure. On the other hand, fillers now work Short fibers reinforce the mechanical strength of the composite secures over long periods and prevents the formation of aging cracks. Doing so At the same time the annoying cold flow for some base polymers (e.g. polyethylene) is reduced. The interaction between the base occurs in the composite material formed polymer and abrasion-reducing fillers such. B. in the form of microscopic particles special meaning too. Such fillers are able to abrasion the base to reduce polymers drastically while embedding them in the base polymer are protected from breaking out. Fillers with solid properties lubricants support the achievement of low sliding friction coefficients of the Ver material, but are not in all cases indispensable for the function of the Implant bearing, because e.g. B. polyethylene as a base material is already a very low Has sliding friction coefficient, especially when lubricated with the body's own Lymphatic fluid. In addition, the possibility is offered by means of suitable Fillers improve the wettability of the composite material, so as to improve the training ensure that the lymph in the artificial joint is as complete as possible.
Für die praktische Ausführung der Erfindung wird vorgeschlagen, ein Polymer, bzw. ein Misch- oder Copolymer mit körperverträglichen Eigenschaften, z. B. Polyäthylen (PE), insbesondere ultrahochmolekulares Polyäthylen (PE-UHMW), Polyätherketon (PEK), Poly ätherätherketon (PEEK), bzw. andere Polyarylätherketone, Polyacetal (POM), Polyäther sulfon (PES), Polysulfon (PSU), usw. heranzuziehen und mit einer geeigneten Menge von z. B. zwischen 1 und 40% mindestens eines körperverträglichen Füllstoffs mit mindestens einer der Eigenschaften Abriebsenkung, Gleitreibungssenkung, Festigkeitssteigerung, Benetzbarkeitsverbesserung, Kaltflußreduzierung, bzw. Alterungsrißhemmung aus Partikeln und/oder Kurzfasern aufzumischen, um dann z. B. mittels Sintern, Pressen, Extru dieren, Spritzgießen oder dergleichen entweder Halbzeug oder Fertigteile herzustellen. Erfindungsgemäße Implantatlager sind dann direkt als Fertigteile oder nach spanender Bearbeitung aus Halbzeug verfügbar.For the practical implementation of the invention, a polymer or a Blended or copolymer with tolerable properties, e.g. B. polyethylene (PE), especially ultra high molecular weight polyethylene (PE-UHMW), polyether ketone (PEK), poly ether ether ketone (PEEK), or other polyaryl ether ketones, polyacetal (POM), polyether sulfon (PES), polysulfone (PSU), etc. and with an appropriate amount of e.g. B. between 1 and 40% of at least one body-compatible filler with at least one of the properties lowering abrasion, lowering sliding friction, increasing strength, Improvement in wettability, reduction of cold flow, or age crack inhibition from particles and / or short fibers to mix, then z. B. by means of sintering, pressing, extrusion dieren, injection molding or the like to produce either semi-finished or finished parts. Implant bearings according to the invention are then directly as finished parts or after machining Processing from semi-finished products available.
Als besonders empfohlene erste Stufe einer praktischen Umsetzung der Erfindung wird vorgeschlagen, für das Implantatlager als Basispolymer ultrahochmolekulares Poly äthylen heranzuziehen und mit einem Füllstoff in Partikelgestalt aus Aramid bzw. Para- Aramid und/oder Polyphenylensulfon zu versehen. Dabei besteht die Wahlmöglichkeit, einen der genannten Füllstoffe allein oder jeweils in Kombination mit dem anderen ein zusetzen. Während der Füllstoff Aramid bzw. Para-Aramid sowohl in Lang- und Kurz faserversion, als auch in Gestalt feinen Pulvers aus Partikeln mit globularer Gestalt ver fügbar ist, wird der Füllstoff Polyphenylensulfon bislang nur als Pulver angeboten. Für die vorgesehene Anwendung ist ohnehin die Pulverversion bevorzugt, weil sich die Kurzfasern im Falle des Aramids bzw. Para-Aramids wegen statischer Aufladung beim Mischen nur schwierig vereinzeln lassen und daher im Verbund nicht vollständig von dem Polymer umschlossen sind. Es besteht dann unter Gebrauch die Gefahr des Herauslösens einzelner Fasern und deren Vagabundierung mit der Körperflüssigkeit. Im Falle der Verwendung von Kurzfasern muß daher von vorneherein ein aufwendigerer Mischprozeß eingeplant werden. As a particularly recommended first stage of a practical implementation of the invention proposed ultra-high molecular poly for the implant bearing as the base polymer Ethylene and with a filler in particle form made of aramide or para To provide aramid and / or polyphenylene sulfone. There is a choice one of the fillers mentioned alone or in combination with the other clog. While the filler aramid or para-aramid both in long and short fiber version, as well as in the form of fine powder from particles with a globular shape is available, the filler polyphenylene sulfone has so far only been offered as a powder. For the intended application is preferred to the powder version anyway, because the Short fibers in the case of the aramid or para-aramid due to static charge on the Mixing is difficult to separate and therefore not completely combined are enclosed in the polymer. There is then a risk of using Removing individual fibers and their vagabondation with the body fluid. in the If short fibers are used, a more complex one must be used from the outset Mixing process can be scheduled.
Fasern aus der Gruppe der Aramide werden zur Zeit weltweit von drei verschiedenen Herstellern angeboten. DU PONT ist mit dem Produkt KEVLAR am Markt, während AKZO NOBEL unter dem Handelsnamen TWARON vertreibt. Sozusagen als Neben- oder Abfallprodukt der Faserproduktion ergeben sich Pulver mit unterschiedlicher Par tikelgestalt und -größe, daneben Fasern unterschiedlicher Länge und Dicke. So ist z. B. von AKZO NOBEL unter der Typenbezeichnung TWARON 5011 ein Pulver verfügbar, welches eine mittlere Teilchengröße von 55 µm besitzt. Bei Versuchen hat sich gezeigt, daß dieser Füllstoff in Kombination z. B. mit Polyamid zu einer deutlichen Senkung der Abriebsrate um mehr als 60% führt. Noch bessere Werte waren mit dem nachbehan delten Pulvertyp 5010 zu erzielen. Während Kurzschnittfasern des Typs TWARON 1088 mit einer Länge von 0,25 mm ähnliche Werte erbrachten wie der Pulvertyp 5011, konnte die Abriebrate mit Faserlängen von 1,5 mm im Vergleich zum reinen Ausgangs polymer um über 94% gesenkt werden. Da die genannten Pulvertypen bereits als Lebensmittelzusatzstoff zugelassen worden sind, ist im Prinzip von einer Körperverträglichkeit auszugehen, so daß mit einer Kombination z. B. aus Polyäthylen und Aramid pulver für die Verwendung als Implantatlager keine Komplikationen zu erwarten sind.Fibers from the aramide group are currently used by three different people worldwide Offered to manufacturers. DU PONT is on the market with the product KEVLAR, while AKZO NOBEL sells under the trade name TWARON. As a kind of secondary or waste product from fiber production, powders with different par result Item shape and size, alongside fibers of different lengths and thicknesses. So z. B. A powder is available from AKZO NOBEL under the type designation TWARON 5011, which has an average particle size of 55 microns. Experiments have shown that this filler in combination z. B. with polyamide to a significant reduction in Wear rate leads to more than 60%. Afterwards, the values were even better to achieve powder type 5010. During short cut fibers of the type TWARON 1088 with a length of 0.25 mm gave similar values as the powder type 5011, could the abrasion rate with fiber lengths of 1.5 mm compared to the pure output polymer can be reduced by over 94%. Since the powder types mentioned are already available as Food additive has been approved is in principle of a physical tolerance go out so that with a combination z. B. made of polyethylene and aramid powder for use as an implant site no complications are expected.
Mit dem Füllstoff Polyphenylensulfon, Handelsname CERAMER der HOECHST AG, steht ein relativ neues Material zur Verfügung, welches mit dem Basispolymer entweder allein oder in Kombination mit anderen Füllstoffen zu einem sehr abriebfesten Verbundwerk stoff führt. Zur Zeit stehen entsprechende Pulver aus Partikeln mit globularer Gestalt und durchschnittlichen Korngrößen von ca. 20 µm zur Verfügung. Polyphenylensulfon weist eine sehr hohe thermische Stabilität und eine ausgezeichnete Chemikalienbeständigkeit auf. Ein Lösemittel für dieses Material ist nicht bekannt. Seine Wirkung als Abriebmodifi kator ist drastisch: Versuche z. B. mit PTFE als Basispolymer und einem gewichtsmäßigen Anteil CERAMER in Höhe von 20% zeigten eine Abnahme des Abriebs um 99%. Gleichzeitig wurde damit die Kriechneigung des Basispolymers deutlich reduziert. Er staunlich scheint auch die überraschend gute Körperverträglichkeit von Polyphenylen sulfon zu sein. Vor einem praktischen Einsatz müßte dieser Gesichtspunkt jedoch noch durch klinische Studien belegt werden.With the filler polyphenylene sulfone, trade name CERAMER from HOECHST AG a relatively new material is available, which is either alone with the base polymer or in combination with other fillers to a very abrasion-resistant composite fabric leads. Corresponding powders of particles with globular shape and are currently available average grain sizes of approx. 20 µm are available. Polyphenylene sulfone has very high thermal stability and excellent chemical resistance on. A solvent for this material is not known. Its effect as an abrasion modifier kator is drastic: Try z. B. with PTFE as the base polymer and a weight CERAMER's share of 20% showed a 99% decrease in wear. At the same time, the tendency of the base polymer to creep was significantly reduced. He The surprisingly good tolerability of polyphenylene also seems astonishing to be sulfone. However, this point of view would still have to be put into practice be supported by clinical studies.
Ein weiterer Schritt der Umsetzung der Erfindung besteht darin, ein Basispolymer für die Verwendung als Implantatlager mit körperverträglichen Kurzfasern (z. B. Kohlefasern) zu verstärken und in die so gebildete Matrix zusätzlich einen Füllstoff aus körperverträg lichen Partikeln einzubringen. Dabei ist die Summe der faser- und partikelförmigen An teils zwischen 1 und 40% festlegbar. In einem derartigen Verbund kann z. B. der faser förmige Anteil im wesentlichem der Festigkeitssteigerung, der Kaltflußreduzierung und der Unterbindung der Alterungsrißbildung dienen, während z. B. der partikelförmige An teil dann im wesentlichen für die Abriebverminderung verantwortlich ist.Another step in the implementation of the invention is a base polymer for the Use as an implant site with body-compatible short fibers (e.g. carbon fibers) reinforce and in the matrix thus formed also a filler made of body-compatible particles. Here is the sum of the fibrous and particulate type partly between 1 and 40% definable. In such a network z. B. the fiber shaped portion in the essence of strength, cold flow reduction and serve to prevent the formation of aging cracks, while z. B. the particulate to is then largely responsible for reducing abrasion.
Das erfindungsgemäße Implantatlager ist für alle künstlichen Gelenke beim Menschen anwendbar, insbesondere z. B. in Gestalt zementierbarer Hüftpfannen, Inlays für Press fit-, Spreiz- und Schraubpfannen für Hüftgelenke, als Meniskus für Kniegelenke, sowie für andere Körpergelenke wie Ellenbogen-, Schulter-, Hand- und Fußgelenke usw. The implant bearing according to the invention is for all artificial joints in humans applicable, especially z. B. in the form of cementable hip cups, inlays for press Fit, spread and screw pans for hip joints, as a meniscus for knee joints, as well as for other body joints such as elbow, shoulder, wrist and ankle joints etc.
Mit der Erfindung wird ein jeweils entsprechendes Implantatlager zur Verfügung gestellt, bei welchem der Abrieb so drastisch vermindert ist, daß das Risiko der Granulom bildung mit großer Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen ist. Aufgrund des extrem niedri gen Verschleißes werden diesbezügliche Revisionsoperationen überflüssig. Wegen der guten Körperverträglichkeit ist mit Komplikationen nicht zu rechnen. Das Implantatlager besitzt ähnlich günstige Dämpfungseigenschaften wie das bisher verwendete reine Poly äthylen, nicht jedoch dessen nachteiligen Kaltfluß. Außerdem ist es wie bisher mittels Bestrahlung sterilisierbar. Das erfindungsgemäße Implantatlager ist im Gegensatz zu keramischen oder metallischen Komponenten problemloser handhabbar, weil es unempfindlicher gegen Schläge, Stöße oder Kratzer ist. Ein großer Vorteil ist die Ver fügbarkeit des Verbundwerkstoffs zu einem extrem günstigen Preis und die hohe Flexibi lität, welche sich aus der Möglichkeit ergibt, diverse Ausführungsgestaltungen mittels eines Zerspanungsprozesses aus entsprechendem Halbzeug herzustellen. Die genannten Vorteile stellen einen signifikanten Beitrag zur Verbesserung bisheriger Kunstgelenke dar.The invention provides a corresponding implant site, in which the abrasion is reduced so drastically that the risk of granuloma education is very likely excluded. Because of the extremely low Due to wear and tear, revision operations in this regard become superfluous. Because of the good physical tolerance, complications are not to be expected. The implant site has similarly good damping properties as the pure poly used up to now ethylene, but not its disadvantageous cold flow. In addition, it is as before Radiation can be sterilized. The implant bearing according to the invention is in contrast to ceramic or metallic components easier to handle because of it is less sensitive to knocks, bumps or scratches. A big advantage is the ver Availability of the composite material at an extremely low price and the high flexibility lity, which results from the possibility of using various implementation designs a machining process from a corresponding semi-finished product. The above Advantages make a significant contribution to the improvement of previous articulations represents.
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