DE2646478A1

DE2646478A1 - Gelenk-endoprothese

Info

Publication number: DE2646478A1
Application number: DE19762646478
Authority: DE
Inventors: Anton Dr Zeibig
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 1976-10-14
Filing date: 1976-10-14
Publication date: 1978-04-20
Also published as: US4268919A; SE7613205L; FR2367480A1; NO764112L; ATA868476A; CH607747A5; SE415322B; AT344310B; DE2646478C2; GB1585672A; JPS5349891A; US4198711A

Description

Die Erfindung betrifft eine Gelenk-Endoprothese, insbesondere Hüftgelenk-Prothese, frei der an einem implantierbaren Schaft ein Zapfen aus duktilem Werkstoff ausgebildet ist, auf dem ein mit einem radialen Loch versehener kugelförmiger Gelenkkörper aus sprödem Werkstoff mit Preßsitz befestigt ist.

Als duktile Werkstoffe für den Schaft und den mit ihm meist einstückig ausgebildeten Zapfen eignen sich besonders Cr-Co-Mo-Legierungen, Cr-Ni-Mo-Legierungen sowie Titanlegierungen. Als Werkstoff für den kugelförmigen Gelenkkörper hat sich hochreines Aluminiumoxid wegen seiner guten Abriebfestigkeit und Gewebeverträglichkeit besonders bewährt.

Beispielsweise ist aus der DT-OS 24 51 275 eine Gelenk-Endoprothese der beschriebenen Gattung bekannt, bei der Schaft und Zapfen als

809816/0185

/2

48 606

integrales Teil aus einer Metallegierung von 15 bis 30 % Cr, 2 bis 37 % Ni, 2 bis 10 % Mo, Rest Co bestehen und die Gelenkkugel· aus einer gesinterten Oxidkeramik besteht, die einen A1„O^- Gehalt von über 99,7 %, eine Dichte von über 3,90 und eine Korngröße von unter 8 μΐη aufweist. Der Zapfen ist konisch mit einem Verjüngungsverhältnxs zwischen 1 : 10 und 1 : 20 ausgeführt und in einer entsprechend konischen Bohrung der Gelenkkugel selbsthemmend angeordnet. Damit soll einerseits eine feste Verbindung zwischen Gelenkkörper und Zapfen erreicht, andererseits aber die Gefahr vermieden werden, daß der Gelenkkörper bei hohen Belastungen zerspringt^. Es hat sich indessen herausgestell·^ daß dieses zweifache Ziel günstxgstenfalls dann erreichbar ist, wenn sowohl der konische Zapfen wie das entsprechende Loch im Gelenkkörper mit höchster Genauigkeit gearbeitet sind.

Aus der DT-OS 21 34 316 ist eine Hüftgelenk-Prothese der eingangs beschriebenen Gattung bekannt, bei der ebenfalls Schaft und Zapfen aus Metall einstückig hergestellt sind und der kugelförmige Gelenkkörper aus Tonerde besteht. Der Zapfen und das zugehörige radiale Loch im Gelenkkörper sind im wesentlichen zylindrisch und weisen achsparallele sowie in Umfangsrichtung verlaufende Rillen auf, die vor dem Aufsetzen des Gelenkkörpers auf den Zapfen mit Kitt gefüllt werden. Auch diese Befestigung des Gelenkkörpers auf dom Zapfen ist problematisch, da der Kitt in einigen Fällen nicht genügend haltbar ist, um den Gelenkkörper sicher mit dem Zapfen zu verbinden, in anderen Fällen aber derart fest hält, daß es nicht möglich ist, den Gelenkkörper gegen einen anderen auszutauschen, wenn dies bei einer Re-operation im Zusammenhang mit einer Änderung der zugehörigen Gelenkschale nötig werden sollte.

Das letztgenannte Problem soll gemäß der GB-PS 1371 335 dadurch gelöst werden, daß der auf einen konischen Zapfen aufsteckbare kugelförmige Gelenkkörper nicht massiv sondern rings um die Wandung seines den Zapfen aufnehmenden radialen Lochs ausgehöhlt ist, so daß diese Wandung eine Arte Hülse innerhalb des Gelenkkörpers bildet. Diese Gestaltung ist jedoch bei einem Gelenkkörper aus

809816/0185 ._/3

- /- 48 606

sprödem Werkstoff, insbesondere hochreinem Aluminiumoxid, nicht möglich, da bei einem spröden Werkstoff die Verbindung zwischen der Hülse und dem übrigen, kugelschalenformigen Teil des Gelenkkörpers bei hohen Belastungen brechen würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gelenk-Endoprothese der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzubilden, daß die Verbindung zwischen dem Gelenkkörper und dem Zapfen einerseits hinreichend fest ist, andererseits aber die Gefahr vermeidet, daß der Gelenkkörper bei hohen Belastungen zerspringt.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Zapfen eine von seinem Ende ausgehende Ausnehmung aufweist, durch welche seine radiale Zusammendruckbarbeit im Bereich dieses Endes erhöht und somit die zwischen dem Zapfen und der Wand des Lochs im Gelenkkörper wirkenden Spannungen kleiner gehalten sind als die unter sonst gleichen Bedingungen am Ende eines vollen Zapfens auftretenden Spannungen.

Die Erfindung ist bei zylindrischen Zapfen mit kreisförmiger oder nicht-kreisförmiger, beispielsweise elliptischer Basisfläche und bei prismatischen Zapfen ebenso anwendbar wie bei kegelstumpfförmigen Zapfen mit kreisförmiger oder nicht-kreisförmiger Grundfläche und bei pyramidenstumpfförmxgen Zapfen. Bei zylindrischen oder prismatischen Zapfen läßt sich der Preßsitz dadurch herstellen, daß der Zapfen auf eine bestimmte Temperatur unterkühlt wird, ehe er in den Gelenkkörper eingesetzt wird. Bei kegelstumpf- oder pyramidenförmigen Zapfen ergibt sich der Preßsitz in der üblichen Weise durch Aufdrücken des Gelenkkörpers. In jedem Fall läßt sich die zweckmäßigste Größe der Ausnehmung im Zapfen ohne weiteres derart bemessen, daß die Spannungen im Bereich des Endes des Zapfens kleiner sind als die unter sonst gleichen Bedingungen am Ende ,eines vollen Zapfens auftretenden Spannungen. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß allein dadurch die Bruchgefahr des kugelförmigen Gelenkkörpers entscheidend vermindert und für alle praktischen Fälle hinreichend sicher beseitigt wird. Für die Bruchgefahr ist nämlich im Gegensatz zur bisherigen Auffassung nicht die Spannung am äußeren Ende der radialen Bohrung im Gelenk-

809816/0185

- 4 - 48 606

körper maßgebend sondern die Spannung im das Ende des Zapfens umgebenden Bereich des Gelenkkörpers. In diesem ringförmigen Bereich ist die auch bei sprödem Werkstoff wie Aluminiumoxid in gewissen Grenzen auftretende elastische Dehnung des Gelenkkörpers durch den jenseits des Endes der radialen Bohrung liegenden, kugelsegmentförmigen Bereich des Gelenkkörpers derart behindert, daß in dem Bereich rings um das Ende des Zapfens eine Spannungskonzentration auftritt, wenn der Zapfen, wie bisher üblich, auf seiner gesamten Länge im wesentlichen die gleiche, geringe Kompressibilität aufweist, die sich aus seinem Elastizitätsmodul ergibt. Durch die erfindungsgemäße Ausnehmung im Zapfen wird die gefährliche Spannungskonzentration im das Ende des Zapfens umgebenden Bereich des Gelenkkörpers zumindest wesentlich abgebaut.

Ein besonders fester Sitz des Gelenkkörpers auf dem Zapfen ohne Gefährdung des Gelenkkörpers ergibt sich, wenn die Ausnehmung eine Form und Größe hat, bei der die zwischen dem Zapfen und der Wand des Lochs wirkenden Spannungen auf der gesamten Länge des Preßsitzes annähernd konstant sind. Auch dies gilt unabhängig von der Querschnittsform des Zapfens und unabhängig davon, ob der Zapfen sich zu seinem Ende hin verjüngt.

In allen Fällen ist es ferner zweckmäßig, wenn die Ausnehmung im Zapfen an ihrem Boden abgerundet ist.

Bei einem rotationssymmetrischen Zapfen ist die Ausnehmung vorzugsweise ebenfalls rotationssymmetrisch. Wenn der Zapfen kegelstumpfförmig ist, kann die Ausnehmung zumindest auf einem Teil ihrer Länge zylindrisch sein. Wenn dagegen der Zapfen zylindrisch ist, ergibt eine Ausnehmung, die sich zumindest auf einem Teil ihrer Länge kegelstumpfförmig verjüngt, eine gute Annäherung an dLe erwünschte gleichmäßige Spannungsverteilung auf der gesamten Länge des den Zapfen umgebenden Bereichs des Gelenkkörpers.

Die erfindungsgemäße Ausnehmung im Zapfen kann dazu benutzt werden, die Sicherheit gegen ein unbeabsichtigtes Lockern der

80981S/0185

/5

48 606

Verbindung zwischen Gelenkkörper und Zapfen noch weiter zu erhöhen. Dies geschieht dadurch, daß die Ausnehmung einen Spreizkörper aufnimmt, mit dem sich das ringförmige Ende des Zapfens in eine Erweiterung des Lochs im Gelenkkörper hineinspreizen läßt.

Der Spreizkörper kann beispielsweise scheibenförmig gestaltet und zwischen dem Ende des Zapfens und dem Boden des Lochs im Gelenkkörper eingeklemmt sein. Diese Klemmwirkung entsteht von selbst beim Aufpressen des Gelenkkörpers auf den Zapfen.

Vorzuziehen ist jedoch eine Weiterbildung, bei welcher der Spreizkörper einen Gewindeansatz hat, der in ein Gewindeloch des Zapfens eingeschraubt ist und sich mit einem durch eine Fortsetzung des Lochs im Gelenkkörper einführbaren Werkzeug festziehen läßt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung mit weiteren Einzelheiten beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch Teile einer Hüftgelenkprothese mit Konusverbindung, und

Fig. 2 einen entsprechenden Schnitt durch Teile einer Hüftgelenkprothese mit Zylinderverbindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Hüftgelenk-Prothese weist einen Schaft 10 aus einer Metallegierung auf, der sich bis zu einem an ihm ausgebildeten Bund 11 in einen Schenkelknochen eintreiben läßt. Oberhalb des Bundes 11 ist ein mit dem Schaft 10 einstückiger Zapfen 12 vorgesehen, der in seinem oberen Bereich eine kegelstumpf förmige Außenfläche 14 und eine von seinem Ende ausgehende Ausnehmung 16 aufweist. Die Ausnehmung 16 ist im wesentlichen zylindrisch und gleichachsig mit der kegelstumpfförmigen Außenfläche 14 angeordnet. Der Boden der Ausnehmung 16 ist mit verhältnismäßig großem Radius ausgerundet und weist ein Gewindeloch 18 auf.

809816/0185

/6

48 606

Auf dem Zapfen 12 ist ein aus hochreinem Aluminiumoxid bestehender, kugelförmiger Gelenkkörper 20 mit Preßsitz befestigt. Der Gelenkkörper 20 weist zu diesem Zweck ein radiales Loch 22 auf, das sich mit gleichem Kegelwinkel wie die Außenfläche 14 verjüngt, in seinem Endbereich eine Erweiterung 24 aufweist und eine Fortsetzung 26 in Gestalt eines Durchgangslochs hat, das sich längs der gemeinsamen Achse 28 des Zapfens 12 und des Lochs 22 nach außen erstreckt.

In die Ausnehmung 16 greift ein Spreizkörper 30 ein, der einen sich nach unten, also in entgegengesetzter Richtung wie die Außenfläche 14, verjüngenden Außenkonus 32 aufweist und mit diesem am Rand der Ausnehmung 16 anliegt. Der Spreizkörper 30 weist ferner an seiner Oberseite einen Innensechskant 34 für einen Sechskantschlüssel auf und an seiner Unterseite einen Gewindeansatz 36, der in das Gewindeloch 18 eingeschraubt ist.

Die Ausnehmung 16 verleiht dem Zapfen 12 eine solche Elastizität, daß die durch den Preßsitz hervorgerufenen Ringspannungen im Gelenkkörper 20 auf der gesamten Länge des Lochs 22 im wesentlichen gleich groß sind. Die Erweiterung 24 trägt zusätzlich dazu bei, Spannungshäufungen im Endbereich des Lochs 22 zu vermeiden.

Der Spreizkörper 30 läßt sich mit dem Sechskantschlüssel derart festziehen, daß er, wie in der rechten Hälfte der Fig. angedeutet, den ringförmigen oberen Endbereich des Zapfens 12 weitet und in die Erweiterung 24 hineindrückt. Auf diese Weise ergibt sich eine den Preßsitz zwischen dem Zapfen 12 und dem Gelenkkörper 20 unterstützende Sicherung gegen unbeabsichtigtes Lockern des Gelenkkörpers.

Wenn es nötig werden sollte, den Gelenkkörper 20 bei einer Reoperation wieder zu lösen, dann kann auch dazu der Spreizkörper 30 verwendet werden, indem er über die im linken Teil der Fig.1 gezeigte Stellung hinaus nach oben geschraubt wird, so daß er den Gelenkkörper 20 vom Zapfen 12 abdrückt.

809816/0185

/7

- '/- 48 606

Die in Fig, 2 dargestellte Hüftgelenk-Prothese hat mit der in Fig. 1 dargestellten zahlreiche Gemeinsamkeiten, derentwegen die gleichen, in Fig. 2 jedoch mit einem Index versehenen. Bezugszeichen verwendet werden. Gemäß Fig. 2 weist ein an einem Schaft 10' ausgebildeter Zapfen 12" eine zylindrische Außenfläche 14' und eine sich nach unten kegelstumpfförmig verjüngende Ausnehmung 16' auf. Auf der Außenfläche 14' ist mit Preßsitz ein Gelenkkörper 20' befestigt, der zu diesem Zweck ein radiales, zylindrisches Loch 22' aufweist. Das Loch 22' endet mit einer Erweiterung 24' .

Zwischen dem Ende des Lochs 22' und der infolge der Ausnehmung 16' ringförmigen Stirnfläche des Zapfens 12' ist ein scheibenförmiger Spreizkörper 30' angeordnet, der einen Außenkonus 32" aufweist. Beim Aufdrücken des Gelenkkörpers 20' auf den Zapfen 12' ist der Spreizkörper 30' zwischen dem Zapfen 12' und dem Ende des Lochs 22' derart eingeklemmt worden, daß er mit seinem Außenkonus 32' den ringförmigen oberen Endbereich des Zapfens 12' in die Erweiterung 24' hineindrängt und dadurch eine zusätzliche Sicherung gegen unbeabsichtigtes Lösen des Gelenkkörpers 20' schafft, wenn der Gelenkkörper 20* aus der gezeichneten Zwischenstellung vollständig auf den Zapfen 12* aufgedrückt wird. Der Spreizkörper 30' ist beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ein Metallteil; er kann aber auch mit dem Gelenkkörper 20' einstückig ausgebildet sein und wie dieser aus Aluminiumoxid bestehen.

/Ansprüche

809816/0185

Leerseite

Claims

ANSPRÜCHE :

Gelenk-Endoprothese, insbesondere Hüftgelenk-Prothese, bei der an einem implantierbaren Schaft ein Zapfen aus duktilem Werkstoff ausgebildet ist, auf dem ein mit einem radialen Loch versehener kugelförmiger Gelenkkörper aus sprödem Werkstoff mit Preßsitz befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zapfen (12; 12') eine von seinem Ende ausgehende Ausnehmung (16; 16') aufweist, durch welche seine radiale Zusammendrückbarkeit im Bereich dieses Endes erhöht und somit die zwischen dem Zapfen (12; 12') und der Wand des Lochs (22; 22') im Gelenkkörper (20; 20') wirkenden Spannungen kleiner gehalten sind als die unter sonst gleichen Bedingungen am Ende eines vollen Zapfens auftretenden Spannungen.
2. Prothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (16; 16') eine Form und Größe hat, bei der die zwischen dem Zapfen (12; 12') und der Wand des Lochs (22; 22') wirkenden Spannungen auf der gesamten Länge des Preßsitzes zumindest annähernd konstant sind.
3. Prothese nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (16; 16') im Zapfen (12; 12') an ihrem Boden abgerundet ist.
4. Prothese nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit rotationssymmetrischem Zapfen, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausnehmung (16; 16') ebenfalls rotationssymmetrisch ist.
5. Prothese nach Anspruch 4 mit kegelstumpfförmigem Zapfen, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausnehmung (16)

809816/0185

/9 ORIGINAL INSPECTED

48 606

zumindest auf einem Teil ihrer Länge zylindrisch ist.
6. Prothese nach Anspruch 4 mit zylindrischem Zapfen, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausnehmung (16¹) sich zumindest auf einem Teil ihrer Länge kegelstumpfförmig verjüngt.
7. Prothese nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausnehmung (16; 16") einen Spreizkörper (30; 30') aufnimmt, mit dem sich das ringförmige Ende des Zapfens (12; 12") in eine Erweiterung (24; 24') des Lochs (22; 22'/ im Gelenkkörper (20; 20') hineinspreizen läßt.
8. Prothese nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spreizkörper (30) einen Gewindeansatz (36) hat, der in ein Gewindeloch (18) des Zapfens (12) eingeschraubt ist und sich mit einem durch eine Fortsetzung (26) des Lochs (22) im Gelenkkörper (20) einführbaren Werkzeug festziehen läßt.
9. Prothese nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spreizkörper (30') scheibenförmig gestaltet und zwischen dem Ende des Zapfens (12') und dem Boden des Lochs (22¹) im Gelenkkörper (20') eingeklemmt ist.

8098 16/0185