FEMORAL PART OF A HIP JOINT ENDOPROSTHESIS

Abstract: 1. Upper thigh part of a hip-joint endoprosthesis, consisting of a fibre-strengthened, curved endoprosthesis shaft (6) with unidirectional or partially unidirectional arrangement of the fibres (8) in the longitudinal direction of the shaft, which comprises an upper shaft part (7), a sharply curved central part and a lower shaft part (11) which tapers toward the free end, and of an endoprosthesis head (1) consisting of ball (2) and collar section (3), in which the endoprosthesis shaft (6) which is firmly connected with the endoprosthesis head (1) does not have a collar, and in which the head axis (A) given by the perpendicular line through the central point (5) of the ball onto the base (4) of the head, and the upper shaft axis (B), given by the principal orientation of the fibres (8) in the upper shaft part (7) and the central point (9) of the virtual intersecting plane (4a) through the shaft (6) determined through the basal plane of the head, are not identical, in which the head axis (A) and the upper shaft axis (B) form an acute angle (alpha), characterized in that the endoprosthesis head (1) consists of polycrystalline, isotropic, ceramic material, that the upper shaft part (7) is constructed substantially conically and protrudes into the endoprosthesis head (1) up into the ball (2), and that the angle (beta) formed between the head axis (A) and the lower shaft axis (C), given by the principal orientation of the fibres (8) in the lower shaft part (11), is greater than the angle (gamma) formed between the upper shaft axis (B) and the lower shaft axis (C).

Description: Oberschenkelteil einer Hüftgelenkendoprothese Die Erfindung betrifft ein Oberschekelteil einer Hüftgelenkendoprothese, bestehend aus einem faserverstärkten, gekrümmten Endoprothesenschaft mit uni direktionaler oder teilweiser unidirektionaler Anordnung der Masern in Längsrichtung des Schaftes, der oberes, im wesentlichen konisches Schaftteil, ein stark gekrümmmtes Mittelteil und ein sich zum freien Ende hin verjüngendes unteres Schaftteil umfasst, und einem Endoprothesenkopf aus vorzugsweise polykristakllinem, isotropem, keramischen Material. Die heute verwendeten Hüftkopfendoprothesen haben Oberschenkelteile, die nahezu ausschliesslich aus Metall bestehen. Als metalische Werkstoffe werden gegeossene oder gemischmiedete Sonderlegierungen, wie z.B. Coba] t-Cbrom-olybdn- oder Titan-Aluminium Vanadium-Legi erungen verwendet. Die metallischen Oberschenkelteile werden entweder aus einem Stück gefertigt, oder der aus einer Gusslegierung bestehende kopf wird auf den aus einer Schmiedelegierung bestehenden Schaft aufgeschweisst. Eine Variation des rein metallischen Oberschenkelteils besteht darin, dass an Stelle des Metallkopfes ein Kopf aus hochdichter Aluminiumoxidkeramik verwendet wird (DE-OS 21 34 316). Für die Verbindung beider Teile wurden Klemm- bzw. Schraubverbindungen vorgeschlagen (CH-PS 552 383; DE-CM 74 36 033; DE-AS 25 48 591 > . Da bei der rein neta3l ischen und auch bei der detall- Aluminiumoxidkeramik-Endoprothese sowohl Schaft als auch hopf aus im wesentlichen isotropen Werkstoffen be- stehen, ist auf eine besondere Orientierung der erk- stoffe in Bezug auf die Prothesengestalltung nicht zu achten. in neuester Zeit wurden als Materialien für Endo- prothesenschäfte faserverstärkte B'erkstoffe vorgeschlagen, bei denen es sich in erster Linie um kohlenstoffaserverstärkte Kohlenstoffe handelt. Diese Werkstoffe weisen neben der hervorragenden Bio- kompatibilitat herausagende statische und Dauer wchsel-Pestigkeiten auf. Zur Realisierung einer hohen Schaftfestigkeit ist jedoch Voraussetzung, dass die Faserverstärkung vorwiegend unidirektional erfolgt. ei nicht ausschliesslich unidirektionaler Verstärkung mul) auf jeden Fall gewährleistet sein, dass die iiber alle Fasern gemittelte Abweichung von der Nauptorientierung gering bleibt. Zur liombination mit einem Schaft aus kohlenstoff- faserverstärktem holllenstoff wurde als Wiaterial für den Endoprothesenkopf ein polykristalliner Sonlenstoff bzw. ein siliziumcarbid-Rchlenstoff-Verbundwerkstoff vorgeschlagen (DE-Patentanmeldung 28 38 333). Als vorteilhafte Verbindung von Schaft und kopf wurde nach der DE-Patentanmeldung 28 38 335 des weiteren eine Siliziumenrbidverbindungsschicht vorgeschlagen, die die formschlüssige Berührungsfläche der Prothesenteile kr:i itsc!il'jssig verbindet. Bei der Nerstellung von Prothesen durch Kombination von faserverstärkten Werkstoffen mit vorwiegend unidirektionaler Anordnung der Fasern und polykristallinen, keramischen und vorwiegend isotropen Werkstoffen hat sicll gezeigt, dass bekannte prothesenkenstruktionen nichi verwendet werden können. Dies hängt einmnl damit zusammen, dass unidirektional oder vorwiegend unidirektional mit Fasern verstärkte Werkstoffe zwar eine ausserordentliche Festigkeit in Faserrichtung, dafür jedoch eine um nahezu eine Grössenordnung geringere Festigkeit senkrecht zur Faserorientierunr, besitzen. Der zweite Grund ergibt sich hieraus, dass polykristalline, keramische blaterialien zum Teil zwar aufjerordent- lich hohe Druckkräfte, jedoch nur sehr geringe Zugkräfte aufzunehmen vermgen. Schliesslich ist zu berücksichtigen, dasspolykristalline, keramische herkstoffe ausserordentlich kerbempfindlich sind. Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ist es, ein Oberschenkelteil einer Jjüftgelenkendoprothese der eingangs genannten Art zu schaffen, das den speziellen mechanischen Eigenschaften des vorwiegend unidiektional verstirkten Schaftmaterials und des polykristal einen, keramischen hopfn'terials gerecht wird. Zur lösung dieser Aufgabe wird ein Oberschenkelteil der eingang@s genannten Art vorgeschlagen, das da durch gekennzeichnet ist, dass der Endoprothesenkopf Kugel und Kragenteil der Prothese umfasst, dass der in den Kopf bis in die Kugel hineinragende und mit diesem fest verbundene Endoprothesenschaft keimen Kragen aufweist, und dass die durch die Senkrechte durch den kugelmittelpunkt auf die Kopfbasis gegebene hopfachse und die durch die Bauptorièntierung der lasern im oberen Schaftteil und den Mittelpunkt der durch die opfbasisfl.iche bestimmten gedachten Schnitt- fläche durch den Schaft gegebene obere Schaftachse nicht identisch sind. Vorzugsweise ist das Oberschenkelteil so ausgebildet, dass die Kopfachse und die obere schaftachse einen spitzen Winkel einschlielsen, und dass der zwischen Kopfachse und der durch die Ilauptorientierung der Fasern im unteren Schaftteil gegebenen unteren Schaftachse eingeschlossene Winkel grösser ist als der zwischen der oberen Schaftachse und der unteren Schaft achse eingeschlossene Winkel. Der von der Kopfachse und der oberen schaftachse ein gesciilossene lsinkel kann Werte zwisdien 0 und 45 Grnd, vorzugsweise jedoch zwischen 3 und 35 Grad annchmen. Ein erfindungsgemässes Oberschenkelteil ist jedoch nicht nur auf den Fall beschränkt, bei dem Schaftachse und Kopfachse einen spitzen Winkel einschliessen. Eine vorteilhafte Konstruktion des er findungsgemässen Oberschenkelteils besteht auch darin, dass die Schaftachse gegenüber der Kopfachse zur konkaven Seite des Schaftes hin parallel verschoben ist. Eine für sämtliche koustruktionen vorteilhafte Ausgestaltung der i:rindung besteht darin, dass die Fasern im oberen Schal'tteil parallel der konvexen Aussenfläche verlaufen und somit von dieser Fläche nicht angeschnitten werden. Als geeignete Materialien für das Oberschenkelteil werden insbesondere ein kohlenstoffaserverstäkter kohlenstoff für den Schaft und polykristalliner Kohlenstoff oder ein Sil iziuncarbid-ho1l enstoff- Verbundwerkstoff für den Endoprothesenkopf verwendet. Der Verbundwerkstoff besitzt vorzugsweise ein X in- lagerungsgefüge aus einer SiC-Matrix und Kohlenstoffkörnern. Die Korngrösse der kohlenstoffkörner @iegt im Berei ch von 5 - 200 m, vorzugsweise im Bereich von 10 - 60 m Mit dem erfindungsgemässen Oberschenkelteil wurde ein den mechanischen Materialeigenschaften vorzug lich angepasstes Konstruktionsprinzip gefunden. Die Vorteile dieses erfindungsgemässen Oberschenkelteils sind vielfältiger Art. Dadurch, dass liopfachse und ohere Schaft achse nicht identisch sind, sondern einen spitzen Winkel von ca. 15 Grad einschliessen oder parallel zueinander verschoben sind, ergeben sich nahezu ideale Verhältnisse bezüglich der Krafteinleitung vom Kopf in den schaft, was eine optimale Belastung des Kopfes zur folge hat. Hierdurch ist der Schaft wie gewünscht iber- wiegend auf Biegung beansprucht, während die Belastun des Kopfes vorwiegend in Form von Druckkräften erfolgt. Ein ganz entscheidender, weiterer Vorteil der Konstruktion ist, dass der Kragen der prothese mit der Kugel der l-'rotiiese aus einem Stück gefertigt ist . hierdurch kann sich der Kopf über den Kragen unmittelbar am Ober- schenkelfemur abstützen, wodurch die vom Kopf auf den Schaft zu übertragenden Kräfte zusätzlich vermindert werden. Die beschricbene Erfindung soll anhand der Zeichnungen nachfolgend näher erlautert werden. kig. 1 zeigt ein erfindungsgemässes Oberschenkelteil, bei dem Kopfachse und obere Scllartachse einen spitzen hinkel einschliessen. Fig. 2 zeigt einen Schnitt in der Ebene D-E in Fig. 1, Fig. 3 zeigt ein Obersetienkelteil, bei dem Kopfachse und obere Schaftachse ebenfalls nicht identisch sind, jedoch keinen spitzen Winkel einscaliessen, sondern 1)aralle) verlaufen. Fig. 4 zeigt ein Oberschenkelteil, bei dem Kopfachse und obere Scaftache entsprechend dem Stand der Technik identisch sind. Gemäss Fig. 1, 3 und 4 weist das Oberschenkelteil einen Endoprothesenkopf 1 mit einer Kugel 2 und einnem Kragenteil 3 auf. Das Kragenteil dient mit dem Rand der Kopfbais 4 der Abstützung des Oberschenkelteils auf den Femurknochen. Die Kopfachse A geht durch den Mittelpunkt 5 der Kugel und steht senkrecht auf der Kopfbasis. Der in den Kopf hineinragende und mit diesem fest verbundene Endoprothesenschaft 6 weist dementsprechend kein Kragen teil auf. Im L'doprothesenschaft kann eine obere Schaftachse B und eine untere Schaftachse C definiej-t werden. Die obere Schaftachse B it durch die Richtung der Hauptorientierung der Fasern 8 im oberen Schaftteil 7 und durch den Mittelpunkt 9 der dui-ch die Kopfbasisfläehe bestimmten, virtuellen Schnittfläche 4a gegeben. Die untere Schaftachse C ist durch die iiauptorientierung der Fasern im unteren Schaftteil 11 gegeben. Fig. 1 zeigt die erfindungsgemässe Ausfütlrung, die optimal erscheint. Ijierbei schliesst die Iiopfachse A und die obere Schaftachse B einen spitzen inkelCL ein. Die Fasern verlaufen im oberen Schaftteil parallel zur konvexen Aussenfläche des Schaftes. Der zwischen der Kopfachse A und der unteren Schaftachse C eingeschlossene Winkel P ist gösser als der von der unteren Schaftachse C und der oberen Schaftachse B eingeschlossene hinkel Bei dieser Konstruktion sind auf der durch Zug be anspruchten Seite des Schaftes keine Fasern angeschnitten. Die aus der Normalkraft resultierenden Biegekr.Ifte werden in voller Höhe auf den Schaft übertragen, ohne dass der Kopf entscheidend auf Zug bzw. Biegung beansprucht wird. Somit sind sowohl der Schaft als auch der Kopf optimal belastet. Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführung, bei der Kopfachse und obere Schaftachse ebenfalls nicht identisch sind. Bei dieser Konstruktion ist die obere Schaftachse gegenüber der Kopfachse parallel zu konkaven Seite des Schaftes hin verschoben. In diesem Falle ist der unidirektional oder vorwiegend unidirektional faserverstrkte Schaft im Kopf zwecks Verjüngung auf der Druckseite angeschnitten. Die bei Belastung des Kopfes auf den Schaft wirkenden Biegekräfte können somit unmittelbar auf den Schaft übertragen werden, ohne dass der Prothesenkopf besonders beansprucht wird. Der Abstand vom hugelmittelpunkt zur verlängerten unteren Schaftachse C ist geringer als bei der Konstruktion gemass Fig. 1. Die Konstruktion nach Fig. 3 dürfte deshalb nur in besonderen Fällen für den Ersatz des menschlichen Hüftgelenks notwendig sein. Fig. 4 schliesslich zeigt zum Vergleich eine Aus fiilirung, die zwar ebenfalls den aus Kugel und Kragenteil bestehenden erfindungsgemässen Endoprothesenkopf aufweist, bei der jedoch Ropfachse und obere Schaftachse identisch sind, bzw. bei denen die winkel un < i t gleich sind. Auch bei einer derartigen Konstruktion ist wie bei den Ausführungen nach Fig. 1 und 2 als günstig zu beurteilen, dass die auf den Prothesenkopf bei Be ladung einwirkende Normalkraft nur relativ. geringe druckkräfte auf den Schaft senkrecht zur Faserorientierung zur folge hat. Der Schaft wird überwiegend auf Biegung beanSprucht, was dem unidirektional verstärkten Material entgegenkommt. Simultan mit dieser Kraftzerlegung sind die Kerbspannungen am oberen Teil der Aussparung des kopfes erträglich, so dass diese Lösung auch in Bezug auf die Beanspruchung des Prothesenkopfes günstig erscheint. Der nicht zu akzeptierende Nachteil dieser Konstruktion liegt jedoch darin, dass die auf Zug beanspruchten Fasern auf der Aussenseite des Schaftes infolge der Verjüngung des Schaftes im Kopf angeschnitten sind, so dass der Prothesenkopf ausserordentlich hohen Zugbeanspruchung en unterworfen ist; diese können zum Versagen fuhren. Das erfindungsgemässe Oberschenkelteil ist nicht auf bestimmte Schenkelhalshöiien ( = Abstand kopfbasis Kugelscheitelpunkt ) beschränkt. Durch die geeignete Wahl des Winkels zwischen Kopfachse und oberer Schaftachse kann jede beliebige Schenkelhalshöhe eingestellt werden, und zwar bei Einhaltung eines festen Winkels. Die gebräuciil chste Schenkelhalshöhe von 50 mm ergibt sich bei einem Winkel d von 17 Grad, eine Schenkelhaishöhe von 56 mm bei &alpha; = 14 Grad und 44 mm bei &alpha; = 22 Grad. Obwohl die Hauptorientierungsrichtung der Fasern somit im oberen Schaftteil optimal der Aufnahme der fliegekräfte angepasst ist, bleibt bei diesen verschiedenen Oberschenkelteilen der äusserlich erkennbare Winkel ss , z.B. mit 138 Grad, stets gleich.

Claims: PATENTANSTRÜCHE 1. Oberschenkelteil einer Hüftgelenkendoprothese, be stehend aus einem faserverstärkten, gekrümmten Endoprothesenschaft mit unidirektionaler oder teil weiser unidirektionaler Anordnung der Fasern in Lan@srichtung des Schaftes, der ein oberes, im sesentlichen konisches Schaftteil, ein stark ge- krümmtes Mittelteil und ein sich zum freien Ende hin verjüngendes unteres Schaftteil umfasst, und einem Endoprothesenkopf aus polykristallinem, iso tropem, keramischen Material, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Endoprothesenkopf (1) Kugel (2) und Kragen teil (3) der Prothese umfasst, dass der in den Kopf (1) bis in die Kugel (2) hineinragende und mit diesem fest verbundene Endoprothesenschaft (6) keinen Kragen aufweist, und dass die durch die Senkrechte durch den Kugelmittelpunkt (5) auf die Kopfbasis (4) gegebene Kopfachse (A) und die durch die hauptorientierung der Fasern (8) im oberen Schaftteil (7) und den Mittel- punkt (9) der durch die Kopfbasisfläche bestimmten virtuellen Schnittfläche (4a) durch den Schaft (6) gegebene obere Schaftachse (B) nicht identisch sind. 2. Oberschenkel teil einer Hüftgelenkendoprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. dass die kopfachse (A) und die obere bchaftachse t einen spitzen ninkel ( & einschliessen, und dass der zwischen der hopfachse und der durch die Haupt- Orientierung der Fasern im unteren Schaffteil (11) gegebenen unteren Schaftachse (C) eingeschlossene winkel (ss) grösser ist als der zwischen der oberen Schaftachse (B) und der unteren Schaftachse (C) eingeschlossene Winkel (X). 3. Oberschenkelteil einer Nüftgelenkendoprothese nach Anspruch 2, dadurch gekennzeicht, dass der von Kopfachse (A) und oberer Schaftachse (n) eingeschlossene Winkel (&alpha;) einen Wert zwischen 0 und 45 Grad besitzt. 4. Oberschenkelteil einer Nüftgelenkendoprothese nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c II n e t dass der von Ropfachse (A) und oberer Schaftachse (n) eingeschlossene Winkel (&alpha;) einen Wert zwischen 3 und 35 Grad besitzt. . Oberschenkelteil einer Hüftgelenkendoprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schaftachse (B) gegenüber der sopfachse (A) parallel zur konkaven Seite des Schaftes (6) verschoben ist. 6. Oberschenkelteil einer Hüftgelenkendoprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichet, dass die Fasern (8) im oberen schaftteil (7) parallel der konvexen Aussenfläche verlaufen. 7. Oberschenkelt < il einer hüftgelenkendoprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c ti g e k e n n z e i c h n e dass der Endoprothesenschaft (b) aus einem kohlenstoff faserverstärkten kohlenstoffmaterial besteht. 8. Oberschenkelteil einer Hüftgelenkendoprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e nn z e i c h n e t, dass der Endoprothesenkopf (1) aus polykristallinem Kohlenstoff besteht. 9. Oberschenkel teil einer Hüftgelenkendoprothese nach einem der Anspriiche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daf3 der Endoprothesenkopf (1) aus einem Siliziuin- carbid-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff besteht.

Inventors: BRUCKMANN, H., DR., HUTTINGER, K. J., PROF. DR., Brückmann, H., Dr., Hüttinger, K. J., Prof. Dr.
Applicants: SCHUNK & EBE GMBH
Application year: 1980
Main classification: A61F1
IPC codes: A61F2