STEM PART OF A HIP JOINT ENDOPROSTHESIS AND PROCESS FOR ITS MANUFACTURE

Abstract: 1. Stem part of a hip joint endoprosthesis consisting of a fibre-reinforced material characterized by a Young's Modulus of the stem which decreases from the tip of the stem to its opposite end adjacent to the joint.

Description: Schaftteil einer Hüftgelenkendoprothese Die Erfindung betrifft den Schaftteil einer Hüftgelenkendoprothese, der aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kohlenstoff besteht. Faserverstärkte Werkstoffe werden seit längerer Zeit zur Herstellung von menschliche und tierische Organe ersetzende Implantate verwendet (z.B. DE-OS 19 C2 700). Die Verwendung von kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff als Werkstoff für Prothesen und besonders für Prothesenschäfte ist beispielsweise durch die DE-OS 26 21 123 bekannt. Vorteile dieses Werkstoffs sind seine biologische Kompatibilität, d#h., lebende tierische und menschliche Gewebe werden nicht im Kontakt mit Kohlenstoff verändert, und die physikalische Kompatibilität, unter der eine Angleichung der elastischen Eigenschaften des Werkstoffs an die Elastizität des Knochens zu verstehen ist. Die Elastizität von Prothesen aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff kann in einfacher Weise durch Änderungen des Gehalts an Kohlenstoffasern oder auch durch Änderungen der Faserorientierung eingestellt werden und der Elastizität des Knochens angepasst werden. Durch die DE-OS 26 21 1 < ist es darüberhinaus bekannt, die den Werkstoff verstärkenden Kohlenstoffasern in mehreren gegeneinander geneigten Scharen anzuorden, wobei die Längserstreckung der Fasern innerhalb einer Schar mit einer Hauptbe lastungsrichtung zusammenfällt, um die Ein- und Ableitung von Kräften zu verbessern. Die Bedingungen der Isoelastizität und der gezielten Ein- und Ableitung der Kräfte reichen jedoch nicht aus, Relativbewegungen zwischen dem Prothesenschaft und dem anliegenden Knochengewebe vollständig zu verhindern und auch nicht derartig zu begrenzen, dass eine Lockerung des Prothesenschafts ausgeschlossen ist. Dieses nicht völlig befriedigende Verhalten der bekannten Prothesenschäfte aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff wird zu einem Teil durch die Variationsbreite des lebenden Knochengewebes bedingt, vor allem aber dadurch, dass das Trägermoment des Prothesenschafts über die Schaftlänge nicht konstant ist, sondern sich für jede Schaftform in gesetzmässiger Weise ändert. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Wirkung örtlich verschiedener Trägheitsmomente zu kompensieren und im gesamten Belastungsbereich der Prothese für jede Last eine der Verformung des anliegenden Knochengewebes identische Verformung des Prothesenschafts zu erreichen Die Aufgabe wird mit einem Prothesenschaftteil der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Elastizitätsmodul des faserverstärkten Werkstoffs von der Spitze des Schafts zu dem entgegengesetzten Ende abnimmt. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Relativbewegungen zwischen Prothesenschaft und Knochengewebe durch einen über die Länge des Prothesenschafts einen konstanten Elastizitätsmodul aufweisenden Werkstoff oder durch faserverstärkte, die Fasern in Scharen oder Bündeln enthaltenden Werkstoffen nicht vermieden werden können, sondern allein durch einen Werkstoff, dessen Elastizitätsmodul von der Schaftspitze zum entgegLnge setzten Ende abnimmt, d.h., durch eine Prothese, deren Elastizitätsmodul einen Gradienten aufweist. Dabei ist es offensichtlich nicht erforderlich, dass das Trägheitsmoment jedes einzelnen Schaftquerschnitts durch den Elastizitätsmodul des Schaftswerkstoffs an jeder Stelle genau ausgeglichen wird, es reicht vielmehr ein dem Verlauf der Trägheitsmomente angepasster Gradient der Elastizität aus. Für das Trägheitsmoment der schaftförmigen Prothese gilt angenähert: 5 4 I = 1,5 ¯ 10 - 2,2 ¯ 104 ln k, wobei k der axiale Abstand ist. Die Erfüllung der Bedingung Sp = SK (± =Verformung, P = Prothese, K = Knochen) erfordert entsprechend eine gleichsinnige Änderung des Elastizitätsmoduls des Prothesenschafts, dessen Betrag aus dem mittleren Elastizitätsmodul des Knochens und den Änderungen des Knochenquerschnitts über die Schaftlänge mit ausreichender Genauigkeit berechnet werden kann. Beispielsweise sollte bei einem Knochen mit einem 2 mittleren Modul von 16,5 kN/mm für drei Schnittebenen eines dem Knochen anliegenden Prothesenschafts, deren grösster Umfangsabstand von der Schaftachse 10, 16 bzw. 20 mm beträgt, der Elastizitätsmodul des Prothesenwerk 2 stoffs in dieser Ebene etwa 81, 46 und 30 kN/mm betragen. Wenngleich gegenüber den bekannten Prothesen ein wesentlicher Fortschritt bereits durch einen nichtquantifizierten Gradienten erreicht wird, empfiehlt es sich unter Nutzung der bekannten Proportionalität von Elastizitätsmodul und dem Volumenanteil der Verstärkungsfasern den Gradienten dem Verlauf des Trägheitsmoments anzupassen. In dem Prothesenschaft wird der Modul-Gradient bevorzugt dadurch eingestellt, dass der Anteil der Verstmrkungs- fasern in der Matrix vor der Schaftspitze zum Schaftende abnimmt. Nach einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Prothese besteht der Prothesenschaft aus mehreren Schichten, die Verstärkungsfasern in paralleler Orientierung enthalten, wobei die Fasern wenigstens einiger benachbarter Schichten eine verschiedene Orientierung aufweisen. Bei dieser Ausbildung ist der Anteil von Schichten, die Kohlenstoffasern einer bestimmten Orientierung enthalten, der Dicke des Prothesenschafts proportional, so dass sich der Elastizitätsmodul analog mit der Schaftdicke ändert. Zum Herstellen eines Prothesenschafts werden mit einem härtbaren Kunstharz imprägnierte Fasern, insbesondere Kohlenstoffasern, in zueinander paralleler Orientierung in Schichten ausgelegt, mehrere gegeneinander verdrehte Schichten übereinandergestapelt und gegebenenfalls unter einem erhöhten Druck zum Härten und Carbonisieren auf eine Temperatur zwischen etwa 120 und 200 0c und dann unter inerten Bedingungen auf etwa 1000 C erhitzt. Unter dem Begriff "Kohlenstoffasern" sind alle im wesentlichen aus dem Element Kohlenstoff bestehenden, durch Pyrolyse natürlicher und synthetischer faserförmiger Stoffe hergestellte Fasern zu verstehen, z.B. auch Graphitfasern Die Fasern werden in Form von Garnen oder Rovings oder als Flächengebilde, wie z.B. Geweben, oder auch Kurzschnittfasern verarbeitet. Nach einem anderen Verfahren werden insbesondere Koh lenstoffasern in unidirektionaler Anordnung aufeinandergestapelt und in gesetzmässiger Weise gegeneinander verdreht. Beispielsweise beträgt die Faserorientierung 0 in einer mittleren Schicht 0 , in den anliegenden Schichten t 40 , in den darauffolgenden Schichten 900 und so fort. Der Schichtstapel wird wie oben beschrieben thermisch behandelt und nach der Überführung in 1 Kohlenstoff ein Prothesenschaft in Richtung 0 heraus gearbeitet. Im Bereich der Schaftspitze bleibt dabei nur die mittlere Schicht erhalten und mit zunehmender 0 Dicke des Schafts sind Schichten mit 1 40 Fasern und schliesslich mit 900 Fasern enthalten.-Der Elastizitäts .modul ergibt sich dabei aus dem Anteil der verschieden orientierten Fasern.

Claims: Patentansprüche: 1. Schaftteil für eine Hu#rtoelenkendoprothese aus einem mit Fasern verstärkten Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul des faserverstärkten Werk stoffs von der Spitze des Schafts zu dem entgegenae- setzten Schaftende abnimmt. 2. Schaftteil nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Prothese der Volumenanteil der Verstärkungs fasern von der Spitze zum Schaftende abnimmt. 3. Schaftteil nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaftteil aus mehreren, Verstärkungsfasern in paralleler Orientierung enthaltenden Schichten besteht und die Fasern wenigstens einiger benachbarter Schichten verschieden zueinander orientiert sind. 4. Schaftteil nach den Patentansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff Kohlenstoff und die Verstärkungsfasern Kohlenstoffasern sind. 5. Verfahren zum Herstellen eines Prothesenteils nach den Patentansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Kunstharz imprägnierte Kohlenstoffasern zu Schichten ausgelegt werden, in denen die Fasern parallel zueinander orientiert sind, mehrere gegen einancer verdrehte Schichten übereinandergestapelt werden und der Stapel unter einem erhöhten Druck zum Härten und Carbonisieren des Kunstharzes einer thermischen Behandlung unterzogen und aus dem Rohling eine Prothese gearbeitet wird.

Inventors: GERSTENBERGER, FRIEDRICH, PROF. DIPL.-ING., LOOS, WOLFGANG, ING. GRAD., ROSE, PHILIP, DR. RER. NAT.
Applicants: SIGRI ELEKTROGRAPHIT GMBH
Application year: 1980
Main classification: A61F1
IPC codes: A61F2