DE3924990C3 - Verfahren zur Herstellung eines Hüftgelenk-Prothesenschaftes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Schaftes unre­ gelmäßiger Kontur für Hüftgelenkprothesen aus faserverstärktem Kunststoff, be­ stehend aus einem Kern und einer die erforderliche Steifigkeit des Schaftes ein­ bringende Ummantelung aus längsgerichteten Fasern, bei dem minde­ stens zwei die Ummantelung des Schaftes bildende, die Außenkonturen des Schaf­ tes aufweisende Schalen, deren Trennlinien längs der Schaftachse gerichtet sind und die aus in Längsrichtung von einem Schaftende zum anderen Schaftende rei­ chende Fasern gebildet sind, dadurch vorgefertigt werden, daß faserverstärkte Kunststoff-Endlosfasern mit Faserspannung in der der Schaftachsrichtung ent­ sprechenden Längsrichtung auf bzw. in eine Form gelegt, zumindest teilweise ge­ härtet, von der Form abgenommen, zusammengesetzt und mitein­ ander verbunden werden.

Aus der DE 25 12 152 ist ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus fa­ serverstärkten Kunststoffen durch Zusammensetzen und Aushärten von vorgefer­ tigten Teilen bekannt. Dabei handelt es sich jedoch um das Beziehen von Schaum­ kernen mit zwei Schalenhälften aus Glasfaserlaminaten. Das bekannte Verfahren ist zur Herstellung von Gegenständen mit einfachen Oberflächenkonturen und unkomplizierten mechanischen Eigenschaften, wie Rohre, Surf-Bretter und der­ gleichen, geeignet.

Endoprothesen bedürfen dagegen, wie aus DE 32 43 861 A1 hervorgeht, ausge­ wogenen Formgebungen und optimale mechanische Eigenschaften, die bei ei­ nem Schaft für Hüftgelenkprothesen durch Fasern erreicht werden, die in Längs­ richtung des Schaftes orientiert sind.

Gemäß DE 21 38 146 B2 wird ein Schaft mit längsgerichteten Fasern dadurch her­ gestellt, daß die Fasern in eine geeignete Form eingelegt, anschließend die Form mit Silikon gefüllt und schließlich die gesamte Formfüllung unter Druck und Tem­ peratur gehärtet wird. Es stellt sich dabei jedoch heraus, daß die Fasern sich wäh­ rend des Herstellungsverfahrens im Silikon verschieben und nicht die für die Stei­ figkeit optimale Orientierung erhalten.

Eine Abhilfe dazu wird bei einem Verfahren gemäß DE 27 53 568 C2 geschaffen, wonach der Schaft aus Teilkomponenten zusammengesetzt wird, die aus einem Wickelkörper herausgetrennt wurden. Hier ist es möglich, die gewünschte Orien­ tierung in Längsrichtung des Schaftes genau zu erhalten. Jedoch werden dabei le­ diglich die an der Oberfläche befindlichen Fasern den Schaft von einem Ende zum anderen Ende durchqueren. Dieses hat zur Folge, daß die Kräfte, die auf das obere Ende des Schaftes aufgelegt werden, nur von einem Teil der Fasern in einen Krümmungsbereich des Schaftes eingelegt werden können, zumal die inneren Fasern dieses Schaftendes zum Teil den Krümmungsbereich nicht erreichen.

Gemäß dem Hauptpatent P 39 19 192 wird ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem ein Kern sowie mindestens zwei die Ummantelung bildende Schalen hergestellt, zusammengesetzt und anschließend miteinander verbunden werden. Die Schalen werden dabei mit Endlosfasern so hergestellt, daß die Fasern streng längsgerichtet sind und von einem Schaftende zum ande­ ren Schaftende reichen, womit optimale mechanische Eigenschaften erreicht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genann­ ten Art fertigungstechnisch zu optimieren, und zwar unter Beibehaltung der Vor­ teile des mit dem Verfahren gemäß dem Hauptpatent hergestellten Schaftes.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die geometrisch unregelmäßige Kontur eines Schaftes bilden die zusammengesetzten, die Ummantelung darstellenden Schalen ebenfalls einen geometrisch unregelmäßigen Hohlraum. Durch das Einbringen eines aufschäumbaren Werkstoffes in flüssiger oder zähflüssiger Form in den Hohlraum, ist es möglich, diesen voll­ ständig auszufüllen und das mit fertigungstechnisch sehr ein­ fachen Maßnahmen. Damit entfällt die sorgfältige Kontur­ gebung eines vorgefertigten Kernes gemäß der Hauptpatent­ anmeldung.

Die Ummantelung ist aus längsgerichteten und durchgehenden Fasern gebildet. Daraus ergibt sich, daß die Zahl der Fasern über sämtliche Querschnitte des Schaftes konstant ist. In der Regel wird dabei zumindest das Schaftende mit geringerem Querschnittsdurchmesser mit den Fasern ausge­ füllt sein, d.h., daß im dickeren zweiten Schaftende zwangsweise ein mit dem Hohlraum in Verbindung stehender Kanal verbleiben wird. Dieser Kanal wird genutzt, um nach dem Zusammensetzen der Schalen den Werkstoff für den Kern einzuführen. Der Werkstoff kann dabei sowohl in flüssiger bis zähflüssiger Form als auch als Schaummasse mit konven­ tionellen Mitteln eingeführt werden.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Werkstoff für den Kern mit Kurzfasern versetzt, um die ausreichende Festigkeit gegen Radialkräfte zu erhalten.

Die Schalen für die Ummantelung werden vorzugsweise inner­ halb einer Form im zusammengesetzten Zustand gehalten. In diesem Fall ist es zweckmäßig, den Werkstoff für den Kern mit einem leichten Überdruck einzuführen, um die Schalen geringfügig gegen die Formwandung zu drücken und damit eine optimale Ausrichtung der Fasern zu erreichen.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 einen Längs- bzw. Querschnitt eines Hüftgelenk-Prothesenschaftes,

Fig. 3 und 4 einen Querschnitt und eine Ansicht einer Teilkomponente des Schaftes und

Fig. 5 eine Anordnung zum Einführen des Werk­ stoffes für den Kern.

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt eines Schaftes 10 für Hüft­ gelenkprothesen dargestellt, der ein annähernd zylindrisches oberes Ende 11 für die Aufnahme eines nicht dargestellten Gelenkkopfes, ein unteres Ende 12 und einen im Querschnitt erweiterten, geknickten Mittelbereich 13 hat. Das untere Ende 12 ist vollständig aus längsgerichteten Fasern 14 gebildet, die über den mittleren Bereich 13 zum oberen Ende 11 führen. Aufgrund der Querschnittserweiterung im mittleren Bereich 13 und des größeren Querschnitts des oberen Endes bilden die Fasern 14 im mittleren Bereich eine Außenhaut 15, während sie am oberen Ende 11 einen dünnen Kanal 16 freilassen. Der Hohlraum 25 (Fig. 5) zwischen den Fasern 14 ist mit einem Kern 17 lückenlos ausgefüllt, der Radialkräfte aufzunehmen vermag.

In Fig. 2, die einen Querschnitt durch den Mittelbereich 13 darstellt, ist die aus Fasern 14 gebildete Außenhaut 15 ver­ anschaulicht, die den Kern 17 umgibt.

Die die Schaftenden 11 und 12 und die Außenhaut 15 bildenden Fasern 14 ummanteln vollständig den Kern 17, der lediglich eine Verdrängerfunktion hat. Die mechanischen Eigenschaften des Schaftes 10 werden im wesentlichen durch die längsge­ richteten Fasern 14 bestimmt, deren Zahl über den gesamten Querschnitt des Schaftes 10 konstant bleibt. Daraus ergibt sich, daß die Querschnittsflächen, sowohl der Außenhaut 15 als auch der Schaftenden 11, 12 alle gleich sind. Damit ist eine optimale, vom oberen Schaftende 11 ausgehende Krafteinleitung in den Schaft 10 und das umliegende Knochen­ material möglich.

Zur Herstellung eines Schaftes gemäß Fig. 1 werden zunächst Teilkomponenten des mit den Längsfasern 14 versehenen Bau­ teils 11, 12, 13 hergestellt, wobei die Teilkomponenten 20, 21 durch Längsschnitte getrennte schalenartige Gebilde sind, die im folgenden Schalen genannt werden. Am einfachsten wird der Schaft aus zwei Schalenhälften 20, 21 gebildet, deren Fügefläche einem Längsschnitt des Schaftes 10 entspricht, dessen Schnittfläche senkrecht zur Biegefläche, d. h., senk­ recht zur Zeichnungsfläche nach Fig. 1 verläuft.

In Fig. 3 ist ein Querschnitt entlang der Linien III-III der Fig. 1 einer Schalenhälfte 20 gezeigt, deren Längs­ schnitt die linke Hälfte der Fig. 1 ist. Eine Innenansicht dieser ersten Schalenhälfte 20 ist in Fig. 4 gezeigt.

Das Wickelverfahren zur Herstellung der Schalen ist in der Hauptpatentanmeldung beschrieben. Nach der Herstellung der Schalen werden diese ungehärtet in eine zusammensetzbare Form eingelegt. In Fig. 5 ist die eine Formhälfte 45 ge­ zeigt, deren Kontaktfläche mit der zweiten Formhälfte in einer XY-Ebene liegt, während die Kontaktfläche bzw. Trenn­ fläche 18 zwischen den Schalenhälften 20, 21 senkrecht zur YX-Ebene liegt. In den zwei Formhälften 45, von denen nur eine in Fig. 5 dargestellt ist, werden die Schalen 20, 21 zusammengehalten, wobei sie aufgrund ihrer Formgebung den Hohlraum 25 bilden, der über den Kanal 16 am oberen Schaft­ ende von außen erreichbar ist. Durch den Kanal 16 wird der Werkstoff 26 über eine Zuführung 28 aus einem Reservoir 29 in den Hohlraum 25 gebracht. Der Werkstoff 26 kann eine aufschäumbare Masse, ein flüssiges Harz mit oder ohne Zusätze sein. Wichtig ist bei der Einführung des Werk­ stoffes 26 für den Kern 17, daß der Werkstoff den Hohl­ raum 25 möglichst vollständig ausfüllt. Die anzuwendende Methode richtet sich nach der Viskosität und den übrigen Eigenschaften des Werkstoffes 26. So ist es beispielsweise auch möglich, eine aufschäumbare Masse direkt aus einer Tube in den Hohlraum 25 hineinzudrücken. In der Regel wird jedoch eine Druckleitung 28 verwendet, über die der Werkstoff mit Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck einführbar ist. Dabei ist für eine ausreichende Entlüftung oder Evakuierung des Hohlraumes 25 zu sorgen.

Dem Werkstoff 26 können bei Bedarf Kurzfasern 27 sowie auch Kontrastmittel und dergleichen beigefügt werden.

Nach dem Füllen des Hohlraumes 25 mit einem geeigneten Werk­ stoff 26 wird der Schaft innerhalb der Formen 45 dem Härtungsprozeß unterzogen, wobei die Matrix der Schalen 20, 21 an den Fügestellen 30 in eine nahtlose Verbindung eingeht. In ähnlicher Weise erfolgt eine innige Verbindung zwischen der Matrix der Schalen 20, 21 mit dem Werkstoff 26.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines Schaftes für eine Hüftgelenkprothese, bestehend aus einem Kern (17) und einer die erforderliche Steifigkeit des Schaftes einbringenden Ummantelung (20, 21) aus faserverstärktem Kunststoff, wobei die Ummantelung (20, 21) aus längsgerichteten Fasern besteht und im Querschnitt die Ummantelung (20, 21) über die gesamte Länge des Schaftes die gleiche Anzahl von Fasern enthält, bei dem mindestens zwei die Ummantelung des Schaftes (10) bildende, die Außenkonturen des Schaftes aufweisende Schalen (20, 21), deren Trennlinien längs der Schaftachse gerichtet sind und die aus in Längsrichtung von einem Schaftende (11) bis zum anderen Schaftende (12) reichende Fasern gebildet sind, dadurch vorgefertigt werden, daß faserverstärkte Kunststoff- Endlosfasern (14) mit Faserspannung in der der Schaftachsrichtung entsprechenden Längsrichtung auf bzw. in eine Form gelegt und im nicht ausgehärteten Zustand von der Form abgenommen werden, nach Patent 39 19 192, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Schaftes die vorgefertigten ungehärteten Schalen (20, 21) zur Bildung der Ummantelung zusammengesetzt werden, daß in den durch die Schalen gebildeten Hohlraum als Kern-Werkstoff eine aufschäumbare Masse (26) eingeführt wird und daß zur Bildung einer innigen Verbindung der Kern mit den Schalen ausgehärtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff (26) für den Kern in flüssiger bis zähflüssiger Form in den Hohlraum (25) ein­ geführt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Werkstoff (26) für den Kern (17) Kurzfasern (27) enthält.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Werkstoff (26) für den Kern (17) mit leichtem Überdruck in den Hohlraum (25) der Ummantelung (20, 21) eingeführt wird.