![]() Mechanically desintegratable bone cement
专利摘要:
公开号:WO1986002560A1 申请号:PCT/EP1985/000561 申请日:1985-10-24 公开日:1986-05-09 发明作者:Günter HOFF;Jochen Ohnsorge 申请人:MERCK Patent Gesellschaft mit beschränkter Haftung; IPC主号:A61B17-00
专利说明:
[0001] - 1 - [0002] Mechanisch zerrüttbarer Knochenzement [0003] Die Erfindung betrifft einen Knochenzement auf der Basis von physiologisch verträglichen Polymeren, insbesondere von aus Präpolymeren und Monomeren hergestellten Poly- acrylaten und/oder Polymethacrylaten und ein Verfahren zur mechanischen Zerrüttung von auspolymerisierten Kunststoffen, insbesondere dieser Knochenzemente. [0004] Ein zentrales Problem der Implantation von Gelenkendo- prothesen besteht in der Verankerung der Prothese im Knochenlager. Es ist bekannt, dafür Knochenzemente auf Acrylatbasis einzusetzen, die durch Mischen und Aus- polymerisieren von pulverförmigen Präpolymeren mit flüssigen Monomeren, die Initiatoren und Beschleuniger für die Polymerisation enthalten, hergestellt werden. Diese dienen in der orthopädischen Chirurgie zur sicheren und schnellen Primärfixierung des Gelenkimplan- tates am Knochen, wodurch dem Patienten eine Frühbe¬ lastung des Gelenkes ermöglicht wird. Der in der Anrühr¬ phase zunächst noch teigige, langsam aushärtende Knochen- zement füllt den Raum zwischen Knochen und Gelenkimplan¬ tat nahezu fugenlos aus, erhält jedoch durch den fort¬ laufenden Polymerisationsvorgang sehr schnell die volle Festigkeit. - 2 - [0005] Diese Art der Fixierung von Gelenkendoprothesen am Knochen mittels auspolymerisiertem Knochenzement ist heute eine weltweit angewandte und anerkannte Operations- technik in der orthopädischen Chirurgie. Probleme wie zu hohe Energiefreisetzung und damit zu hohe Temperatur bei der Polymerisation, die zur Nekrotisierung des Ge¬ webes führt, sind ebenso wie die Fragen der ausreichen¬ den Biokompatibilität des Knochenzementes prinzipiell gelöst. [0006] Langfristig kann es jedoch zu Auslockerungen des [0007] Metallimplantates oder des Kunststoffimplantates im Knochenzementlager kommen, weswegen Prothesenwechsel mit Entfernung des Knochenzementes erforderlich wer¬ den. Die Entfernung des Knochenzementes aus Röhren- knochen ist technisch sehr schwierig und bedeutet eine lange Operationszeit bei Reoperationen von Gelenkendoprothesen, wodurch die überwiegend alten Patienten erheblich gefährdet sind durch lange Opera¬ tionszeiten, lange Blutungszeiten der unverschlossenen Weichteile und erhöhte Infektionsgefahr durch lange [0008] Wundöffnungszeiten. Die Bedeutung dieses Problems läßt sich daran ermessen, daß bis zu 20 % aller heute durch¬ geführten Gelenkprothesenoperationen Reoperationen sind. [0009] Es bestand deshalb die Aufgabe, einen Knochenzement zu finden, der bezüglich Stabilität und Verarbeitbar- keit alle Anforderungen erfüllt, der aber im Falle einer notwendig werdenden Reoperation leicht und schnell aus dem Knochen entfernt werden kann. - 3 - [0010] Diese Aufgabe wurde durch die vorliegende Erfindung ge¬ löst. Es wurde nämlich gefunden, daß in die Polymer- matrix eingelagerte Störkörper, deren Schallwellenwider¬ stand sich von dem der Polymermatrix unterscheidet, mit Hilfe von akustischen Wellen so angeregt werden können, daß an den akustischen Grenzflächen Zug- und Druckspannun¬ gen erzeugt werden, die zum Zerfall der Polymermatrix führen. [0011] Gegenstand der Erfindung ist daher ein Knochenzement auf der Basis von physiologisch verträglichen Polymeren, insbesondere von aus Präpolymeren und Monomeren herge- stellen Polyacrylaten und/oder Polymethacrylaten, der dadurch gekennzeichnet ist,- daß in das Polymere akustische Störkörper mit einem von dem des Polymeren unterschiedlichen Schallwellenwiderstand eingelagert sind. [0012] Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur mechanischen Zerrüttung von auspolymerisierten Kunst¬ stoffen, insbesondere von Knochenzementen auf der Basis von physiologisch verträglichen Polymeren, insbesondere von aus Präpolymeren und Monomeren hergestellen Poly¬ acrylaten und/oder Polymethacrylaten, das dadurch gekenn¬ zeichnet ist, daß vor dem Aushärten des Polymeren akustische Störkörper mit einem von dem des Polymeren unterschiedlichen Schallwellenwiderstand eingelagert werden, und daß durch selektive Anregung der Störkörper durch akustische Wellen die Polymermatrix zerstört wird. /02560 [0013] - 4 - [0014] Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß der erfindungsgemäße Knochenzement durch den Chirurgen in gleicher Weise wie die bisher bekannten Knochenzemente eingesetzt werden kann. In bezug auf Kurz- und Langzeit- Stabilität wird durch die Einlagerung der Störkörper keine signifikante Verschlechterung bewirkt. Vorteilhaft in bezug auf die Stabilität des Knochenzementes wirkt es sich aus, wenn die Störkörper in den guasistatischen mechanischen Eigenschaften, das heißt in den bei der Normalbeanspruchung (Gehen, Laufen) auftretenden Be¬ lastungen maßgebenden Parametern wie z.B. Elastizität und Kompressibilität dem Polymeren möglichst ähnlich sind. Insbesondere dann jedoch, wenn diese Eigenschaften unter¬ schiedlich sind, ist es vorteilhaft, wenn die Störkörper keine scharfen Kanten oder Spitzen besitzen, die zu uner¬ wünschten örtlichen Spannungskonzentrationen und damit zur Rißbildung in der Polymermatrix führen können. Bevor¬ zugt sind daher Störkörper mit abgerundeten Ecken und Kanten, wie zum Beispiel Rotationsellipsoide, Zylinder- Scheiben mit abgerundeten Kanten oder Kugeln. [0015] Anstelle von einzelnen Partikeln können jedoch auch Stör¬ körper in der Form von Fäden, Geflechten, Geweben, Folien oder Platten verwendet werden. Besonders vorteilhaft kann z.B. ein netzartiges Gewebe eingesetzt werden, da auf der einen Seite dadurch eine beträchtliche Stabilisierung des Knochenzements erreicht werden kann und auf der anderen Seite im Falle einer Reoperation der Zement sehr effek¬ tiv entlang der Knochen-Zement-Kontaktschicht herausge¬ löst werden kann, wenn das Netz in dieser Grenzregion an- geordnet wird. - 5 - [0016] Größe und Form der Störkörper sollte so bemessen sein, daß einerseits eine optimale Energieaufnahme von den extrakorporal erzeugten akustischen Wellen möglich ist und daß andererseits die Verarbeitung des Knochenzements nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Störkörper einer Größe bzw. Dicke von etwa 0,01 bis etwa 2 mm, insbeson¬ dere einer Dicke von etwa 0,1 bis etwa 1 mm, sind daher bevorzugt. [0017] Um eine wirksame Zerrüttung zu erreichen, ist selbstver- ständlich eine Vielzahl von Störkörpern, möglichst homogen verteilt in der Polymermatrix, notwendig. Dabei ist die Zerrüttung um so wirkungsvoller, je mehr Stör¬ körper enthalten sind. Andererseits werden durch einen zu hohen Gehalt an Störkörpern die mechanischen Eigen- schaften des Knochenzements beeinträchtigt. Ein Gehalt von etwa 0,5 bis etwa 20 Vol.- %, insbesondere von etwa 3 bis etwa 10 Vol. %, ist daher bevorzugt. [0018] Ais Material für die Störkörper wird ein biokompatibles Material eingesetzt, dessen Schallwellenwiderstand, das heißt das Produkt aus Dichte und Schallgeschwindigkeit, sich von dem der Polymermatrix deutlich unterscheidet. Insbesondere werden Materialien eingesetzt, deren Schall- wel.lenwiderstand sich um mindestens den Faktor 1,5, be¬ vorzugt mindestens um den Faktor 1-10, von dem des Poly- meren unterscheidet. Der Schallwellenwiderstand der Störkörper kann dabei sowohl größer als auch kleiner als der des Polymeren sein. Als Material sind daher sowohl körperverträgliche Metalle oder Legierungen, wie zum Beispiel iAl5Fe2 5, CoCrMo oder Tantal, als auch oxidische Körper, insbesondere in der Form von gebrann¬ ten Oxidkeramiken, wie zum Beispiel Al203, als auch Glas oder Kohlenstoff einsetzbar. Anstelle dieser dichten - 6 - [0019] Störkörper können jedoch auch Störkörper mit sehr geringer Dichte, wie zum Beispiel Luft- oder Gasblasen, verwendet werden, die in homogener Verteilung beim An¬ rühren des Zements mit eingerührt werden können oder die aus geeigneten Substanzen, zum Beispiel durch thermische Zersetzung beim Aushärten des Zements, freigesetzt werden können. [0020] Um im Falle der Verwendung von Einzelteilchen eine mög¬ lichst umfassende Zerrüttung des Knochenzements über dessen gesamtes Volumen zu erreichen, sollten diese [0021] Störkörper möglichst homogen im Knochenzement verteilt sein. Bei sehr schweren, insbesondere metallischen Stör¬ körpern kann es daher zur Verbesserung der Dispergier- barkeit und zur Verminderung von Sedimentation vorteilhaft sein, diese in eine Hülle des Polymeren einzubetten. [0022] Der erfindungsgemäße Knochenzement wird in analoger Weise wie die bekannten Knochenzemente hergestellt. Diese wer¬ den so zubereitet, daß etwa zwei Teile eines feinteili- gen, einen Polymerisationskatalysator (z. B. Dibenzoyl- peroxid) enthaltenden Präpolymerisats, insbesondere Poly- methylmethacrylat oder eines Mischpolymerisats aus Methyl- acrylat und Methylmethacrylat, mit etwa einem Teil des flüssigen Monomeren, zum Beispiel Acrylsäure- oder Methacryl- säuremethylester oder deren Gemische, das einen Beschleuni- ger (z.B. Dirnethyl-p-toluidin) enthält, zu einer formbaren Masse gemischt werden, die in den Körper implantiert wird und dort aushärtet. Solche Knochenzemente sind zum Beispiel unter dem Warenzeichen Palacos im Handel. Zu¬ sätzlich können darin auch pharmakologisch wirksame Sub- stanzen, wie zum Beispiel Antibiotika, eingearbeitet wer¬ den oder auch Materialien, die die Verankerung des Knochen- - 7 - [0023] zements im Körper erleichtern, wie zum Beispiel resorbier¬ bares Tricalciu phosphat. Zur Herstellung des erfindungs¬ gemäßen Knochenzements wird in einen solchen bekannten Knochenzement zusätzlich die erforderliche Menge an Stör- körpern mit eingearbeitet. [0024] In der Verarbeitung und auch in den nach dem Aushärten erzielten mechanischen Eigenschaften ist der erfindungs¬ gemäße Knochenzement den bekannten Knochenzementen äquivalent. Der Vorteil zeigt sich jedoch dann, wenn eine Reoperation notwendig werden sollte. In diesem Fall können erfindungsgemäß mit extrakorporalen akustischen Wellen an den akustischen Grenzflächen zwischen Störkörper und Polymermatrix Zug- und Druckspannungen erzeugt werden, die zur Auflösung des Verbunds und zum Zerfall der Poly- mermatrix führen. [0025] Als akustische Wellen können dabei sowohl extrakorporal erzeugte und auf den Knochenzementpfropfen fokussierte Stoßwellen eingesetzt werden als auch Ultraschallwellen mit einer auf die Eigenfrequenz der Störkörper abgestimm- ten Frequenz. [0026] Stoßwellen werden in der medizinischen Therapie bereits eingesetzt zur Zertrümmerung von Harnsteinen. Die dabei benutzten Geräte zur Erzeugung und Fokussierung der Sto߬ wellen können grundsätzlich auch zur Zerrüttung der erfindungsgemäßen Knochenzemente eingesetzt werden. [0027] Damit werden Stoßwellen in einem Druckbereich von etwa 0,2 bis etwa 5 kbar, insbesondere von etwa 0,5 bis etwa 2 kbar erzeugt. Das Profil dieser Stoßwellen, die Halbwertsbreiten von etwa 10" bis etwa 10 Sekunden aufweisen, ist der Geometrie der Störkörper in der Weise /02560 [0028] - 8 - [0029] angepaßt, daß die Halbwertsbreite der Stoßwelle kleiner ist als die Dicke des Störkörpers und die Druckanstiegs¬ zeit etwa um den Faktor 10 kleiner ist als die Halbwerts¬ breite. Vorzugsweise werden Stoßwellen mit Rechteckpro- filen verwendet, die Druckanstiegszeiten von weniger als 10 -7 Sekunden aufweisen. [0030] Im Unterschied zu den bei der Harnstein-Zertrümmerung eingesetzten Geräten sind bei der Zerrüttung des er¬ findungsgemäßen Knochenzements keine aufwendigen und teuren Stereoröntgenortungs- und Patientenpositionier¬ ungssysteme erforderlich, sondern es wird für die erfin¬ dungsgemäße Aufgabe ein optisch-mechanisches Posi¬ tionierungssystem vorgesehen. Mit den in orthopädischen Kliniken verfügbaren Röntgen- und Ultraschalldiagnose- geraten wird die Lage des Knochenzementpfropfens im Röhrenknochen bestimmt und auf der Hautoberfläche markiert. Mit einer Dickenmessung des Binde- und Knochen¬ gewebes zwischen Hautoberfläche und Knochenzement über den Gesamtumfang der Gelenkendoprothese sind die vom Fokuspunkt der Stoßwellen zu überstreichenden Volumina eindeutig geometrisch zur Hautoberfläche festgelegt. Mit einer Optik, die entweder in das Stoßwellenerzeu- gungssystem integriert oder mit ihm auf einer Wechsel¬ schiene fest verbunden wird, kann der Fokuspunkt der Stoßwellen exakt in den zu zerstörenden Knochenzement positioniert werden. [0031] Eine ebenfalls kostengünstige Alternative zu dem optisch mechanischen Positionierungssystem ist ein in die Stoßwellenerzeugung integriertes Ultraschallortungs- System. - 9 - [0032] Durch eine extrakorporale Stoßwellenbehandlung des Knochenzementes eines Patienten kurz vor der Reopera¬ tion seines Implantates, ist die einfache und sichere Entfernung des Knochenzementes gewährleistet. [0033] Anstelle von Stoßwellen können jedoch auch Schallwellen im Ultraschallbereich, das heißt im Frequenzbereich MHz eingesetzt werden. Die Frequenz des Ultraschalls muß auf die Eigenfrequenz der akustischen Störkörper abge¬ stimmt sein. Über Resonanzeffekte der Störkörper erfolgt die Zerrüttung des Knochenzementes. In der Regel werden Frequenzen von etwa 1 bis etwa 100 MHz verwendet, bei einer Amplitude von etwa 0,1 bis etwa 10 bar. [0034] Die Verwendung von Ultraschall hat den Vorteil, daß Ultra¬ schallgeräte sehr viel preiswerter sind als Stoßwellen- gerate. Elektroden als teures Verbrauchsmaterial ent¬ fallen vollständig und die Druckamplituden sind etwa um den Faktor 1000 geringer. Außerdem könnte das Ultra¬ schallgerät für die Zerstörung des Knochenzements gleich¬ zeitig zur Ortung des Knochenzementpfropfens benutzt werden. Voraussetzung für die Verwendung von Ultraschall ist jedoch, daß alle Störkörper im wesentlichen die gleiche Resonanzfrequenz und somit die gleiche Geometrie besitzen. [0035] In jedem Fall wird jedoch durch eine Anwendung der ent- sprechenden Methode kurz vor der notwendigen Reoperation die Entfernung des Knochenzements erheblich erleichtert. /025 [0036] - 10 - [0037] Beispiel 1 [0038] Polymermatrix: Polymethylmethacrylat mit Antibiotika¬ zusatz [0039] Störkörper: Rotationsellipsoid, entstanden durch- Rota- tion einer Ellipse mit den Halbachsen 1 mm und 2 mm um die kleinere Achse, aus dem Material TiAl5Fe2 5 [0040] Stoßwelle: Druckbereich ≥ lkbar Druckanstiegszeit ≤ 10 -7 sek. Halbwertsbreite ≤ lθ"6 sek. [0041] Beispiel 2 [0042] Polymermatrix: Polymethylmethacrylat mit 1 Gew. % Gentamycin [0043] Störkörper: Chirurgischer Metallfaden in Form eines Netzes mit einer Maschenweite von etwa [0044] 5 mm und einer Fadendicke von etwa 200 μm. [0045] Stoßwelle: Druckbereich ~ 1 kbar Druckanstiegszeit ~ 10 —8 sec Halbwertsbreite ~ 10 -7 sec
权利要求:
Claims//Patentansprüche 1. Knochenzement auf der Basis von physiologisch ver¬ träglichen Polymeren, insbesondere von aus Präpoly¬ meren und Monomeren hergestellten Polyacrylaten und/oder Polymethacrylaten, dadurch gekennzeichnet, daß in das Polymere akustische Störkörper mit einem von dem des Polymeren .unterschiedlichen Schall¬ wellenwiderstand eingelagert sind. 2. Knochenzement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, daß der Schallwellenwiderstand der akustischen Störkörper sich von dem des Polymeren zumindest um den Faktor 1,5 unterscheidet. 3. Knochenzement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die akustischen Störkörper keine scharfen Kanten oder Spitzen haben. 4. Knochenzement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich¬ net, daß die akustischen Störkörper als rotations- ellipsoide, Zylinderscheiben mit abgerundeten Kanten oder Kugeln ausgebildet sind. 5. Knochenzement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich¬ net, daß die akustischen Störkörper als Fäden, Ge¬ flecht, Gewebe, Folie oder Platte ausgebildet sind. 02560 -/2 - 6. Knochenzement nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Störkörper aus • einem biokompatiblen Material bestehen, dessen Schallwellenwiderstand größer ist als der des Poly- meren, wie zum Beispiel TiAlςFe2 5, CoCrMo, Ta oder A1203. 7. Knochenzement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, daß die akustischen Störkörper aus einem Ma¬ terial bestehen, dessen Schallwellenwiderstand kleiner als der des Polymeren ist, wie zum Beispiel Gasbla¬ sen, die gezielt bei der Polymerisation freigesetzt wurden. 8. Knochenzement nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet/ daß die Störkörper eine Dicke von etwa 0,01 bis etwa 2 mm besitzen. 9. Knochenzement nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Störkörper in einer Menge von etwa 0,5 bis etwa 20 Vol. % enthalten sind. 10. Verfahren zur mechanischen Zerrüttung von auspoly- merisierten Kunststoffen, insbesondere von Knochen¬ zementen auf der Basis von physiologisch verträg¬ lichen Polymeren, insbesondere von aus Präpolymeren und Monomeren hergestellten Polyacrylaten und/oder - /3 - Polymethacrylaten, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aushärten des Polymeren akustische Störkörper mit einem von dem des Polymeren unterschiedlichen Schallwellenwiderstand eingelagert werden, und daß durch selektive Anregung der Störkörper durch akustische Wellen die Polymermatrix zerstört wird. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Schallwellen extrakorporal erzeugte fokus- sierte Stoßwellen eingesetzt werden. 12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Schallwellen Ultraschall mit auf die Eigen¬ frequenz der Störkörper abgestimmter Frequenz ein¬ gesetzt wird. 13. Verfahren nach Anspruch 10-12, dadurch gekennzeich- net, daß ein Knochenzement nach einem der Ansprüche 1-9 eingesetzt wird.
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同族专利:
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引用文献:
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法律状态:
1986-05-09| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): JP US | 1986-05-09| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE FR GB IT LU NL SE | 1986-06-19| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1985905616 Country of ref document: EP | 1986-10-29| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1985905616 Country of ref document: EP | 1990-03-14| WWG| Wipo information: grant in national office|Ref document number: 1985905616 Country of ref document: EP |
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