Die wissenschaftlichen Grundlagen des Gelenkersatzes Herausgegeben von S. A.V. Swanson und M. A. R. Freeman Ubersetzt von H. Krahl und H. Roesler Mit 81 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewYork 1979 S.A.V. Swanson, D Sc(Eng), PhD, DIC, ACGI, MIMechE, Professor of Biomechanics, Imperial College of Science and Technology, Department of Mechanical Engineering, Ex hibition Road, GB-London SW7 2BX M.A.R. Freeman, MD, MB, BCh, 'BA, FRCS, The London Hospital Medical College, University of London, Bone and Joint Research Unit, Arthritis and Rheumatism Council Building, 25-29 Ashfield Street, GB-London EI 2AD Übersetzer: Professor Dr. H. KrahI, Professor Dr. H. RoesIer, Orthopädische Klinik und Poliklinik der Universität Heidel berg, 6900 Heidelberg-Schlierbach Übersetzung aus dem Englischen. Originaltitel: The Scientific Basis of Joint Replacement © 1977 Pitman Medical Publishing ·Co. Ud., Tun· bridge Wells, Kent ISBN 978-3-642-51047-2 ISBN 978-3-642-51046-5 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-51046-5 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Die wissenschaftlichen Grundlagen des Gelenkersatzes hrsg. von S.A.V. Swanson u. M.A.R. Freeman. [Übers.: H. Krahl; H. Roesler]. - Berlin, Heidelberg, New York : Springer, 1979. Einheitssacht. : The scientific basis of joint replacement (dt). ISBN 978-3-642-51047-2 NE: Swanson, Sydney A.V. [Hrsg.];EST Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdruckes, der Ent nahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf pho tomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Daten verarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Bei Vervielfältigungen für gewerbliche Zwecke ist gemäß § 54 UrhG eine Vergütung an den Verlag zu zahlen, deren Höhe mit dem Verlag zu vereinbaren ist. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1979 Softcover reprint ofthe hardcover 1st edition 1979 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeich nungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kenn zeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- oder Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen. Satz: SatzStudio Pfeifer, Germering 2124/3321543210 Inhaltsverzeichnis Mitarbeiterverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. XI Danksagung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. XII Eine Einführung für den Chirurgen M.A.R. Freeman ............................. . Kapitell Materialeigenschaften B. Weightman ........................ . 3 1.1 Fundamentale Materialeigenschaften ....... . 3 1.1.1 Werkstoffprüfung im Zugversuch .......... . 3 1.1.2 Der Bruch ........................... . 5 1.1.3 Die Härteprüfung ...................... . 6 1.1.4 Materialermüdung ..................... . 6 1.1.5 Korrosion ........................... . 9 1.1.6 Korrosionsermüdung ................... . 11 1.2 Werkstoffe für den totalen Gelenkersatz .... . 12 1.2.1 Allgemeine Überlegungen ............... . 12 1.2.2 Statische mechanische Eigenschaften ...... . 15 1.2.3 Ermüdung ........................... . 15 1.2.4 Korrosion ........................... . 17 1.2.5 Korrosionsermüdung ................... . 19 1.2.6 Zusammenfassung ..................... . 20 Literatur ............................ . 21 Kapitel 2 Elasto mechanik B. Weightman ........................ . 23 2.1 Elementare Elastizitätstheorie ............ . 23 2.1.1 Zug und Druck ....................... . 23 2.1.2 Reine Biegung ........................ . 25 2.1.3 Überlagerung von Biegung und Scherung .... . 27 2.1.4 Überlagerung von Biegung und Kompression .. 29 2.1.5 Torsion ............................. . 29 2.1.6 Verbundwerkstoffe .................... . 31 2.1.6.1 Kompression ......................... . 31 2.1.6.2 Biegung ............................. . 33 2.1.6.3 Torsion ............................. . 34 2.1.7 Zusammenfassung ..................... . 35 v 2.1.7.1 Eindimensionaler Zug und Druck ......... . 35 2.1.7.2 Reine Biegung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.1.7.3 Torsion ............................. . 36 2.1.7.4 Überlagerung mehrerer Belastungen ....... . 36 2.1.7.5 Verbundwerkstoffe .................... . 37 2.2 Die experimentelle Bestimmung von Spannungen .......................... . 37 2.2.1 Beschichtung mit spröden Überzügen ...... . 37 2.2.2 Dehnungsmeßstreifen .................. . 39 2.2.3 Spannungsoptik ....................... . 39 2.3 Die Bestimmung von Spannungen in Gelenkprothesen .................... . 39 2.3.1 Der Stellenwert von theoretischen und experimentellen Spannungsuntersuchungen .. 39 2.3.2 Die Stiele von Prothesen für den totalen Hüftgelenkersatz ...................... . 41 2.3.2.1 Theoretische Überlegungen .............. . 41 2.3.2.2 Experimentelle Bestimmungen von Spannungen 44 2.3.2.3 Zusammenfassung und Folgerungen ....... . 48 2.3.3 Spannungsuntersuchungen an anderen Prothesenteilen ....................... . 49 Literatur ............................ . 52 Kapitel 3 Reibung, Schm ierung und Verschleiß B. Weightman ........................ . 54 3.1 Theoretische Grundlagen ................ . 54 3.1.1 Reibung ............................. . 54 3.1.2 Die verschiedenen Arten des Verschleißes ... . 57 3.1.3 Gesetzmäßigkeiten des Verschleißes ....... . 59 3.1.3.1 Verschleiß infolge von Adhäsion (adhesive wear) ....................... . 59 3.1.3.2 Verschleiß in folge von Abschleifvorgängen (abrasive wear) ........ . 60 3.1.3.3 Die P-V-Beziehung ..................... . 61 3.1.4 Schmierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .... . 62 3.1.5 Zusammenfassung ..................... . 63 3.1.5.1 Reibung ............................. . 63 3.1.5.2 Verschleiß. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.1.5.3 Schmierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.2 Der Verschleiß von Prothesen für den totalen Gelenkersatz ................ . 65 3.2.1 Qualitätsprüfungen mit einfachen Maschinen 65 3.2.1.1 Literaturübersicht ..................... . 67 3.2.1.2 Diskussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... . 70 3.2.1.3 Zusammenfassung ..................... . 73 3.2.2 Laboruntersuchungen mit Gelenksimulatoren .................... . 73 VI 3.2.2.1 Zus<lmmenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80 3.2.3 Die Prüfung aus dem Körper entfernter Prothesen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81 3.2.3.1 Literaturübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81 3.2.3.2 Diskussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 83 3.2.4 Klinische Ergebnisse. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84 3.2.4.1 Literaturübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84 3.2.4.2 Diskussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86 3.3 Die Anwendung der Verschleißtheorie bei der Konstruktion von Prothesen für den totalen Gelenkersatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 87 3.3.1 Der Einfluß der Femurkopfgröße auf den Verschleiß von Metall-Polymer-Hüftgelenk- totalprothesen ....................... " 88 3.3.1.1 Mathematische Beschreibung. . . . . . . . . . . . .. 88 3.3.1.2 Zusammenfassung und Folgerungen. . . . . . .. 93 3.3.2 Der Verschleiß von scharnierlosen Kniegelenktotalprothesen . . . . . . . . . . . . . . .. 94 3.3.2.1 Mathematische Beschreibung. . . . . . . . . . . . . 94 3.3.2.2 Diskussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 96 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Kapitel 4 Die gewebliche Beschreibung gegen Totalendoprothesen B. Vernon-Roberts und M.A.R. Freeman 100 4.1 Einführung ........................... 100 4.2 Die Reaktion des Knochens auf ein Implantat. 100 4.2.1 Die Morphologie der Übergangszone zwischen Knochen und Zement im Normalfall .... '. ... 100 4.2.2 Die Ursache für die Entstehung faserigen Bindegewebes zwischen Knochen und Zement lJ)9 4.2.2.1 Die Ursachen für die Knochennekrose ....... 109 4.2.2.2 Die Ursachen für den fibrösen Ersatz des nekrotischen Knochens .................. 110 4.2.3 Der direkte Kontakt zwischen Endoprothese und lebendem Knochen ................. 111 4.2.3.1 Techniken, durch die lebender Knochen in einen Dauerkontakt mit der Implantatober- fläche gebracht werden kann .............. 112 4.2.3.2 Der Einfluß der Implantatmaterialien auf den Dauerkontakt zum lebenden Knochen ... 115 4.2.3 .3 Zusammenfassung ...................... 116 4.3 Die "normale" Gewebereaktion auf Abrieb-Partikel und Korrosion ............ 117 4.3.1 Die Morphologie der Weichteilreaktion auf metallische, Polyäthy1en-und weitere nichtmetallische Partikel ................. 117 VII 4.3.2 Ultrastrukturelle und analytische Untersuchungen intrazellulärer kristalliner Substanzen in der Umgebung von Endoprothesen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 25 4.4 Die Bedeutung der Gewebereaktion auf Implantate und deren Abriebproduktion als Ursache von Komplikationen beim totalen Gelenkersatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 127 4.4.1 Lockerung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 128 4.4.1.1 Lockerung bei fehlender Gewebeüber empfindlichkeit auf Implantatmaterialien . . .. 128 4.4.1.2 Lockerung bei bestehender Gewebeüber empfindlichkeit auf Implantatmaterialien . . .. 133 4.4.2 Infektion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 139 4.4.3 Schmerzen bei fehlender Lockerung uno Infektion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 140 4.4.4 Neoplasie ........................ , .... 141 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 143 Kapitel 5 Mechanische Aspekte der Prothesenverankerung S.A.V. Swanson ........................ 146 5.l Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14 6 5.1.1 Anforderungen an die Prothesenverankerung . 146 5.1.2 Möglichkeiten für die Prothesenverankerung .. 146 5.1.3 Biologische Einschränkungen . . . . . . . . . . . .. 147 5.1.4 Auswirkungen der biologischen Einschränkungen auf die mechanische Konstruktion .......................... 148 5.2 Die Beeinflussung der Spannungen in der Grenzfläche durch die Prothesenkonstruktion. 148 5.2.1 Die Konstruktion von Gelenkflächen . . . . . .. 148 5.2.2 Die Konstruktion von Grenzflächen zwischen Prothese und Knochen .......... , 152 5.2.2.1 Druckspannungen durch Druckbelastungen .. , 152 5.2.2.2 Zugspannungen ........................ 153 5.2.2.3 Schubspannungen ...................... 154 5.2.2.4 Zusammenfassung und Folgerungen ........ 156 5.3 Die Verbindung zwischen Knochen und Prothese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 157 5.3.l Klebverbindungen ...................... 157 5.3.2 Preßsitz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 157 5.3.3 Schraubverbindungen ................... 157 5.3.3.1 Schrauben mit Scherbe1astungen .......... , 157 5.3.3.2 Schrauben mit Zugbelastungen ........... , 158 5.3.3.3 Schlußfolgerungen .................... " 159 5.3.4 Nut- und Federverbindungen .............. 159 5.3.5 Zementverbindungen ................... , 160 VIII 5.3.6 Verbindungen durch Formschluß zwischen Knochen und Implantat ................. 161 5.3.6.1 Die Notwendigkeit des Formschlusses . . . . . .. 161 5.3.6.2 Die Übertragung von Zug und Druck beim Formschluß. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 162 5.3.6.3 Die Übertragung von Scherung und Torsion beim Formschluß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 163 5.3.6.4 Praktische Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . .. 163 5.3.7 Das Einwachsen von Knochen. . . . . . . . . . . .. 164 5.3.7.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 164 5.3.7.2 Die mechanischen Bedingungen für das Einwachsen von Knochen. . . . . . . . . . . . . . .. 165 5.3.7.3 Festigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 166 5.3.7.4 Offene Fragen ......................... 167 5.3.8 Direkte chemische Verbindungen. . . . . . . . .. 168 5.4 Messungen der Verankerungsfestigkeit ...... 168 5.4.1 Hüftgelenkprothesen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 168 5.4.1.1 Stiele von Hüftgelenkprothesen . . . . . . . . . . .. 168 5.4.1.2 Hüftgelenkpfannen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 169 5.4.2 Kniegelenkprothesen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 70 5.4.3 Prothesen des oberen Sprunggelenkes. . . . . .. 171 5.4.4 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 172 5.5 Polymethylmethacrylat als Bindemittel. ..... 172 5.5.1 Grenzen des Polymethylmethacry1ats ....... 172 5.5.2 Festigkeitseigenschaften ................. 173 5.5.3 Beimengung von Antibiotika. . . . . . . . . . . . .. 174 5.6 Andere Knochenzemente . . . . . . . . . . . . . . .. 174 5.7 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 75 Literatur ............................. 176 Kapitel 6 Herstellung von Prothesenteilen S.A.V. Swanson. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 179 6.1 Das Anliegen dieses Kapitels .............. 179 6.2 Prothesenteile aus Metall. . . . . . . . . . . . . . . .. 179 6.2.1 Allgemeine Grundzüge der Herstellung . . . . .. 179 6.2.2 Herstellung von Legierungen im Großen . . . .. 180 6.2.3 Warmverformung von Stahl und Titan-Legierungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 180 6.2.4 Präzisionsformguß mit Kobalt-Chrom- Legierungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 181 6.2.5 Präzisionsformgebung ................... 182 6.2.6 Oberflächenendbearbeitung ............... 183 6.2.7 Kennzeichnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 183 6.2.8 Verpackung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 84 6.2.9 Hinweise für Konstrukteure und Anwender. .. 184 6.3 Pro thesen teile aus Kunststoff. . . . . . . . . . . .. 185 6.3.1 Die Natur der Kunststoffe. . . . . . . . . . . . . . .. 185 6.3.2 Der Fabrikationsprozeß. . . . . . . . . . . . . . . . .. 185 IX 6.3.3 Hinweise ............................. 186 6.4 Prothesenteile aus keramischen Werkstoffen.. 187 6.5 Poröse Prothesenteile ................. " 187 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 188 Kapite17 Normen, Prüfungen und Zulassung S.A.V. Swanson ...................... " 189 7.1 Vorbemerkungen ....................... 189 7.2 Fragen des Operateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 190 7.3 Eingeführte Konstruktionen, Werkstoffe und Herstellungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 191 7.3.1 Allgemeine Anforderungen ............. " 1 91 7.3.2 Konstruktionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 191 7.3.2.1 Spezifikationen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 191 7.3.2.2 Überwachung ......................... 191 7.3.3 Werkstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 192 7.3.3.1 Spezifikationen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 192 7.3.3.2 Überwachung ......................... 192 7.3.4 Herstellung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 193 7.3.4.1 Spezifikationen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 193 7.3.4.2 Überwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 193 7.4 Neue Konstruktionen, Werkstoffe und Herstellungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 193 7.4.1 Allgemeine Anforderungen. . . . . . . . . . . . . .. 193 7.4.2 Laborprüfungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 194 7.4.3 Die Aufstellung von Spezifikationen ........ 196 7.5 Organisation und Durchftihrung ......... " 197 Literatur ........................... " 199 Sachverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 201 x Mitarbeiterverzeichnis M.A.R. Freeman, MO, MB, BCh, BA, FRCS Consultant Ortopaedic Surgeon, The London Hospital, White Chapel, London EI, and The Bone and Joint Research Unit, Arthritis and Rheumatism Council Building S.A.V. Swanson, OSc (Eng), PhO, DIC, ACGI, MIMechE Professor of Biomechanics at Imperial College in the Univer sity of London Oirector, Biomechanics Unit, Imperial Col lege, London B. Vernon-Roberts, MO, PhO, MRCPath Professor of Pathology, University of Adelaide, and The Institute of Veterinary and Medical Science, Adelaide, South Australia B. Weightman, PhO, BSc (Eng) Lecturer in Mechanical Engineering, Imperial College, London XI