Load Carrier For A Bone Fixation System

  • Published: Jul 3, 2008
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Prof. Dr. Dietmar F. Wolter Zeichen: WOLD039PWO

Kraftträger für ein KnochenfixationsSystem

Die Erfindung betrifft einen Kraftträger für ein Knochenfi- xationssystem und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Fixationssysteme für Knochen mit einem Kraftträger und in den Kraftträger einsetzbaren und fixierbaren Knochenschrauben, beispielsweise Platten-, Nagel- und Fixateur-Systeme, werden verwendet um Knochenbruchstücke operativ miteinander zu verbinden.

Knochenschraube und Knochenplatte können dabei auch winkelstabil miteinander verblockt sein. Diese neue Generation von Implantaten, mit einer multidirektional winkelstabilen Verbindung zwischen dem Schraubenkopf und dem Knochenplattenloch, zeichnen sich durch eine höhere Leistungsfähigkeit bei gleichem oder geringerem Materialeinsatz aus.

Untersuchungen haben gezeigt, dass der Kraftfluss in diesen winkelstabilen Systemen dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kräfte nicht gleichmäßig von einem Knochenfragment über die Schrauben in die Knochenplatte und über die Platte und Schrauben auf das andere Knochenfragment übertragen werden, sondern dass die erste dem Bruch benachbarte Schraube und die das Plattenloch umgebenden Plattenanteile ca. 50-60 % der Gesamtkräfte und -lasten, die folgende, also zweite Schraube und die das Plattenloch umgebenden Plattenanteile 20-30 % und die nächste, also dritte Schraube und die das Plattenloch umgebenden Plattenanteile ca. 10 % übertragen.

Diese Tatsache ist deshalb von besonderer Bedeutung, weil bei Übernahme des bisher genutzten Plattendesigns ein Versagen des Systems im Bereich des ersten dem Bruch benach- harten Plattenloches droht und zwar in der Weise, dass entweder die Schraube im Halsbereich oder die Platte auf Höhe dieses ersten Loches sich verformt bzw. durch Überlastung oder Ermüdung bricht . Im europäischen Patent 1 211 994 Bl wird diese Problematik in der Weise gelöst, dass der Kraftträger eine Verstärkung in Form einer Verbreiterung oder einen Bereich mit festerem Werkstoff aufweist. Am stärksten ist dieses im Bereich des ersten, proximal an der Bruch- oder Instabilitätszone gele- genen Loches für die Knochenschraube, geringer im Bereich des zweiten, distal nachfolgenden Loches und am geringsten im Bereich des dritten, distal nachfolgenden Loches.

Weiterhin kann durch eine gleichzeitige Verdickung des Schraubenkernes und damit der Schraube reagiert werden, so dass die Belastungsfestigkeit der jeweiligen Plattenloch- Schrauben-Einheit eine Addition der Festigkeit der Platte und der Festigkeit der Schraube darstellt.

Der Nachteil liegt in einer größeren Dimensionierung und damit in einer stärkeren Abdeckung der Knochenoberfläche und in einem stärkeren Abheben der Weichteile, die über der Platte zu liegen kommen. Dieses ist gleichbedeutend mit einer Vergrößerung der OP-Wunde und somit auch mit einem größeren OP-Aufwand. Für bestimmte Einsatzgebiete, bei denen der Größe der Implantate anatomische Grenzen gesetzt sind, z.B. im Handbereich, sind die in der EP 1 211 994 Bl offenbarten Fixationssysteme, nicht zuletzt wegen der zusätzlichen Verbreiterung bzw. Verdickung des Kraftträgers, kaum einsetzbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftträger für ein Knochenfixationssystem zu schaffen, der die vorgenannten Nachteile weitestgehend vermeidet.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Kraftträger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart. Die Erfindung hat erkannt, dass ein einstückiger Kraftträger mit lokal unterschiedlichen Materialfestigkeiten in verschiedenen Bereichen des Kraftträgers bei gleich bleibender Materialelastizität im Hinblick auf den Kraftfluss am Implantat angepasst werden kann. Wird die Materialfestigkeit des Kraftträgers der jeweiligen an den verschiedenen Bereichen des Kraftträgers anliegenden Belastung der Bereiche angepasst, kann man auf die aus der EP 1 211 994 Bl bekannten Verbreiterungen und Verdickungen des Kraftträ- gerquerschnitts weitestgehend verzichten und die dadurch kleiner dimensionierten und dennoch verstärkten Kraftträger auch in kritischen Bereichen, beispielsweise für Handimplantate, verwenden.

Die Erfindung hat des Weiteren erkannt, dass sich für den Kraftträger besonders Kraftträger aus einem Metall oder einer Metalllegierung, vorzugsweise Titan oder einer Titanlegierung, eignen. Dieses Material lässt sich besonders gut in seinen Materialeigenschaften durch Materialverdichtung so verändern, dass daraus eine dem Kraft- und Lastfluss korrespondierende Festigkeitserhöhung des Kraftträgers bei gleich bleibender Elastizität resultiert. Die gleich bleibende Materialelastizität, d.h. die Fähigkeit einer einwirkenden Kraft einen mechanischen Widerstand entgegen zu setzen und nach dem Entlasten wieder seine Ausgangsform einzu- nehmen, ist ein wesentliches Merkmal für den Kraftträger.

Durch die gleich bleibende Elastizität, selbst in Bereichen mit erhöhter Materialfestigkeit, weist der erfindungsgemäße Kraftträger keine Bereiche mit erhöhter Materialspröde auf, die bei Belastung als erstes mit einem Versagen (Bruch) re- agieren würden.

Der erfindungsgemäße Kraftträger, der sich einerseits durch lokal unterschiedliche Materialfestigkeiten und andererseits durch eine gleich bleibende Materialelastizität auszeichnet, lässt sich durch Verformung eines Kraftträger- halbzeugs, welches in den Bereichen mit einer vorgesehenen hohen Materialfestigkeit des Kraftträgers ein größeres Materialvolumen aufweist, als in den Bereichen mit einer vor- gesehenen geringeren Materialfestigkeit in einem formgebenden Pressformwerkzeug, herstellen. Das Pressformwerkzeug weist ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug auf, zwischen denen das Kraftträgerhalbzeug verformt wird. Die mit dem Kraftträger beim Verformen in Kontakt tretenden Oberflächen des Oberwerkzeugs und des Unterwerkzeugs können plane Oberflächen oder Ein- oder Ausformungen aufweisen, die sich nach der Verformung in dem Pressformwerkzeug spiegelsymmetrisch in der Oberfläche des Kraftträgers, vorzugsweise in den Bereichen mit einer vorgesehenen hohen Materialfestig- keit, wiederfinden.

Zweckmäßigerweise ist die Verformung eine Kaltumformung, d.h. bei Metallwerkstoffen eine formgebende Umformung bei einer Temperatur deutlich unterhalb der Rekristallisations- temperatur, beispielsweise bei Raumtemperatur. Die dabei auf das Halbzeug in dem Pressformwerkzeug einwirkende Umformkraft verringert die Höhe und/oder Breite bzw. des Querschnitts des Halbzeugs in den Bereichen mit einer vorgesehenen hohen Materialfestigkeit. Dabei kann auf das Kraftträgerhalbzeug ein einachsiger Druck, wie er bei Stauchen auftritt, oder auch ein zweiachsiger Druck, wie er beim Walzen auftritt, aufgebracht werden. Letzteres hat bei der Verwendung eines Titanhaitigen Werkstoffs den Vorteil, dass sich neben der Verdichtung des Werkstoffs beim Walzen die Fasern in Walzrichtung ausrichten, was einen zusätzlichen Stabilitätsgewinn ermöglicht, da die Fasern durch eine vorgegebene Walzrichtung gezielt in Richtung der Hauptbelastungsachse des Kraftträgers ausgerichtet werden können.

Der erfindungsgemäße Kraftträger weist zweckmäßigerweise mindestens zwei benachbarte Löcher zur Aufnahme von Knochenschrauben auf. Die Löcher sind vorzugsweise mit einem für eine Verblockung mit einer Knochenschraube geeignetem Mittel, vorzugsweise einer Materiallippe, versehen. Dies lässt sich in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines solchen Kraftträgers bereits bei der Verformung des Kraftträgerhalbzeugs berücksichtigen, indem das Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug Aufnahmen, vorzugsweise Bohrungen, aufweisen, die eine wesentliche Materialverfes- tigung in den Bereichen des Kraftträgerhalbzeugs verhindern, die den Aufnahmen bei der Verformung in Schritt b) gegenüberliegen und in denen einzubringende Löcher für die Befestigung des Kraftträgers an dem Knochen vorgesehen sind.

Durch die für die Knochenschrauben vorgesehen und weitest- gehend nicht materialverfestigten Bereiche lassen sich die entsprechenden Löcher bohren und in dem Randbereich der Löcher mit einem Mittel für die Verblockung mit den Knochenschrauben, beispielsweise einer Materiallippe, versehen.

Wie eingangs erwähnt, sind neben dem die Bruch- oder Insta- bilitätszone überbrückenden Bereich des Kraftträgers insbesondere die Bereiche an den ersten Löchern des Kraftträgers an der Bruch- oder Instabilitätszone besonders anfällig für einen Bruch. Über diesen Bereich werden ca. 50-60% der Gesamtkräfte und - lasten übertragen. Gemäß einer be- vorzugten Ausführungsform der Erfindung weist dieser besonders stark beanspruchte Bereich eine erhöhte Materialfestigkeit auf. Diese ist vorzugsweise in dem am stärksten belasteten Bereich um mindestens 40%, vorzugsweise um mindestens 60%, weiter vorzugsweise um mindestens 80% gegenüber der Materialfestigkeit in diesem Bereich vor der Verformung erhöht .

An gegebenenfalls weiteren distal von den ersten Löchern gelegenen Löchern braucht der Kraftträger keine Bereiche erhöhter Materialfestigkeit aufzuweisen. Da man jedoch davon ausgehen kann, dass wie eingangs erwähnt, der Kraftträger auch an den folgenden Löchern eine höhere Belastung aufnehmen muss, weist auch das nächstfolgende Loch und dass gegebenenfalls weitere nächstfolgende Loch in den Bereichen an den Löchern eine erhöhte Materialfestigkeit auf, die entsprechend der Belastung dieser Bereiche mit zunehmenden Abstand von der Bruch- oder Instabilitätszone des Knochens abnimmt. So ist beispielsweise bei einem Kraftträger die Materialfestigkeit in dem Bereich an dem zweiten Loch nur etwa halb so stark, wie die Materialfestigkeit in dem Bereich an dem ersten Loch und die Materialfestigkeit in dem Bereich an dem dritten Loch ist höchstens halb so stark, wie die Materialfestigkeit in dem Bereich an dem zweiten Loch. Zweckmäßigerweise ändert sich die Materialfestigkeit in dem Kraftträger bei dem Übergang von Bereichen erhöhter Materialfestigkeit in Bereiche geringerer Materialfestigkeit fließend.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der anliegenden

Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße 6-Loch-Knochenplatte in der Draufsicht;

Fig. 2 ein 6-Loch-Knochenplattenhalbzeug im Längsschnitt;

Fig. 3 ein 6-Loch-Knochenplattenhalbzeug im Längsschnitt nach der Verformung; Fig. 4 eine erfindungsgemäße 6-Loch-Knochenplatte im Längsschnitt ;

Fig. 5 eine gehärtete Pressform für eine 6-Loch-

Knochenplatte, die auf ein Knochenplattenhalbzeug einwirkt; Fig. 6 einen Querschnittsausschnitt aus Figur 5 bei der Umformung;

Fig. 7 einen Querschnittsausschnitt des Knochenplattenhalbzeugs nach der Umformung;

Fig. 8 ein Querschnittsausschnitt durch ein Loch einer verfestigten 6-Loch-Knochenplatte .

Figur 1 zeigt eine 6-Loch-Knochenplatte 1, wie sie aus dem 6-Loch Knochenplattenhalbzeug 5, wie in Figur 2 darge- stellt, erhalten werden kann. Die Knochenplatte 1 weist jeweils ein Paar Löcher 2, 3 und 4 auf. Davon ist das Plattenloch 2 proximal, das Plattenloch 4 distal und das Plattenloch 3 zwischen den Plattenlöchern 2 und 4 in Bezug auf die Bruch- oder Instabilitätszone eines Knochens angeordnet. Um das Loch 2 hat die Knochenplatte 1 einen Bereich mit erhöhter Materialfestigkeit, um das Loch 3 einen Bereich geringerer Materialfestigkeit und um das Loch 4 einen Bereich noch geringerer Materialfestigkeit gegenüber dem Bereich um das Loch 2. Die Materialfestigkeit dieser Bereiche entspricht ihrer Lastübertragung, die in dem Bereich um das Plattenloch 2 ca. 50-60%, in dem Bereich um das Plattenloch 3 ca. 20-30% und in dem Bereich um das Plattenloch 4 ca. 10% beträgt. Die Stärke der Materialfestigkeit ist durch die entsprechende Stärke der Schattierung schematisch dargestellt. In den Bereichen mit starker Schattierung ist die Materialfestigkeit am stärksten. Die Knochenplatte 1 weist eine plane Ober- und Unterseite auf. Die unterschiedliche Materialfestigkeit der Bereiche der Knochenplatte 1 entspricht dem in diesen Bereichen bei dem Knochenplattenhalbzeug 5 vorliegendem Materialvolumen vor dem Pressvorgang zur Materialverdichtung, wie in Figur 2 dargestellt. Wie aus dem seitlichen Schnittbild des Knochenplattenhalbzeugs 5 in Figur 2 ersichtlich, weist das Knochenplatten- halbzeug 5 unterschiedliche Dicken und Löcher auf. Das Knochenplattenhalbzeug 5 kann durch ein Formgebendes Pressformwerkzeug mit planen Flächen ober- und unterseitig plan geformt werden, so dass ein Teil des Materials bei der Verformung in die Löcher des Knochenplattenhalbzeugs 5 hinein- fließt.

Das nach der Verformung erhaltene Knochenplattenhalbzeug 5 ist in Figur 3 dargestellt. Das in die Löcher bei der Verformung hinein geflossene Material ist nicht wesentlich verfestigt, so dass hieraus in einer Nachbearbeitung ein weiche Materiallippe 7 zum Umformen und Schraubenkopf- verblocken herausgearbeitet werden kann, wie in Figur 4 dargestellt. Figur 5 zeigt ein weiches Knochenplattenhalbzeug 5, auf das ein eine gehärtete Pressform mit Löchern in Pfeilrichtung aufgepresst wird. Bei dem Pressvorgang fließt das weiche Material des Knochenplattenhalbzeugs 5 in die Löcher des Formwerkzeugs zurück.

Figur 6 zeigt im Ausschnitt den Materialrückfluss in die Löcher beim Aufpressen der Pressform auf das weiche Knochenplattenhalbzeug 5 unter Bildung des in Figur 7 ersichtlichen Materialpilzes am umgeformten Knochenplattenhalbzeug 5.

Figur 8 zeigt den Bereich des Materialpilzes aus Figur 7, der nachbearbeitet wurde. Das weiche Material des Materialpilzes dient als Material der Lochwand der Knochenplatte 1, aus dem eine horizontale Materiallippe 7 und ein ringförmi- ger Wall 6 um das Loch 2, 3, 4 herausgearbeitet wurde. Der ringförmige Wall 6 erhöht die Festigkeit im Lochbereich und schirmt den Schraubenkopf (nicht dargestellt) gegenüber dem aufliegendem Gewebe (nicht dargestellt) ab, damit dieses nicht durch scharfe Teile des Schraubenkopfes irritiert wird.

Patentansprüche

1. Kraftträger (1) für ein Knochenfixationssystem, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftträger (1) lokal unterschiedliche Materialfestigkeit bei gleich bleibender Materialelastizität aufweist.

2. Kraftträger (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lokal unterschiedliche Materialfestigkeit der jeweiligen Belastung dieser Bereiche entspricht .

3. Kraftträger (1) nach Anspruch 1 oder 2 einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftträger (1) zwei benachbarte Löcher (2) zur Aufnahme von Knochenschrauben aufweist, die auf verschiedenen Seiten einer Bruch- oder Instabi- litätszone eines Knochens anzuordnen sind und der Kraftträger (1) in den Bereichen an den benachbarten Löcher (2) oder in den Bereichen an den benachbarten Löcher (2) und dem die Bruch- oder die Instabilitätszone überbrückenden Bereich zwischen den benachbarten Löchern (2) eine lokal erhöhte Materialfestigkeit aufweist.

4. Kraftträger (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftträger (1) mindestens ein weiteres Loch (3) aufweist, welches gegenüber den ersten benachbarten Löchern (2) distaler von der Bruch- oder Instabilitätszone des Knochens angeordnet ist.

5. Kraftträger (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftträger (1) in dem Bereich an dem weiteren Loch (3) ebenfalls eine erhöhte Materialfestigkeit durch Materialverdichtung auf- weist, diese jedoch geringer, vorzugsweise nur etwa halb so stark, wie die Materialfestigkeit im Bereich an den ersten benachbarten Löchern (2) ist.

6. Kraftträger (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftträger (1) mindestens ein weiteres Loch (4) aufweist, das gegenüber dem zweiten Loch (3) distaler von der Bruch- oder Instabilitätszone des Knochens angeordnet ist und vorzugsweise in dem Bereich an dem weiteren Loch

(4) ebenfalls eine erhöhte Materialfestigkeit durch Materialverdichtung aufweist, diese jedoch geringer, vorzugsweise höchstens halb so stark, wie die Materialfestigkeit im Bereich an dem zweiten Loch (3) ist.

7. Kraftträger (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochwand der Löcher (2, 3, 4) in dem Kraftträger (1) mit einem für eine Verblockung mit einer Knochenschraube geeigneten Mittel (7), vorzugsweise einer Materiallippe, versehen ist.

8. Kraftträger (1) nach einem der vorangehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftträger (1) eine Knochenplatte, ein Knochennagel oder ein Fixateur ist.

9. Kraftträger (1) nach einem der vorangehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite und/oder die Unterseite des Kraftträgers (1) plan ist.

10. Kraftträger (1) nach einem der vorangehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftträger (1) aus einem Metall oder einer Metalllegierung, vorzugsweise Titan oder einer Titanlegierung, ist .

11. Verfahren zur Herstellung eines Kraftträgers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit den folgenden Schritten:

a) Bereitstellung eines Kraftträgerhalbzeugs

(5), welches in den Bereichen mit einer vorgesehenen hohen Materialfestigkeit des Kraftträgers (1) ein größeres Materialvolu- men aufweist, als in den Bereichen mit einer vorgesehenen geringeren Materialfestigkeit;

b) Verformung des Kraftträgerhalbzeugs (5) mittels eines Formgebenden Pressformwerkzeugs.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich in Schritt b) die Fasern eines im Kraftträgerhalbzeug (5) enthaltenden faserigen Materials, zumindest teilweise in Richtung der Hauptbelastungsachse des Kraftträgers (1) ausrichten.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung durch Pressen im Wege der Kaltverformung, vorzugsweise bei Raumtemperatur, erfolgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die Höhe des Kraftträgerhalbzeugs (5) in den Bereichen mit einer vorgesehenen hohen Materialfestigkeit senk- recht zur Umformkraft verringert wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftträgerhalbzeug (5) zwischen einem die Form des Kraftträgers vorge- benden Oberwerkzeug und Unterwerkzeug verformt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug Auf- nahmen, vorzugsweise Bohrungen, aufweisen, die eine wesentliche Materialverfestigung in den Bereichen des Kraftträgerhalbzeugs (5) verhindern, die den Aufnahmen bei der Verformung in Schritt b) gegenü- berliegen und in denen einzubringende Löcher (2, 3, 4) für die Befestigung des Kraftträgers (1) an dem Knochen vorgesehen sind.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt c) die Bereiche, welche den Aufnahmen bei der Verformung in Schritt b) gegenüberliegen und in denen Löcher für die Befestigung des Kraftträgers (1) an dem Knochen vorgesehen sind, gelocht werden und vorzugsweise der nicht materialverfestigte Lochrand mit einer für eine Verblockung mit einer Knochenschraube geeigneten Mittel (7) versehen wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das für eine Verblockung mit einer Knochenschraube geeignete Mittel eine Materiallippe (7) ist.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, da- durch gekennzeichnet, die Ober- und/oder Unterseite des Kraftträgerhalbzeugs (5) durch eine entsprechende Oberfläche des Oberwerkzeugs und/oder Unterwerkzeugs einseitig oder zweiseitig plan geformt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberwerkzeug und/oder das Unterwerkzeug Ein- oder Ausformungen, vorzugsweise in den korrespondierenden Bereichen des Kraftträger (1) mit einer vorgesehenen hohen

Materialfestigkeit, aufweisen, die sich spiegelsymmetrisch in der Oberfläche des gepressten Kraftträgers (1) abbilden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftträger (1) nach dem Verformungsschritt b) mindestens einen Bereich aufweist, in dem die Materialfestigkeit um mindes- tens 40%, vorzugsweise um mindestens 80% gegenüber der Materialfestigkeit in diesem Bereich vor der Verformung erhöht ist.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftträger (1) nach dem Verformungsschritt b) mindestens einen weiteren zweiten Bereich aufweist, in dem die Materialfestigkeit geringer, vorzugsweise höchstens halb so stark gegenüber dem ersten Bereich, und höher gegenüber der Materialfestigkeit in diesem Bereich vor der Verformung ist.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftträger (1) nach dem Verformungs- schritt b) mindestens einen weiteren dritten Bereich aufweist, in dem die Materialfestigkeit geringer, vorzugsweise höchstens halb so stark, gegenüber dem zweiten Bereich und höher gegenüber der Materialfestigkeit in diesem Bereich vor der Ver- formung ist.

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