EP1699388A1 - Bandscheibenimplantat - Google Patents

Bandscheibenimplantat

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EP1699388A1
EP1699388A1 EP04803009A EP04803009A EP1699388A1 EP 1699388 A1 EP1699388 A1 EP 1699388A1 EP 04803009 A EP04803009 A EP 04803009A EP 04803009 A EP04803009 A EP 04803009A EP 1699388 A1 EP1699388 A1 EP 1699388A1
Authority
EP
European Patent Office
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intervertebral disc
base plate
cover plate
intervertebral
implant according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04803009A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Henning Kloss
Kilian Kraus
Björn Schäfer
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Original Assignee
Individual
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    • A61F2310/00592—Coating or prosthesis-covering structure made of ceramics or of ceramic-like compounds
    • A61F2310/00856—Coating or prosthesis-covering structure made of compounds based on metal nitrides
    • A61F2310/0088—Coating made of titanium nitride

Definitions

  • the present invention relates to an artificial intervertebral disc, which is designed such that the degrees of freedom of movement of a natural intervertebral disc are imitated as best as possible.
  • the spine represents the physical center of movement of the human body. It bears the body weight, is capable of complex movements and is able to intercept and balance the forces acting on it.
  • the human spine consists of a total of 24 vertebrae, the sacrum and the coccyx.
  • the individual eddies are through
  • the spine is divided into five sections, namely the cervical spine (7 cervical vertebrae, C1 - C7), the thoracic spine (12 thoracic vertebrae, Th1 - Th12), the lumbar spine (5 lumbar vertebrae, L1 - L5), the sacrum and the coccyx ,
  • Each vertebra consists of a bony vertebral body, a vertebral arch that spans the spinal cord, a transverse process on each side and a posterior spinous process.
  • US 2002/0128715 A1 discloses an artificial intervertebral disc which consists of a deformable, elastic inner body which can be deformed within certain predefined limits and is surrounded by a rigid outer skeleton. This artificial intervertebral disc achieves the natural degrees of freedom of movement through a predetermined, limited deformation of the inner body.
  • the object of the present invention is to provide an intervertebral disc implant which achieves a maximum of anatomical compatibility and imitates the degrees of freedom of movement of a natural intervertebral disc in the best possible way even under permanent load and can thus permanently replace a natural intervertebral disc.
  • the present invention relates to an intervertebral disc implant, which is characterized in that the center of gravity of the joint can be changed in the same way as a natural vertebral segment during a rotation and / or flexion movement.
  • the complex movement of a vertebral segment can be represented, for example, by moving the current movement center (ICR). Since the intervertebral disc implants according to the invention are natural
  • the invention can be expressed simply by the fact that the intervertebral disc implants according to the invention allow the movements which are possible in a natural vertebral segment.
  • One of these physical quantities is the current movement center or the migration of the current movement center.
  • the intervertebral disc implants described herein allow the current movement center to be moved, as is also not possible in the case of natural vertebral segments in the intervertebral disc implants of the prior art.
  • the degrees of freedom of movement of a vertebral joint are diverse, which results in complex movement possibilities and complex movement patterns.
  • the movement of a vertebral segment can be described as an immediate rotational movement around and a direct translational movement along an axis in space, the so-called IHA (Instantaneous Helical Axis).
  • the parameters of the current position of the screw axis (IHA), angle of rotation, direction and position of the IHA and screw pitch must be taken into account.
  • the segmental mobility can be represented by an immediate spiral surface.
  • the external parameters of the force system can be kept constant as functions of time, namely force, torque, direction and position of the force action line.
  • the curve shown in FIG. 2 results, for example, for an L3 / 4 vertebral segment.
  • the axial rotation of the flexed vertebral segment is kinematically limited.
  • the sagittal joints create a mechanical guide, which forces the IHA to move backwards with increasing rotation (see Fig. 2).
  • This increases the area moment of inertia with respect to the IHA and thus the rotational stiffness of the vertebral segment, so that a further increase in the torque causes a decreasing increase in the angle.
  • the IHA runs in a ventral arch from one joint to another (see curve 1 in FIG. 2), while in extension the IHA moves on a dorsal arch (see curve 2 in FIG. 2).
  • Hikes of 40 mm to more than 60 mm can be covered.
  • the IHA is again in the center of the intervertebral disc (see black area at number 3 in Fig. 2).
  • intervertebral disc implants Such kinematic movements are not possible with the conventional intervertebral disc implants of the prior art. According to the invention, however, the intervertebral disc implants described herein permit such translational movements. Thus, the intervertebral disc implants according to the invention allow movement of the IHA as is the case with a natural intervertebral disc.
  • the migration that is possible with a natural vertebra segment is accomplished in the embodiments according to the invention in that the intervertebral disk is mounted on the base plate so as to be translatable.
  • the screw axis (IHA) is capable of migrating like a natural vertebral segment.
  • the screw axis (IHA) in the intervertebral disc implants according to the invention can thus move along a ventral or dorsal arch.
  • the IHA takes into account the translational and rotary motion sequences when the pivot point of the motion is constantly changing (ICR: Instantaneous Center of Rotation) and is thus able to describe the motion continuously. Recording the segmental movements between two rigid vertebral bodies with the IHA allows the true axis of rotation to be displayed. This is one way, the complex three-dimensional
  • Connecting lines represent the hike of the rotation center.
  • the same movement patterns as with a natural vertebral segment are also possible with the artificial vertebral segment according to the present invention.
  • This best possible imitation of the natural movement patterns, i.e. of the centrode pattern are made possible by the inventive storage of the intervertebral disk on the base plate.
  • ICR Intelligent Center of Rotation
  • planar rotational movement i.e. the rotational movement of a planar body in a plane
  • the movement of the individual areas of this planar body can be represented as a rotational movement about a rotation axis running perpendicular to this plane.
  • the axis of rotation intersects the plane at a certain point, the ICR.
  • the spatial position of certain points on this planar body can now be defined, for example, by their speeds. If, for example, the speed of two points A and B is known and these two points do not lie on top of one another (see FIG. 4a), the ICR can be determined by a point perpendicular to the speed vector of point A [v (A)] Straight line and perpendicular to the speed vector of point B [v (B)] through point B determines a second straight line and the intersection of both straight lines. The intersection of both lines is the ICR.
  • ICR Instantaneous Axis of. Rotation designates an axis about which the body rotates in a current view, where no translation takes place, in the case of a body which performs rotational and translation movements in one plane.
  • the current movement center has a characteristic course in flexion and extension, as shown for example in FIG. 5.
  • the paradoxical accompanying rotation in a e.g. Rightward inclination of a vertebral segment usually leads to left rotation, with the spinous processes shifting to the right.
  • intervertebral disc implants according to the invention enable both
  • the invention consists in providing intervertebral disc implants which enable the ICR to move like a natural vertebral segment.
  • This moving movement is made possible by a movable mounting of the intervertebral disk on the base plate, which is described in detail below.
  • the artificial intervertebral disc according to the invention is preferably constructed in three parts.
  • the center piece of the intervertebral disc implant forms an intervertebral disc, which is preferably mounted on the base plate in such a way that both translational and rotational movements are possible.
  • the storage of the intervertebral disk on the base plate in such a way that translational movements of the intervertebral disk and base plate are possible relative to one another can be realized in different ways.
  • One possible implementation includes the use of fasteners. Pins, bulges, brackets, pins, flanges and the like, as well as other conceivable means for restricting the translational movement of the intervertebral disk on the base plate, which are preferably attached to the base plate, are suitable as fastening means.
  • the base plate can have a preferably centered guide and / or locating pin, which extends in the direction of the torsion axis.
  • the guide and / or locating pin can also be attached decentrally, for example in a dorsally or ventrally offset manner.
  • This pin preferably has a diameter of 2 to 15, preferably 3 to 12 mm, more preferably 5 to 10 mm and particularly preferably 6 to 9 mm and a height of 1 to 5 mm, preferably 2 to 4 mm and in particular preferably from 3-4 mm.
  • a pin preferably has a cylindrical or conical shape, although ellipsoidal shapes can generally be used.
  • a single pin should be largely centered on the base plate.
  • the intervertebral disk has a cutout suitable for receiving this pin or the fastening means, this cutout having a larger diameter than that of the pin.
  • a recess is preferably O-shaped to ellipsoidal, but can also be designed in a circular shape. In the O-shaped or ellipsoidal configuration, the radius in the lateral direction is smaller than the radius in the anteflexion and retroflexion direction.
  • the radius of the recess in the anteflexion and retroflexion direction is preferably from one to three times the length of the radius of the pin.
  • the radius of the recess in the lateral direction is the same size or up to twice as large as the radius of the pin.
  • the vortex washer on the base plate can preferably move from a centered position 0 to 10 mm, preferably 1-6 mm, further preferably 2-5 mm and particularly preferably 3-4 mm in the lateral direction and Move 2 to 15 mm, preferably 3 to 10 mm, more preferably 4 to 7 mm and particularly preferably 5 to 6 mm in the anteflexion as well as in the retroflexion direction. This information relates to the total distance from one extreme position to another. Half the lengths are covered starting from a centered position to an extreme position.
  • a fastening means in the form of a pin which is largely centered on the base plate does not restrict the rotational movement of the intervertebral disk on the base plate.
  • the rotational movement about the torsion axis is determined by the natural conditions and / or by additional fasteners.
  • Such fasteners are preferably attached to the base plate. If the rotation is not technically limited to the implant, the free rotation is of course limited by the physiologically existing structures.
  • the intervertebral disk implant according to the invention permits rotational movements of up to 3 degrees, preferably of 1-2 degrees and particularly preferably of approximately 1.5 degrees in both directions.
  • the fastening means can not only consist of a pin, pin, flange or the like, but can also comprise two or more of these fastening means.
  • fasteners are preferred which are completely covered by the intervertebral disk. Lateral boundaries on the base plate or on the edge of the base plate in the form of, for example, edges, brackets, beads, splints or the like are less preferred, since these represent a point of attachment for tissue and can be overgrown with trade and / or cartilage, as a result of which the mobility of Vortex washer on the base plate is restricted again.
  • fasteners that are completely covered i.e. are not accessible to tissues, cartilage and muscles.
  • the fastening means are completely concealed if they lie, for example, inside the implant, for example are covered by the intervertebral disk.
  • Another preferred embodiment comprises two pins, which are preferably offset on the base plate in a dorsally or ventrally offset manner.
  • the intervertebral washer has two recesses which have a larger diameter than the diameter of a pin. This allows the intervertebral disc to move within the
  • the base plate which is limited by the brackets attached to the side of the base plate, is larger than the surface area of the base plate of the swirl intermediate plate, so that the intermediate plate of the swivel plate can perform translational and / or rotational movements on the base plate or relative to the base plate, specifically within the scope of side brackets.
  • Such holders can be, for example, a solid or interrupted bead on the edge or a raised edge.
  • the vortex washer does not have to be as in FIGS. 7 and. 8 shown, have a round or cylindrical shape, but can take any common shapes from oval to angular, angular to banana-shaped, flat to hump-shaped, asymmetrical to square or rectangular.
  • the vortex washer may be tapered, i.e. change their thickness and taper in particular in the dorsal direction.
  • Possible basic forms of intervertebral washer are disclosed, for example, in European patent EP 0 505 634 B1 as FIG. 2 and FIG. 3 (a) - (e).
  • the possible basic shapes of the intervertebral disk also do not need to have a uniform thickness, so that the intervertebral disk can also have different thicknesses at different points, which can be, for example, 3 mm, 6 mm, 9 mm or 12 mm. Furthermore, the intervertebral disk is preferably not deformable.
  • a preferred embodiment comprises intervertebral disc implants in which the cover plate is mounted on the intervertebral disc in such a way that the articulating surface of the intervertebral disc as well as the articulating surface of the cover plate each lie on an ellipsoidal partial surface.
  • Articleating surface is to be understood as the surface of the intervertebral disk or the surface of the cover plate, which can come into contact with the other surface during the possible movements.
  • the contact surface is to be understood as the area where both parts come into contact with each other at a certain frozen position of the intervertebral washer and cover plate.
  • the articulating surface of the intervertebral disk is the entire surface of the intervertebral disk, which can come into contact with the surface of the cover plate in all possible positions of the intervertebral disk relative to the cover plate.
  • the articulating surface of the cover plate is the entire surface of the cover plate, which can come into contact with the surface of the swirl intermediate plate in all possible positions of the cover plate relative to the swirl intermediate plate.
  • a denotes the radius in the direction of the x-axis (anteflexion-retroflexion axis), b in the direction of the Y-axis (torsion axis) and c the radius in the direction of the Z-axis (lateral axis).
  • a denotes the radius in the direction of the x-axis (anteflexion-retroflexion axis)
  • b in the direction of the Y-axis (torsion axis)
  • c the radius in the direction of the Z-axis (lateral axis).
  • the radii (a, b and c; or a and c; or a) of the ellipsoid surface or the spherical surface on which the articulating surfaces of the cover plate lie are of the same size as the radii (a ⁇ b 'and c'; or a 'and c'; or a ') of the ellipsoidal surface or the spherical surface on which the articulating surfaces of the intervertebral disc lie.
  • the articulating surface of the cover plate lies on a spherical surface cutout and the articulating surface of the intervertebral disk also lies on a spherical surface cutout, furthermore particularly preferably both spherical surface cutouts having the same radius.
  • the radii increase according to the size of the intervertebral disc implant.
  • Intervertebral disc implants for the lumbar area have radii of 25 - 45 mm, for the throacial area of 20 - 40 mm and for the cervical area of 15 - 35 mm.
  • the contact area is at least an area of 400 mm 2 , preferably of at least 450 mm 2 , more preferably of at least 500 mm 2 and particularly preferably of at least 550 mm 2 . It should also be taken into account here that the contact area depends on the size of the implant and that larger intervertebral disc implants also have a larger contact area. Contact areas of this size distribute the mechanical load on the intervertebral disc and lead to a longer service life of the implant.
  • This configuration according to the invention maximizes the contact area between the cover plate and the intervertebral washer even in the case of complex movements, since it is not a point-like or linear contact area, but a spherical contact area that is obtained.
  • the articulating surface of the cover plate can be made convex or plano-convex and the surface of the swirl intermediate plate that is articulated with the cover plate can be concave or plano-concave (see FIG. 10) or the articulated surface of the cover plate becomes concave or plano-concave and that with the cover plate Articulating surface of the intervertebral disc is convex or plano-convex (see Fig. 11).
  • the first-mentioned embodiment is preferred.
  • the radii of the spherical surface cutouts on which the articulating surfaces of the intervertebral disk and cover plate lie are largely identical.
  • a preferred embodiment of the intervertebral disc implant thus comprises a base plate, a vertebral intermediate disc and a cover plate, the intervertebral disc being mounted on the base plate in such a way that translational and / or rotational movements are possible and the cover plate is supported on the intervertebral disc so that the articulating surface of the intervertebral disc is as the articulating surface of the cover plate also lies on an ellipsoidal partial surface, preferably a spherical surface.
  • the cover plate can also be inclined up to 20 degrees relative to the base plate, starting from a position parallel to one another.
  • cover and base plates are preferred which are tapered, as shown in FIG. 10.
  • the top and base plates are thicker on their ventral side than on their dorsal side in order to better reproduce the natural shape of a vertebral segment.
  • Cover plate or base plate or cover and base plate are preferably twice as thick on their ventral side as on the dorsal side.
  • the cover plate or base plate or cover and base plate have a gradient of 3%, preferably 6% and particularly preferably 8% from the dorsal to the ventral end. It is particularly preferred if the sides of the cover plate and base plate facing each other have no bevel and only the sides of the cover plate and base plate facing away from one another are beveled.
  • either only the base plate or only the cover plate is tapered.
  • the bevel of the cover plate and / or base plate can be up to 10 degrees, preferably 2 to 8 degrees (ventrally wide and tapering dorsally). It is further preferred if, according to the curvature of the spine, the angle of the cover plate and / or the base plate is adapted to the physiological conditions, the cover plate preferably having a different degree of angle in the cranial (towards the head) direction than the base plate in the caudal direction (towards the foot) direction.
  • the spine describes from viewed from the side, a double S (kyphosis / lordosis).
  • the vertebral bodies are at an anteriorly open angle to each other.
  • the implant with its cover and base plates should be adaptable to these vertebral bodies which are at an angle to one another.
  • the background here is to ensure an ideal application of force to the implant, to minimize the risk of luxation of the intervertebral disc and to adjust the band structures of the spine according to the physiology. These aspects would of course benefit the longevity of the implant. If the intervertebral disc compartment is filled in accordance with the anatomical structures and if the intervertebral disc is ideally loaded, the wear on the polyethylene of the intervertebral disc is reduced. There one
  • Vortex washer made of polyethylene or other plastics is most exposed to wear, a particularly preferred embodiment of the present invention uses a vortex washer made of metal, optionally coated with a ceramic coating.
  • the base plate and the cover plate have a convex curvature of the surface facing the bone.
  • the convex curvature of the cover plates towards the bone is particularly preferred, since the vertebral bodies also have a curvature (concave) and can thus prevent sintering of the implant in the bone.
  • the advantages would be that the bone trabecular structure would be loaded according to the physiology, that there would be more space for the bone to grow and that the risk of dislocation of the implant would be reduced.
  • the convexity is preferably in a range of 1-5 mm, i.e. at the highest point the elevation is up to 5mm.
  • intervertebral washer and base plate can be moved relative to one another.
  • Intervertebral disc implant is designed in such a way that the intervertebral disc is mounted on the base plate in such a way that the intervertebral disc can be rotated a few degrees in the horizontal plane around the axial torsion axis.
  • the movement of the base plate and cover plate relative to one another is comparable to a movement of two identical parallel plates, between which there is an ellipsoid and ideally a ball, the respective plate touching the ellipsoid or the ball in the center of the plate.
  • the movement of the plates towards one another is comparable to the movement of the base plate and cover plate of the intervertebral disc implant according to the invention, whereby due to the design of the base plate and cover plate, a lateral diffraction movement and a retroflexion movement can only be carried out to a lesser extent than an anteflexion movement.
  • the base plate and cover plate can rotate up to a maximum of 10 degrees relative to one another, preferably up to 8 degrees, more preferably up to 6 degrees and particularly preferably up to 4 degrees.
  • a flexion movement in the lateral direction can take place up to 8 degrees, preferably up to 12 degrees and particularly preferably up to 15 on both sides, starting from a centered position.
  • a retroflexion flexion movement can take place up to 10 degrees, preferably up to 15 degrees and particularly preferably up to 20 degrees, starting from a centered position.
  • Anteflexion diffraction movement can take place up to 20 degrees, preferably up to 25 degrees and particularly preferably up to 30 degrees, starting from a centered position.
  • the intervertebral disc is also preferably designed such that it is of such a size that the cover plate does not touch the base plate in all possible movements.
  • the edges of the top and base plates have an angle (see FIG. 10) of the mutually facing corners away from one another.
  • the intervertebral disc i.e. the intervertebral disc is preferably made of a hard plastic, preferably polyethylene and in particular ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE).
  • a hard plastic preferably polyethylene and in particular ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE).
  • HDPE high density PE
  • UHMWPE melt mass flow rate of less than 0.1 g / 10 min defined as UHMWPE (whereby this would correspond to a molar mass of over 106 g / mol), according to ASTM D 4020 the limit is 3.1 * 106 g / mol.
  • Ultra High Molecular Weight Polyethylene is a polyethylene according to ISO 5834-2 standard, Chirulen® and TIVAR® Premium are high-purity implant materials made of PEUHMW for use in endoprosthetics They are used in articulation partners in artificial hip, knee, elbow and shoulder joints.
  • titanium or a titanium alloy is also used to produce the intervertebral disk.
  • these further preferred embodiments which have a base plate made of titanium or a titanium alloy, a cover plate made of titanium or a titanium alloy and also a swirl intermediate plate made of titanium or a titanium alloy, so-called hard-hard pairings result, namely between the cover plate and the swirl intermediate plate and also between Base plate and intervertebral washer.
  • the titanium or the titanium alloy is provided with a ceramic coating.
  • embodiments are preferred which use a plastic or a metal alloy for the intervertebral washer, rather than plastic, which is preferably also provided with a ceramic coating.
  • titanium materials approved for medical technology should in particular meet DIN ISO 5832-3. Basically, the approval of titanium and titanium alloys as medical material is regulated according to DIN ISO 5832-1 to 5832-12 standards.
  • titanium alloys such as Ti-6AI-4V, Ti-Nb-Ta-Zr, Ti-AI6-Nb7 (according to ISO 5832-11) or Ti-29Nb-13Ta- 4.6Zr can also be used according to the invention. Titanium alloys in which the titanium content is at least 50% by weight, further preferably 65% by weight, even more preferably 80% by weight and particularly preferably 90% by weight are preferred.
  • the use of pure or medical titanium is preferred for producing the entire intervertebral disc implant.
  • the base and base plates can be cemented or implanted in the bone without cement or attached to the vertebral bone, with cementless anchoring being preferred.
  • Titanium is also used as the material for the base body of the base and / or cover plate. Titanium as the base material of the base and cover plate according to the invention is biologically inert, therefore grows firmly with the bone, can be anchored without cement and is not allergenic.
  • biocompatible, inert materials significantly improves the acceptance of the physiological tissue on the implant. Due to the use of materials that are particularly suitable to withstand tribological loads, the wear of the artificial material is minimized and thus the life (service life) of the implant is significantly increased.
  • Bone cells can anchor themselves directly on biocompatible materials if they have a structured surface with an open roughness in the range of 50 to 400 ⁇ m.
  • the surface of the base and the cover plate facing the bone has a roughness of at least Rz 50 ⁇ m, preferably of at least Rz 60 ⁇ m.
  • Rz 50 ⁇ m preferably of at least Rz 50 ⁇ m.
  • Rz 60 ⁇ m preferably of at least Rz 60 ⁇ m.
  • other degrees of roughness can be used up to cancellous metal.
  • the roughness is given as either Rz or Ra (DIN 4762, 4768, 4775, ISO 4288).
  • Rz denotes the average roughness.
  • the average roughness depth Rz is the arithmetic mean of the greatest individual roughness depths of several adjacent individual measuring sections.
  • Ra denotes the arithmetic mean roughness.
  • Ra is the generally recognized and internationally used roughness parameter. It is the arithmetic mean of the absolute values of the profile deviations within the reference distance.
  • the measured numerical value Ra is always smaller than the Rz value determined on the same roughness profile.
  • the base and / or cover plate of the intervertebral disc implant according to the invention are preferably coated with a metallic or ceramic coating, which can have a variable number of individual layers or a different layer thickness.
  • Ceramic coatings include nitrides, carbides and phosphides of preferably semi-metals and metals or metal alloys.
  • Ceramic coatings are boron nitride, titanium niobium nitride, titanium calcium phosphide (Ti-Ca-P), Cr-Al-N, Ti-Al-N, Cr-N, TiAIN-CrN, Ti-Al- C, Cr-C, TiAIC-CrC, Zr-Hf-N, Ti-Hf-CN, Si-CN-Ti, Si-CN and DLC (Diamond Like Carbon).
  • a ceramic layer of titanium-niobium nitride (Ti-Nb-N) is also preferably applied as the coating.
  • Ti-Nb-N titanium-niobium nitride
  • This ceramic coating of the particularly articulating implant surfaces has a hardness that is many times higher than that of conventionally used materials. This hardness makes the surface highly polishable and protected against titanium abrasion.
  • the geometry of the articulating compartments is chosen in such a way that the areas which are exposed to the wear and tear can be maximized.
  • the geometry of the joint partners is selected such that the tribologically loaded surfaces are maximized via a flat contact surface between the base plate and the intervertebral washer and an ellipsoidal area cutout, preferably a spherical cutout between the intervertebral washer and the cover plate, which ultimately reduces wear. This results in a reduction in the effective forces per unit area, which in turn has a positive effect on the service life of the implant by reducing the abrasion.
  • the physiological mobility of the vertebral body segments to each other is met as best as possible. Due to this almost perfect imitation of a natural intervertebral disc or its mobility, the forces acting on the bone-implant boundary are considerably reduced, which has a positive effect on the longevity (reduction of wear and minimization of loosening) of the implant.
  • the prior art prostheses can usually only be used on a maximum of two levels in the back.
  • the intervertebral disc implants according to the invention can also be used on more than two floors in the backbone.
  • the individual intervertebral disc implants are adapted to their respective position according to their size and geometry, so that such multiple implants can also treat spinal problems, spinal damage and spinal disorders.
  • spinal disorders spinal damage as well as spinal disorders, which can be treated by an intervertebral disc implant according to the invention or by a set of intervertebral disc implants according to the invention include, for example, scoliosis, i.e. the lateral bending of the spine, also called backbone curvature, herniated disc, which means the protrusion of the disc core against the adjacent vertebral body or the nerve roots, and kyphosis, which means the bending of the spine to the rear.
  • scoliosis i.e. the lateral bending of the spine
  • herniated disc herniated disc, which means the protrusion of the disc core against the adjacent vertebral body or the nerve roots
  • kyphosis which means the bending of the spine to the rear.
  • spinal disorders, spinal column damage as well as spinal column diseases can be treated by the intervertebral disc implants according to the invention: disc fracture (ie intervertebral disc damage), black disc (degenerative intervertebral disc, which appears black in the X-ray image), spontaneous deformation, ie the deformation of vertebral bodies due to diseases, bone changes or swelling , Lumbago or more commonly referred to as lumbago or lumbar pain, which is a severe, usually sudden pain in the cross and lumbar region. Lumbago is most often caused by changes in the intervertebral discs.
  • disc fracture ie intervertebral disc damage
  • black disc degenerative intervertebral disc, which appears black in the X-ray image
  • spontaneous deformation ie the deformation of vertebral bodies due to diseases, bone changes or swelling
  • Lumbago or more commonly referred to as lumbago or lumbar pain which is a severe, usually sudden pain in the cross and lumbar region. Lumbago is most often caused
  • Spondylosis deformans ie disease of the vertebral bodies and intervertebral discs with severe movement pain
  • widow's hump which includes a curvature of the spine in older women, caused by bone loss due to the changed hormonal Situation after the climate (menopause) understands spondylomyelitis, ie inflammation of the vertebrae and spinal cord, osteochondrosis, what the
  • spondylotosis i.e. the sliding of a vertebral body by a whole width of the vertebra, mostly the 5th lumbar vertebra on the sacrum
  • schipp disease which denotes the tear fracture caused by severe overexertion, mostly the 7th cervical vertebra or the 1st thoracic spine process, myelomeningocele, among which the specialist congenital malformation of vertebral arches understands brachialgia, which means the pain in the arms and shoulders due to changes in the area of the cervical vertebrae
  • Baastrup sign which means the bending of the spine forward with widening of the spinous processes and crushing of the intervening tissue, mostly with severe lower back pain and pressure pain the spinous processes are connected
  • vertebral ankylosis denotes the bony stiffening of the spine with severe pain in the trunk, arms and legs and paralysis of the limbs
  • Scheuermann's disease with which the expert bone
  • Figure 1 shows two vertebrae with a vertebral body, vertebral canal, vertebral arch, transverse process and spinous process as well as the associated intervertebral discs;
  • Figure 2 shows a horizontal section through an L3 / 4 intervertebral disc and the IHA migration during a rotational movement. With flexion, the IHA runs in a ventral arc from one joint to the other (1)
  • FIG. 1 is an illustration of the ventral and dorsal portion of a vertebral joint at levels L1 to L4 and L5, respectively. It can be seen that at L5 the joint runs more in the frontal plane. There, the axial rotation is also approx.
  • FIG. 4 shows a possibility for determining the ICR (Instantaneous Center of Rotation) by means of vectors for the speed of two points lying in one plane;
  • FIG. 5 shows the current movement center (ICR: Instantaneous Center of Rotation) during flexion or extension according to Gertzbein.
  • ICR Instantaneous Center of Rotation
  • FIG. 6 shows the distant base plate of the implant. An anchoring is shown which is suitable for the central reception of the intervertebral disc and which permits rotational as well as translational movements;
  • FIG. 7 shows the intervertebral washer viewed from the side facing the base plate.
  • a round recess can be seen, which is suitable for receiving a fastening means, for example a pin, attached to the base plate;
  • FIG. 8 shows the intervertebral washer viewed from the side facing the cover plate. You can see the concave articulating
  • the radii R indicate that the surface of the surface articulated with the cover plate
  • Intervertebral washer lies on a spherical surface cutout
  • Figure 9 shows the cover plate with the vertebral washer facing
  • the convex bulge arranged in the center has the same radius as the articulating surface of the intervertebral disk according to FIG. 8, so that the articulating surface of the cover plate lies on a spherical surface cutout with the radius R;
  • Figure 10 shows an embodiment of a
  • FIG. 11 shows a further embodiment of a
  • Example 1 An embodiment of an intervertebral disc implant according to the invention consists of a cover plate as shown in FIG. 9, a vertebral intermediate disc as shown in FIGS. 7 and 8 and a base plate as disclosed in FIG. 6.
  • the intervertebral disc implant has a size that is suitable for replacing an L3 / 4 vertebral segment.
  • Smaller embodiments of the intervertebral disc implant described in Example 1 can be produced by a person skilled in the art without problems.
  • the contact areas, in particular between the intervertebral disk and cover plate, but also between the intervertebral disk and base plate, can be correspondingly smaller in accordance with the size of the smaller embodiments. The same applies to the values given above for the translational movements in the lateral as well as retroflexion-anteflexion direction.
  • the cover plate consists of titanium used in medical technology.
  • the surface of the cover plate facing the bone is rough, so that ingrowth or growth of bone cells is made possible.
  • the roughness Rz is approx. 60 ⁇ 5 ⁇ m.
  • the articulating surface of the cover plate is plano-convex as shown in Fig. 9 and covered with a ceramic layer of Ti-Nb-N.
  • the layer thickness is 3 - 5 ⁇ m.
  • the base plate is also made of titanium and has a shape as shown in FIG. 6.
  • the surface of the base plate facing the bone is rough with a roughness Rz of approx. 60 ⁇ 5 ⁇ m.
  • the contact surface for the intervertebral disc is covered with a ceramic coating made of Ti-Nb-N.
  • the layer thickness is 3 - 5 ⁇ m.
  • the surface of the tibial component facing the intervertebral disc is planar, except for the pin arranged in the center.
  • This pin has a cylindrical shape with a height of 5 mm and a diameter of 7 mm.
  • the pin is also provided with a ceramic coating made of Ti-Nb-N.
  • the base plate is shown rectangular, can of course also have other contours and vary in thickness, as shown in Fig. 10.
  • the vortex washer has a shape as shown in FIGS. 7 and 8.
  • Fig. 7 shows the bottom surface of the intervertebral disc with a cylindrical recess for receiving the guide and / or receiving pin of the base plate.
  • 8 shows the top of the intervertebral disk with its concave articulating surface.
  • the articulating surface lies on a spherical surface section with radius R.
  • the dashed concentric circles on the articulating concave surface of the intervertebral disc show that this surface is part of a spherical surface.
  • the intervertebral disc is made of UHMWPE.
  • the side of the intervertebral disk facing the cover plate is concave and has a radius of 25 mm.
  • the total contact area is approximately 450 mm 2 .
  • the entire articulating surface of the concave depression of the intervertebral disc corresponds to the contact area.
  • the intervertebral disk has a recess on its side facing the base plate, which is shown in FIG. 8. This recess is provided for receiving the pin of the base plate.
  • This pen is shown in Figure 6. Due to the larger diameter of the recess in the intervertebral disc compared to the diameter of the pin of the base plate, the intervertebral disc can perform rotational but also translational movements on the base plate. The rotational movement is physiologically limited to approximately 1.5 degrees.
  • the pin on the base plate has a diameter of 7 mm.
  • the recess in the intervertebral disc has a diameter of 11 mm in the lateral direction and 13 mm in the retroflexion-anteflexion direction.
  • the recess has a diameter of 1.57 times in the lateral direction and a diameter of 1.86 times in the retroflexion-anteflexion direction.
  • the intervertebral disc can move 2 mm in the lateral direction on the base plate or a total of 4 mm from one lateral extreme position to the other.
  • the intervertebral disc on the base plate can move 3 mm in the retroflexion direction and 3 mm in the anteflexion direction or a total of 6 mm from the extreme dorsal position to the extreme ventral position.
  • the base plate and cover plate can be tilted up to 20 degrees to each other. Complex movements cause one
  • ICR current movement center
  • the embodiment according to the invention allows degrees of freedom of movement as in a natural vertebral segment, wherein stress peaks on the intervertebral disc are avoided even in the case of complex movements due to the spherical surfaces of the intervertebral disc and cover plate lying on top of one another.
  • FIG. 10 Another embodiment of an intervertebral disc implant according to the invention for an L2 / 3 vertebral segment consists of a cover plate, an intervertebral disc and a base plate as disclosed in FIG. 10.
  • the cover plate consists of the titanium alloy Ti-AI6-Nb7 according to ISO 5832-11.
  • the surface of the cover plate facing the bone is rough with a Roughness Rz of approx. 55 ⁇ 5 ⁇ m.
  • the articulating surface of the cover plate is plano-convex and covered with an approx. 6 ⁇ m thick ceramic coating. Ti-Ca-P or Si-CN-Ti or DLC were used as the ceramic coating.
  • the base plate also consists of Ti-AI6-Nb7.
  • the surface of the base plate facing the bone is rough with a roughness Rz of approximately 55 ⁇ 5 ⁇ m.
  • the contact surface for the intervertebral disc is covered with a ceramic coating made of Ti-Ca-P or Si-C-N-Ti or DLC.
  • the layer thickness is approx. 6 ⁇ m.
  • the base plate has a guide pin with a diameter of 5.5 mm and a height of 4 mm. The pen is also included
  • the cover plate has a convex curvature with a maximum elevation of 3.5 mm on its side facing the bone.
  • the cover plate has a pitch angle of 8 degrees and is almost twice as thick on its ventral side as on the dorsal side.
  • the base plate also has a bevel of 6 degrees with a tapering shape.
  • the intervertebral disc is also made of Ti-AI6-Nb7 according to ISO 5832-11 with a ceramic coating made of Ti-Ca-P or Si-C-N-Ti or DLC.
  • the layer thickness is approx. 6 ⁇ m.
  • the intervertebral disc On its underside, the intervertebral disc has an oval recess, which has a diameter of 7 mm laterally and a diameter of 10 mm ventral-dorsally.
  • the contact area to the cover plate is approx. 440 mm 2 .
  • Example 3 A further embodiment of an intervertebral disc implant according to the invention for a Th5 / 6 vertebral segment consists of a cover plate, an intervertebral disc and a base plate as disclosed in FIG. 10.
  • the cover plate consists of the titanium alloy Ti-AI6-Nb7 according to ISO 5832-11.
  • the surface of the cover plate facing the bone is rough with a roughness Rz of approx. 65 ⁇ 5 ⁇ m.
  • the articulating surface of the cover plate is plano-convex and covered with a 4 ⁇ m thick ceramic coating made of Ti-Al-N.
  • the base plate also consists of Ti-AI6-Nb7.
  • the surface of the base plate facing the bone is rough with a roughness Rz of approximately 65 ⁇ 5 ⁇ m.
  • the contact surface for the intervertebral disc is covered with a ceramic coating made of Ti-Al-N.
  • the layer thickness is 4 ⁇ m.
  • the base plate has a guide pin with a diameter of 6 mm and a height of 4 mm. The pin is also coated with Ti-Al-N.
  • the swirl washer is made of UHMWPE or titanium or Ti-AI6-Nb7 according to ISO 5832-11. If titanium is used as the material, the intervertebral disk is completely or at least its articulating surfaces on the top and bottom coated with a ceramic coating made of Ti-Nb-N. The layer thickness is 3 - 5 ⁇ m. If Ti-Al6-Nb7 is used, a ceramic coating of Ti-Al-N is applied at least to the articulating surfaces.
  • the intervertebral disc On its underside, the intervertebral disc has an oval recess, which has a diameter of 7 mm laterally and a diameter of 12 mm ventral-dorsally.
  • the intervertebral disc can move 0.5 mm in the lateral direction or cover a distance of 1.0 mm in absolute terms, whereas a translation movement of 3 mm is possible in the ventral direction and a translation movement of 3 mm is also possible in the dorsal direction or from the dorsal extreme point a distance of 6 mm to the extreme ventral point can be covered.
  • the top and bottom plates are slightly tapered in the dorsal direction, can be rotated up to 2 degrees relative to each other and tilted up to 15 degrees to each other.
  • the IHA describes moving movements like in a natural vertebral segment.
  • Embodiment degrees of freedom of movement as in the case of a natural vertebral segment, load peaks on the intervertebral disc being avoided even in the case of complex movements due to the spherical surfaces of the intervertebral disc and cover plate lying on top of one another.
  • a further embodiment of an intervertebral disc implant according to the invention for a C2 / 3 vertebral segment consists of a cover plate, an intervertebral disc and a base plate as shown in FIG. 11.
  • the cover plate and base plate consist of the titanium alloy Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr.
  • the surface of the cover plate facing the bone is rough with a roughness Rz of approx. 55 ⁇ 5 ⁇ m.
  • the articulating surfaces of the top and bottom plates are provided with an approx. 3 ⁇ m thick coating of Ti-Hf-C-N or Zr-Hf-N.
  • the cover plate is plano-concave with a bulge which has a radius of 18 mm.
  • the intervertebral disc is made of UHMWPE or titanium or Ti-AI6-Nb7 according to ISO 5832-11 or Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr. If titanium or a titanium alloy is used as the material, the intervertebral washer is completely or at least its articulating surfaces are coated on the top and bottom with a ceramic coating.
  • the intervertebral disk is plano-convex with an articulating surface lying on a spherical surface, which has the same radius as the spherical surface on which the articulating surface of the cover plate lies.
  • the contact area has a size of at least 400 mm 2 .
  • the round recess in the intervertebral disc, which is suitable for receiving the guide pin, has a diameter of 6 mm.
  • the cylindrical guide pin attached to the base plate has a height of 3 mm and a diameter of 4 mm. Due to these dimensions, the guide pin or the intervertebral washer on the base plate can move horizontally translationally in all directions starting from a centered position of 1 mm. Rotation is possible up to one degree.
  • the artificial cervical vertebral implant is therefore able to perform movements like the natural C2 / 3 vertebral segment, and the current movement center (ICR) and the IHA describe moving movements as with the natural vertebral segment.
  • ICR current movement center
  • IHA describe moving movements as with the natural vertebral segment.
  • the materials and design of the base plate and cover plate are similar to those described in Examples 1-3, with the difference that not one centrally attached fastening means but two or three ventral and / or dorsally and / or laterally offset fastening means are used on the base plate.
  • the intervertebral washer not only has a recess for receiving a fastener, but also a plurality of recesses.
  • each pin has a diameter of 4 mm and a height of 4 mm.
  • the intervertebral disc has two round, oval or crescent-shaped recesses suitable for receiving these pins, which are dimensioned such that the intervertebral disc can carry out translational movements on the base plate in the lateral direction of 1-2 mm and in the ventral-dorsal direction of 2-6 mm ,
  • the two pins limit the rotation to approximately 1.5 degrees.
  • This configuration also enables motion sequences as in the natural vertebral segment, which can be understood on the basis of the course of the IHA or the ICR.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Bandscheibenimplantate, welche die natürlichen Bewegungsfreiheitsgrade imitieren, indem Translations- und/oder Rotationsbewegungen von Wirbelzwischenscheibe relativ zur Grundplatte unabhängig von den möglichen Bewegungen der Deckplatte relativ zur Wirbelzwischenscheibe ermöglicht werden. Diese Bewegungen werden realisiert, indem die Wirbelzwischenscheibe mittels Befestigungsmittel, welche sich im Innern des Implantats befinden, so auf der Grundplatte gelagert ist, dass Translations- und/oder Rotationsbewegungen möglich sind. Ferner ist die Auflagefläche zwischen Deckplatte und Wirbelzwischenscheibe kugelförmig ausgestaltet, so dass die Kontaktfläche maximiert wird.

Description

Bandscheibenimplantat
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine künstliche Bandscheibe, welche derart ausgestaltet ist, dass die Bewegungsfreiheitsgrade einer natürlichen Bandscheibe bestmöglichst imitiert werden.
Die Wirbelsäule stellt das physikalische Bewegungszentrum des menschlichen Körpers dar. Sie trägt das Körpergewicht, ist zu komplexen Bewegungen befähigt und vermag die an ihr angreifenden Kräfte abzufangen und auszugleichen.
Die menschliche Wirbelsäule besteht aus insgesamt 24 Wirbeln, dem Kreuzbein und dem Steißbein. Die einzelnen Wirbel werden durch
Wirbelzwischenscheiben, den Bandscheiben getrennt. Die Wirbelsäule wird in fünf Abschnitte unterteilt, nämlich die Halswirbelsäule (7 cervicale Wirbel, C1 - C7), die Brustwirbelsäule (12 thorakiale Wirbel, Th1 - Th12), die Lendenwirbelsäule (5 lumbale Wirbel, L1 - L5), das Kreuzbein und das Steißbein.
Jeder Wirbel besteht aus einem knöchernen Wirbelkörper, einen das Rückenmark umspannenden Wirbelbogen, an den Seiten jeweils einen Querfortsatz sowie einen nach hinter weisenden Dornfortsatz.
In den medizinischen Fachdisziplinen Chirurgie, Orthopädie und Neurochirurgie gehört der künstliche Bandscheibenersatz von traumatisch-, rheumatisch- oder degenerativ veränderten Wirbelsäulen zu den operativen Eingriffen.
Stand der Technik ist, die Wirbelsäule im belasteten Bereich zu versteifen. Mit Platten- oder Stangenmaterialien werden schmerzhafte Regionen überbrückt, welche im Laufe der Zeit aufgrund mangelnder Bewegung versteifen. Üblicherweise werden die Versteifungen ventral (zum Bauch hin liegend, bauchseitig) an den Wirbelkörpern oder aber dorsal (zum Rücken gehörig, zum Rücken hin liegend) im Bereich der Wirbelbögen (Pedikel) vorgenommen. Für den künstlichen Ersatz der Bandscheibe wird dabei das körpereigene Material (Annulus fibrosus und Nucleus pulposus) operativ entfernt und stattdessen ein Platzhalter eingesetzt. Hier kommen zumeist starre Cages zum Einsatz, welche systemabhängig mit Knochenzement oder aber mit Knochenspänen gefüllt werden.
Nachteile der bekannten Systeme sind, dass zur Behandlung der Symptome eine Versteifung / Fusion des jeweiligen Bewegungssegmentes akzeptiert wird. Eine Restauration der Wirbelsäule in Form und Funktion wird nicht erreicht. Die Folge von solchen Eingriffen sind eingeschränkte Beweglichkeit und das "adjacent-disc- syndrom" (Bandscheibenschaden des an eine Fusion angrenzenden Bandscheibenfaches durch Überlastung derselben, da es die resultierenden Bewegungskräfte aus dem versteiften Segment mit tragen muss).
In den letzten Jahren sind Systeme entstanden, welche darauf abzielen, die Beweglichkeit der Wirbelkörpersegmente zu erhalten und nicht die beiden Wirbel im Bereich der defekten Bandscheibe miteinander starr zu verbinden. Derartige Systeme setzen vor allem viskoses oder deformierbares Material umgeben durch eine starre Außenhülle ein.
US 2002/0128715 A1 offenbart beispielsweise eine künstliche Bandscheibe, welche aus einem deformierbaren, elastischen Innenkörper besteht, der in gewissen vordefinierten Grenzen verformbar ist und von einem starren Außenskelett umgeben wird. Durch diese künstliche Bandscheibe werden die natürlichen Bewegungsfreiheitsgrade durch eine vorbestimmte eingeschränkte Deformation des Innenkörpers erreicht.
Verbesserungswürdig sind bei allen bekannten künstlichen Bandscheiben die Imitation der Bewegungsmöglichkeiten eines natürlichen Wirbelsegments. Es ist bisher noch nicht gelungen, einem künstlichen Bandscheibenimplantat die einem natürlichen Wirbelsegment gegebenen Bewegungsfreiheitsgrade zu verleihen. Durch die mangelhafte Funktion der bekannten Implantate wird die Beweglichkeit der Wirbelsäule nicht optimal wiederhergestellt. Unausgleichbare Lastspitzen während des Bewegungsablaufs provozieren das Einsinken der Implantate in den Wirbelkörper. Ferner stellt sich bei den bekannten Systemen die Problematik, dass sie entweder nicht belastungsstabil sind und den an der Wirbelsäule wirkenden Dauerbelastungen nicht gerecht werden, oder aber die Materialien hinsichtlich Biokompatibilität nicht den Anforderungen genügen. Hinzu kommt, dass das Anwachsverhalten noch immer unzureichend ist und diese Prozesse zu erneutem Druck auf die Nervenwurzel führen können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bandscheibenimplantat bereitzustellen, welches ein Maximum an anatomischer Kompatibilität erreicht und die Bewegungsfreiheitsgrade einer natürlichen Bandscheibe bestmöglichst auch bei Dauerbelastung imitiert und somit eine natürliche Bandscheibe auf Dauer ersetzen kann.
Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung eines Bandscheibenimplantats gemäß Patentanspruch 1 bzw. 2 sowie dessen Verwendung gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung, den Beispielen und den Figuren.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bandscheibenimplantat, welches sich dadurch auszeichnet, dass der Gelenkschwerpunkt bei einer Rotations- und/oder Beugebewegung gleich einem natürlichen Wirbelsegment veränderbar ist.
Die komplexe Bewegung eines Wirbelsegments lässt sich beispielsweise durch die Wanderung des momentanen Bewegungszentrums (ICR) darstellen. Da die erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantate die natürlichen
Bewegungsfreiheitsgrade bestmöglichst imitieren, kann die Erfindung einfach dadurch ausgedrückt werden, dass die erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantate die Bewegungen zulassen, welche bei einem natürlichen Wirbelsegment möglich sind.
Da ein natürliches Wirbelsegment neben der Rotationsbewegung auch die Translationsbewegung zulässt, besteht nun die Notwenigkeit, diese Bewegungsvorgänge durch physikalische Größen zu beschreiben. Eine dieser physikalischen Größen ist das momentane Bewegungszentrum bzw. die Wanderung des momentanen Bewegungszentrums.
Erfindungsgemäß erlauben die hierin beschriebenen Bandscheibenimplantate eine Wanderung des momentanen Bewegungszentrums, wie es auch bei natürlichen Wirbelsegmenten nicht jedoch bei den Bandscheibenimplantaten des Standes der Technik möglich ist. Die Bewegungsfreiheitsgrade eines Wirbelgelenks sind vielfältig woraus komplexe Bewegungsmöglichkeiten und komplexe Bewegungsmuster resultieren. Die Bewegung eines Wirbelsegments kann als unmittelbare Rotationsbewegung um und unmittelbare Translationsbewegung entlang einer Achse im Raum, der sogenannten IHA (Instantaneous Helical Axis) beschrieben werden.
Dabei ergeben sich durchweg bei den möglichen Flexions-Extensions-, bilaterale Seitneigungs- als auch Rotationsbewegungen paradoxe Bewegungsmuster unterschiedlicher Intensität.
Bei diesen Bewegungsstrukturen der Segmente in Hals-, Thorax-, und Lendenbereich sind als Parameter der momentanen Position der Schraubachse (IHA), Drehwinkel, Richtung und Lage der IHA sowie Schraubsteigung zu berücksichtigen. Grundsätzlich kann die segmentale Beweglichkeit durch eine unmittelbare spiralige Oberfläche dargestellt werden. Konstant können hingegen die äußeren Parameter des Kraftsystems als Funktionen der Zeit gehalten werden, nämlich Kraft, Drehmoment, Richtung und Lage der Kraftwirkungslinie.
Bestimmt man nun die Lage bzw. die Wanderung der IHA während einer Flexions- Extensions-, bilaterale Seitneigungs- und/oder Rotationsbewegung, so ergibt sich beispielsweise die in Figur 2 gezeigte Kurve für ein L3/4-Wirbelsegment.
Die axiale Rotation des flektierten Wirbelsegments ist kinematisch begrenzt. Die sagittal gestellten Gelenke erzeugen eine mechanische Führung, die mit zunehmender Rotation die IHA zur Wanderung nach hinter zwingt (s. Fig. 2). Dabei erhöht sich das Flächenträgheitsmoment bezüglich der IHA und damit die Rotationssteife des Wirbelsegments, so dass eine weitere Zunahme des Drehmoments eine abnehmende Winkelzunahme bewirkt. Bei Flexion läuft die IHA in einem ventralen Bogen von einem Gelenk zum anderen (s. Kurvenverlauf 1 in Fig. 2), während bei Extension die IHA auf einem dorsalen Bogen wandert (s. Kurvenverlauf 2 in Fig. 2). Dabei können Wanderungsstrecken von 40 mm bis größer 60 mm zurückgelegt werden. Nach Resektion der Gelenke befindet sich die IHA wieder im Bandscheibenzentrum (s. schwarze Fläche bei Ziffer 3 in Fig. 2).
Die initiale Wirbelsegmentsteife (für axialer Rotationswinkel α = 0) wird durch die Flexions-/Extensionslage einer hinreichend großen axialen Vorlast eingestellt: Extension (s. Kurvenverlauf 2 in Fig. 2) geht mit einem flachen Drehwinkel- Drehmoment [ α(T) ] einher und Flexion für zu einem steilen α(T). Ein Verschieben der Wirkungslinie nach posterior versteift das Segment, ohne dass dabei der Betrag der Vorlast geändert werden muss, indem die geänderte Führung der Gelenke die initiale IHA nach dorsal verlegt und das Flächenträgheitsmoment erhöht.
Eine zunehmende axiale Rotation bedingt zunehmende kompressive Belastung des führenden Wirbelgelenks. Da bei großem axialen Rotationswinkel α die IHA am belasteten Gelenk entlang wandert, hat die Natur das Reibungsproblem kinematisch gelöst, weil die Gelenkflächen jetzt rollen. Haftreibung kann bei Bewegungsumkehr nicht auftreten und Rollreibung ist kleiner als Gleitreibung (M. Mansour, D. Kubein-Meesenburg, St. Spiering, J. Fanghänel, H. Nägerl BlOmaterialien, 2003, 4 (3), 229).
Derartige kinematische Bewegungen vermögen die herkömmlichen Bandscheibenimplantate des Standes der Technik nicht zu ermöglichen. Erfindungsgemäß lassen die hierin beschriebenen Bandscheibenimplantate jedoch derartige Translationsbewegungen zu. Somit erlauben die erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantate eine Bewegung der IHA wie es bei einer natürlichen Bandscheibe der Fall ist.
Die bei einem natürlichen Wirbelsegment mögliche Wanderung wird bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen dadurch bewerkstelligt, dass die Wirbelzwischenscheibe auf der Grundplatte translationsbeweglich gelagert ist.
Die Schraubachse (IHA) vermag bei den erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantaten Wanderungen wie bei einem natürlichen Wirbelsegment auszuführen. Somit kann die Schraubachse (IHA) bei den erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantaten Wanderungen entlang eines ventralen oder dorsalen Bogens ausführen.
Die IHA berücksichtigt die translatorischen und rotatorischen Bewegungsabläufe bei ständiger Änderung des Drehpunktes der Bewegung (ICR: Instantaneous Center of Rotation) und vermag dadurch die Bewegung kontinuierlich zu beschreiben. Die Aufzeichnung der segmentalen Bewegungen zwischen zwei rigiden Wirbelkörpern mit der IHA erlaubt dadurch die Darstellung der wahren Rotationsachse. Dies ist ein Weg, die komplexen dreidimensionalen
Bewegungen zu visualisieren. Untersucht man das Zentrodenmuster bzw. das Wanderungsmuster der ICR (ICR: Instantineous Center Of Rotation) bei einem Wirbelsegment, so ergibt sich für das momentane Bewegungszentrum beispielsweise das in Figur 5 gezeigte paradoxe Bewegungsmuster. Die dicken Punkte sowie die dazwischenliegenden
Verbindungslinien geben dabei die Wanderung des Rotationszentrums wieder.
Aufgrund der erfinderischen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantate sind dieselben Bewegungsmuster wie bei einem natürlichen Wirbelsegment auch bei dem künstlichen Wirbelsegment gemäß der vorliegenden Erfindung möglich. Diese bestmögliche Imitation der natürlichen Bewegungsmuster, d.h. des Zentrodenmusters werden durch die erfindungsgemäße Lagerung der Wirbelzwischenscheibe auf der Grundplatte ermöglicht.
ICR (Instantaneous Center of Rotation) bezeichnet bei einem Körper, der in einer Ebene Rotations- und Translationsbewegungen ausführt, die momentane Position des Rotationszentrums für einen bestimmten eingefrorenen Zustand.
Betrachtet man eine planare Rotationsbewegung, d.h. die Rotationsbewegung eines planaren Körpers in einer Ebene, so kann die Bewegung der einzelnen Bereiche dieses planaren Körpers als Rotationsbewegung um eine senkrecht zu dieser Ebene verlaufenden Rotationsachse dargestellt werden. Diese
Rotationsachse schneidet die Ebene in einem bestimmten Punkt, dem ICR. Die räumliche Position bestimmter Punkte auf diesem planaren Körper können nun beispielsweise durch ihre Geschwindigkeiten definiert werden. Ist beispielsweise die Geschwindigkeit von zwei Punkten A und B bekannt und liegen diese beiden Punkte nicht aufeinander (s. Figur 4a), so kann das ICR ermittelt werden, indem senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor des Punktes A [ v(A) ] durch den Punkt A eine Gerade legt und senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor des Punktes B [ v(B) ] durch den Punkt B eine zweite Gerade und den Schnittpunkt beider Geraden ermittelt. Der Schnittpunkt beider Geraden ist das ICR.
Falls die Geschwindigkeitsvektoren v(A) und v(B) senkrecht zum Vektor AB verlaufen und die Längen beider Geschwindigkeitsvektoren bekannt sind, erhält man das ICR im Schnittpunkt des Vektors AB mit der Geraden, welche durch die beiden Extremwerte der beiden Geschwindigkeitsvektoren verläuft (s. Figur 4b). Ferner bezeichnet IAR (Instantaneous Axis of. Rotation) bei einem Körper, der in einer Ebene Rotations- und Translationsbewegungen ausführt, eine Achse, um die der Körper bei einer momentanen Betrachtungsweise, wo keine Translation stattfindet, rotiert.
Das momentane Bewegungszentrum (ICR) hat bei der Flexion und Extension einen charakteristischen Verlauf, wie beispielsweise in Figur 5 gezeigt. Die paradoxe Begleitrotation bei einer z.B. Rechtsneigung eines Wirbelsegments führt normalerweise zu einer Linksrotation, wobei sich die Dornfortsätze nach rechts verlagern.
Die erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantate ermöglichen
Wanderbewegungen des momentanen Bewegungszentrums (ICR) wie dies auch ein natürliches Wirbelsegment tut, so dass die Erfindung darin besteht, Bandscheibenimplantate bereitzustellen, welche die Wanderbewegung des ICR wie bei einem natürlichen Wirbelsegment ermöglichen.
Diese Wanderbewegung wird durch eine bewegliche Lagerung der Wirbelzwischenscheibe auf der Grundplatte ermöglicht, welche weiter unten genau beschrieben wird.
Die erfindungsgemäße künstliche Bandscheibe ist bevorzugt dreiteilig aufgebaut. Das Mittelstück des Bandscheibenimplantats bildet eine Wirbelzwischenscheibe, welche bevorzugt so auf der Grundplatte gelagert ist, dass sowohl Translations- als auch Rotationsbewegungen möglich sind.
Diese Translations- und/oder Rotationsbewegungen von Wirbelzwischenscheibe relativ zur Grundplatte sind unabhängig von den möglichen Bewegungen der Deckplatte relativ zur Wirbelzwischenscheibe. Somit können relativ zueinander alle drei Teile des erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantats bewegt werden, wodurch die natürlichen Bewegungsfreiheitsgrade der Wirbelsäule bestmöglichst imitiert werden können.
Die Lagerung der Wirbelzwischenscheibe auf der Grundplatte in einer Weise, dass Tanslationsbewegungen von Wirbelzwischenscheibe und Grundplatte relativ zueinander möglich sind, kann auf verschiedene Weisen realisiert werden. Eine Realisierungsmöglichkeit umfasst die Verwendung von Befestigungsmitteln. Als Befestigungsmittel kommen Zapfen, Auswölbungen, Halterungen, Stifte, Flansche und dergleichen sowie andere denkbare Mittel zur Beschränkung der Translationsbewegung von Wirbelzwischenscheibe auf Grundplatte in Frage, welche bevorzugt auf der Grundplatte angebracht werden.
Die Grundplatte kann einen bevorzugt zentriert angebrachten Führungs- und/oder Aufnahmestift aufweisen, der sich in Richtung der Torsionsachse erstreckt. Anstelle der zentrierten Positionierung kann der Führungs- und/oder Aufnahmestift auch dezentral beispielsweise dorsal oder ventral versetzt angebracht sein. Bevorzugt weist dieser Stift einen Durchmesser von 2 bis 15, bevorzugt von 3 bis 12 mm, weiter bevorzugt von 5 - 10 mm und insbesondere bevorzugt von 6 bis 9 mm und eine Höhe von 1 bis 5 mm, bevorzugt von 2 - 4 mm und insbesondere bevorzugt von 3 - 4 mm auf. Ferner besitzt ein solcher Stift bevorzugt eine Zylinderform oder Kegelform, wobei jedoch generell ellipsoide Formen Verwendung finden können. Ein einzelner Stift sollte weitgehend zentriert auf der Grundplatte angebracht werden.
Die Wirbelzwischenscheibe weist erfindungsgemäß eine zur Aufnahme dieses Stiftes bzw. des Befestigungsmittels geeignete Aussparung auf, wobei diese Aussparung einen größeren Durchmesser als die des Stiftes besitzen sollte. Eine derartige Aussparung ist bevorzugt O-förmig bis ellipsoid, kann aber auch kreisförmig ausgestaltet sein. Bei der O-förmigen oder ellipsoiden Ausgestaltung ist der Radius in lateraler Richtung kleiner als der Radius in Anteflexions- und Retroflexionsrichtung.
Bevorzugt hat der Radius der Aussparung in Anteflexions- und Retroflexionsrichtung die einfache bis dreifache Länge des Radius des Stiftes. Der Radius der Aussparung in lateraler Richtung ist gleich groß oder bis zum zweifachen größer, als der Radius des Stiftes.
Aufgrund der größeren Ausgestaltung der Aussparung in der Wirbelzwischenscheibe im Vergleich zum Stift der Grundplatte, kann dieser Stift sich in den durch die Aussparung festgelegten Grenzen bzw. die Wirbelzwischenscheibe sich innerhalb dieser Grenzen translatorisch auf der Grundplatte bewegen. Gibt man diese Relationen in absoluten Zahlen wieder, so kann sich bevorzugt die Wirbelzwischenscheibe auf der Grundplatte aus einer zentrierten Position 0 bis 10 mm, bevorzugt 1 - 6 mm, weiter bevorzugt 2 - 5 mm und insbesondere bevorzugt 3 - 4 mm in lateraler Richtung sowie 2 bis 15 mm, bevorzugt 3 - 10 mm, weiter bevorzugt 4 - 7 mm und insbesondere bevorzugt 5 - 6 mm in Anteflexions- als auch in Retroflexionsrichtung bewegen. Diese Angaben beziehen sich auf die Gesamtstrecke von einer Extremposition zur anderen. Die halben Längen werden ausgehend von einer zentrierten Position bis zu einer Extremposition zurückgelegt.
Ein Befestigungsmittel in Form eines weitgehend auf der Grundplatte zentriert angebrachten Stiftes schränkt die Rotationsbewegung der Wirbelzwischenscheibe auf der Grundplatte hingegen nicht ein. Die Rotationsbewegung um die Torsionsachse wird jedoch durch die natürlichen Bedingungen und/oder durch weitere Befestigungsmittel festgelegt. Derartige Befestigungsmittel sind bevorzugt auf der Grundplatte angebracht. Wird die Rotation nicht technisch am Implantat limitiert, so ist natürlich die freie Rotation durch die physiologisch vorhandenen Strukturen begrenzt. Rotationsbewegungen von bis zu 3 Grad, bevorzugt von 1 - 2 Grad und insbesondere bevorzugt von ca. 1 ,5 Grad in beide Richtungen lässt das erfindungsgemäße Bandscheibenimplantat zu.
Das Befestigungsmittel kann nicht nur aus einem Stift, Zapfen, Flansch oder ähnlichem bestehen, sondern auch zwei oder mehr dieser Befestigungsmittel umfassen. Insbesondere sind Befestigungsmittel bevorzugt, welche durch die Wirbelzwischenscheibe vollständig verdeckt sind. Auf der Grundplatte oder am Rand der Grundplatte angebrachte seitliche Begrenzungen in Form von beispielsweise Rändern, Halterungen, Wulste, Schienen oder dergleichen sind weniger bevorzugt, da diese einen Anlagerungspunkt für Gewebe darstellen und mit Gewerbe und/oder Knorpel bewachsen werden können, wodurch die Beweglichkeit von Wirbelzwischenscheibe auf Grundplatte wieder eingeschränkt wird. Somit sind insbesondere Befestigungsmittel bevorzugt, welche vollständig verdeckt sind, d.h. nicht zugänglich für Gewebe, Knorpel und Muskeln sind. Vollständig verdeckt sind die Befestigungsmittel, wenn sie beispielsweise im Innern des Implantats liegen, beispielsweise durch die Wirbelzwischenscheibe abgedeckt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform umfasst zwei Stifte, welche auf der Grundplatte bevorzugt dorsal oder ventral versetzt angebracht sind. Die Wirbelzwischenscheibe weist dementsprechend zwei Aussparungen auf, welche im Vergleich zum Durchmesser eines Stiftes einen größeren Durchmesser besitzen. Dadurch kann sich die Wirbelzwischenscheibe innerhalb der
Aussparungen translatorisch frei um die Stifte bewegen, wobei die Translationsbewegung als auch die Rotationsbewegung um die mechanische oder anatomische Achse im Rahmen der Aussparungen möglich ist. Bei dieser Ausgestaltung ist eine theoretisch mögliche freie Rotation um 360 Grad nicht mehr ausführbar.
Anstelle von zwei Stiften können auch drei oder mehr verwendet werden, welche in der Regel mit gleichmäßigen Abständen auf der Grundplatte angebracht werden. Ferner können anstelle von Stiften auch seitliche Halterungen vorgesehen werden. Dabei wird die durch die seitlich an der Grundplatte befestigten Halterungen begrenzte Bodenfläche der Grundplatte größer ausgestaltet, als die aufliegende Bodenfläche der Wirbelzwischenscheibe, so dass die Wirbelzwischenscheibe Translations- und/oder Rotationsbewegungen auf der Grundplatte bzw. relativ zur Grundplatte ausführen kann und zwar im Rahmen der seitlichen Halterungen. Derartige Halterungen können beispielsweise ein durchgezogener oder unterbrochener Wulst am Rand oder ein erhöhten Rand sein.
Die Wirbelzwischenscheibe muss nicht wie in Fig. 7 und. 8 gezeigt, eine runde oder zylinderförmige Gestalt besitzen, sondern kann beliebige gängige Gestaltungen von oval bis eckig, winklig bis bananenförmig, flach bis höckerförmig, asymmetrisch bis quadratisch oder rechteckig annehmen. Ferner kann die Wirbelzwischenscheibe in einer bevorzugten Ausführungsform konisch zulaufen, d.h. ihre Dicke verändern und insbesondere in dorsale Richtung konisch zulaufen. Mögliche Grundformen von Wirbelzwischenscheibe sind beispielsweise in dem europäischen Patent EP 0 505 634 B1 als Figur 2 und Figur 3 (a) - (e) offenbart. Die möglichen Grundformen der Wirbelzwischenscheibe brauchen zudem keine einheitliche Dicke zu haben, so dass die Wirbelzwischenscheibe an unterschiedlichen Stellen auch unterschiedliche Dicken aufweisen kann, welche beispielsweise 3 mm, 6 mm, 9 mm oder 12 mm betragen können. Ferner ist die Wirbelzwischenscheibe vorzugsweise nicht deformierbar.
Eine bevorzugte Ausführungsform umfasst Bandscheibenimplantate, bei denen die Deckplatte so auf der Wirbelzwischenscheibe gelagert ist, dass die artikulierende Oberfläche der Wirbelzwischenscheibe als auch die artikulierende Oberfläche der Deckplatte jeweils auf einer ellipsoiden Teilfläche liegen.
Unter "artikulierende Oberfläche" ist die Oberfläche der Wirbelzwischenscheibe bzw. die Oberfläche der Deckplatte zu verstehen, die mit der jeweils anderen Oberfläche bei den möglichen Bewegungen in Berührung kommen kann.
Diese miteinander in Berührung kommenden, artikulierenden Oberflächen der Wirbelzwischenscheibe als auch der Deckplatte liegen auf einem Teil der Oberfläche eines ellipsoiden Körpers, bevorzugt einer Kugel.
Als Kontaktoberfläche soll die Fläche verstanden werden, wo bei einer bestimmten eingefrorenen Stellung von der Wirbelzwischenscheibe und Deckplatte beide Teile miteinander in Berührung kommen.
Die artikulierende Oberfläche der Wirbelzwischenscheibe ist hingegen die gesamte Oberfläche der Wirbelzwischenscheibe, welche bei allen möglichen Stellungen der Wirbelzwischenscheibe relativ zur Deckplatte mit der Oberfläche der Deckplatte in Berührung kommen kann.
Dementsprechend ist die artikulierende Oberfläche der Deckplatte die gesamte Oberfläche der Deckplatte, welche bei allen möglichen Stellungen der Deckplatte relativ zur Wirbelzwischenscheibe mit der Oberfläche der Wirbelzwischenscheibe in Berührung kommen kann.
Erfindungsgemäß liegt die artikulierende Oberfläche der Deckplatte auf einer Teilfläche eines Ellipsoids bevorzugt auf einem zusammengedrückten (a = b > c) Rotationsellipsoid oder einem langgestreckten (a = b < c) Ellipsoid und insbesondere bevorzugt auf einem Kugelflächenausschnitt (a = b = c). Dabei bezeichnet a den Radius in Richtung der x-Achse (Anteflexions-Retroflexions- Achse), b in Richtung der Y-Achse (Torsionsachse) und c den Radius in Richtung der Z-Achse (lateralen Achse). Entsprechendes gilt für die artikulierende Oberfläche der Wirbelzwischenscheibe.
Ferner ist wichtig, dass erfindungsgemäß die Radien (a, b und c; bzw. a und c; bzw. a) der Ellipsoidfläche bzw. der Kugelfläche, auf der die artikulierenden Oberflächen der Deckplatte liegen, gleich groß wie die Radien (a\ b' und c'; bzw. a' und c'; bzw. a') der Ellipsoidfläche bzw. der Kugelfläche sind, auf der die artikulierenden Oberflächen der Wirbelzwischenscheibe liegen.
Insbesondere bevorzugt liegt die artikulierende Oberfläche der Deckplatte auf einem Kugelflächenausschnitt und die artikulierende Oberfläche der Wirbelzwischenscheibe liegt ebenfalls auf einem Kugelflächenausschnitt, wobei ferner insbesondere bevorzugt beide Kugelflächenausschnitte denselben Radius aufweisen.
Die Radien der besagten Kugelflächenausschnitte, auf denen die artikulierenden Oberflächen von Wirbelzwischenscheibe und Deckplatte liegen, weisen Größenordnungen von R = 15 - 45 mm auf. Entsprechend der Größe des Bandscheibenimplantats nehmen auch die Radien zu. Bandscheibenimplantate für den lumbalen Bereich weisen Radien von 25 - 45 mm, für den throakialen Bereicht von 20 - 40 mm und für den cervicalen Bereich von 15 - 35 mm auf.
Die Kontaktfläche ist mindestens eine Fläche von 400 mm2, bevorzugt von mindestens 450 mm2, weiter bevorzugt von mindestens 500 mm2 und insbesondere bevorzugt von mindestens 550 mm2. Auch hier ist zu berücksichtigen, dass die Kontaktfläche von der Größe des Implantats abhängt und größere Bandscheibenimplantate auch eine größere Kontaktfläche besitzen. Kontaktflächen dieser Größe verteilen die mechanische Belastung auf der Wirbelzwischenscheibe und führen zu einer längeren Lebensdauer des Implantats.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung wird die Kontaktfläche zwischen Deckplatte und Wirbelzwischenscheibe auch bei komplexen Bewegungen maximiert, da keine punktförmige oder linienförmige Kontaktfläche, sondern eine kugelförmige Kontaktfläche erhalten wird.
Dabei sind grundsätzlich zwei Ausführungsformen denkbar. Zum einen kann die artikulierende Oberfläche der Deckplatte konvex bzw. plankonvex und die mit der Deckplatte artikulierende Oberfläche der Wirbelzwischenscheibe konkav bzw. plankonkav ausgestaltet werden (s. Fig. 10) oder die artikulierende Oberfläche der Deckplatte wird konkav bzw. plankonkav und die mit der Deckplatte artikulierende Oberfläche der Wirbelzwischenscheibe konvex bzw. plankonvex ausgebildet (s. Fig. 11 ). Dabei ist die erstgenannte Ausführungsform bevorzugt. Ferner ist insbesondere bevorzugt, dass bei einer konkaven Ausgestaltung von artikulierender Oberfläche von Deckplatte oder von Wirbelzwischenscheibe die Kontaktfläche der artikulierenden Fläche entspricht. Bei dieser Ausführungsform sind die Radien der Kugelflächenausschnitte, auf denen die artikulierenden Oberflächen von Wirbelzwischenscheibe und Deckplatte liegen, weitgehend identisch.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Bandscheibenimplantats umfasst somit eine Grundplatte, eine Wirbelzwischenscheibe und eine Deckplatte, wobei die Wirbelzwischenscheibe so auf der Grundplatte gelagert ist, das Translationsund/oder Rotationsbewegungen möglich sind und die Deckplatte so auf der Wirbelzwischenscheibe gelagert ist, dass die artikulierende Oberfläche der Wirbelzwischenscheibe als auch die artikulierende Oberfläche der Deckplatte auf jeweils einer ellipsoiden Teilfläche, bevorzugt einer Kugelfläche liegen.
Bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann zudem die Deckplatte bis zu 20 Grad relativ zur Grundplatte ausgehend von einer parallelen Lage zueinander geneigt werden.
Ferner sind Deck- und Grundplatten bevorzugt, welche konisch zulaufen, so wie in Fig. 10 gezeigt. Deck- und Grundplatte sind auf ihrer ventralen Seite dicker als auf ihrer dorsalen Seite, um die natürliche Form eines Wirbelsegments besser nachzubilden. Deckplatte oder Grundplatte oder Deck- und Grundplatte weisen vorzugsweise auf ihrer ventralen Seite die doppelte Dicke auf, wie auf der dorsalen Seite. Alternativ weisen Deckplatte oder Grundplatte oder Deck- und Grundplatte eine Steigung von 3%, bevorzugt 6% und insbesondere bevorzugt 8% vom dorsalen zum ventralen Ende auf. Insbesondere bevorzugt ist, wenn die einander zugewandten Seiten von Deckplatte und Grundplatte keine Abschrägung aufweisen und nur die einander abgewandten Seiten von Deckplatte und Grundplatte abgeschrägt sind. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist entweder nur Grundplatte oder nur Deckplatte konisch zulaufend. Die Abschrägung von Deckplatte und/oder Grundplatte kann bis zu 10 Grad, bevorzugt 2 bis 8 Grad betragen (ventral breit und nach dorsal auslaufend). Ferner ist bevorzugt, wenn gemäß der Krümmung der Wirbelsäule die Abwinkelung der Deckplatte und/oder der Grundplatte den physiologischen Bedingungen angepasst wird, wobei vorzugsweise die Deckplatte in craniale (zum Kopf hin) Richtung eine, anderen Grad der Abwinkelung aufweist, wie die Grundplatte in kaudale (zum Fuß hin) Richtung. Die Wirbelsäule beschreibt von der Seite betrachtet ein Doppel-S (Kyphose / Lordose). Speziell im Bereich der Lendenwirbelsäule (Lordose) stehen die Wirbelkörper in einem nach ventral geöffneten Winkel zueinander. Um das entsprechende Bandscheibenfach ideal versorgen zu können, sollte das Implantat mit seinen Deck- und Bodenplatten an diese im Winkel zueinander stehenden Wirbelkörper anpassbar sein. Hintergrund ist hier, für eine ideale Krafteinleitung auf das Implantat zu sorgen, das Risiko der Luxation der Wirbelzwischenscheibe zu minimieren und die Bandstrukturen der Wirbelsäule der Physiologie entsprechend einzustellen. Diese Aspekte kämen natürlich der Langlebigkeit des Implantates zugute. Ist das Bandscheibenfach den anatomischen Strukturen entsprechend ausgefüllt und wird die Wirbelzwischenscheibe ideal belastet, so wird der Verschleiß des Polyethylens der Wirbelzwischenscheibe reduziert. Da eine
Wirbelzwischenscheibe aus Polyethylen oder auch anderen Kunststoffen dem Verschleiß am stärksten ausgesetzt wird, verwendet eine insbesondere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Wirbelzwischenscheibe aus Metall, optional beschichtet mit einer Keramikbeschichtung.
Ferner ist bevorzugt, wenn die Grundplatte als auch die Deckplatte eine konvexe Wölbung der zum Knochen gerichteten Oberfläche aufweisen. Insbesondere bevorzugt ist die konvexe Wölbung der Deckplatten zum Knochen hin, da auch die Wirbelkörper eine Wölbung (konkav) aufweisen und so einer Sinterung des Implantates in den Knochen vorgebeugt werden kann. Vorteil wäre, dass die Knochentrabekelstruktur entsprechend der Physiologie belastet werden würde, mehr Fläche zum Anwachsen des Knochens zur Verfügung stünde und die Luxationsgefahr des Implantates reduziert würde. Die Konvexität liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 1 - 5mm, d.h. an der höchsten Stelle beträgt die Erhebung bis zu 5mm.
Zusätzlich zu der Bewegungsmöglichkeit von Deckplatte und Wirbelzwischenscheibe zueinander können Wirbelzwischenscheibe und Grundplatte relativ zueinander bewegt werden. Das erfindungsgemäße
Bandscheibenimplantat ist derart ausgestaltet, dass die Wirbelzwischenscheibe so auf der Grundplatte gelagert ist, dass die Wirbelzwischenscheibe in der horizontalen Ebene wenige Grad um die axiale Torsionsachse gedreht werden kann. Die Bewegung der Grundplatte und Deckplatte zueinander ist vergleichbar mit einer Bewegung von zwei gleichen parallelen Platten, zwischen denen sich ein Ellipsoid und im Idealfall eine Kugel befindet, wobei die jeweilige Platte das Ellipsoid bzw. die Kugel im Mittelpunkt der Platte berührt. Die Bewegung der Platten zueinender ist vergleichbar mit der Bewegung von Grund- und Deckplatte des erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantats zueinander, wobei aufgrund der Gestaltung von Grund- und Deckplatte eine laterale Beugungsbewegung sowie eine Retroflexionsbewegung nur in geringerem Umfang ausgeführt werden kann, als eine Anteflexionsbewegung.
Grund- und Deckplatte können sich bis maximal 10 Grad relativ zueinander drehen, bevorzugt bis zu 8 Grad, weiter bevorzugt bis zu 6 Grad und insbesondere bevorzugt bis zu 4 Grad.
Eine Beugebewegung in lateraler Richtung kann bis zu 8 Grad, bevorzugt bis zu 12 Grad und insbesondere bevorzugt bis zu 15 nach beiden Seiten ausgehend von einer zentrierten Position erfolgen.
Eine Retroflexionsbeugebewegung kann bis zu 10 Grad, bevorzugt bis zu 15 Grad und insbesondere bevorzugt bis zu 20 Grad ausgehend von einer zentrierten Position erfolgen.
Eine Anteflexionsbeugebewegung kann bis zu 20 Grad, bevorzugt bis zu 25 Grad und insbesondere bevorzugt bis zu 30 Grad ausgehend von einer zentrierten Position erfolgen. Die Wirbelzwischenscheibe ist ferner vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie eine solche Größe hat, dass bei sämtlichen möglichen Bewegungen die Deckplatte nicht die Grundplatte berührt. Ferner weisen die Ränder von Deck- und Grundplatte eine Abwinkelung (s. Fig. 10) der einander zugewandten Ecken voneinander weg auf. Diese Abwinkelung der Ränder von Grund- und Bodenplatte sowie die Ausgestaltung der Wirbelzwischenscheibe sind wesentlich für eine lange Funktionsfähigkeit der erfindungsgemäßen Implantate, da das Berühren bzw. Reiben (Impingement) von Deck- auf Grundplatte zu einem Abrieb und zur Freisetzung von Partikeln bis hin zu größeren Implantatstücken führen kann, welche die Lebensdauer des Implantats drastisch vermindern. Zudem kann der Fall der Luxation der Wirbelzwischenscheibe dann auftreten, wenn Grund- und Deckplatte sich berühren und die Kontaktfläche zwischen Deckplatte und Wirbelzwischenscheibe aufgrund einer angehobenen Deckplatte verringert wird. Aus den vorgenannten Gründen ist daher unbedingt ein Impingement von Deck- und Grundplatte zu vermeiden.
Ferner kann die Wirbelzwischenscheibe, d.h. die Bandscheibe bevorzugt aus einem harten Kunststoff, bevorzugt Polyethylen und insbesondere Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE).
Die Bezeichnung „ultrahochmolekulares Polyethylen" ist nicht eindeutig. Als HDPE (high density PE) gilt derzeit ein PE mit einer Molmasse von unter 200.000 g/mol. Nach DIN ISO 11542 ist PE mit einer Schmelze-Massefließrate von unter 0,1 g/10 min als UHMWPE definiert (wobei dies einer Molmasse von über 106 g/mol entspräche), nach der ASTM D 4020 liegt die Grenze bei 3,1*106 g/mol. Die angegebene, mittlere Molmasse heutigen UHMWPEs liegt, je nach Hersteller und verwendeter Messmethodik zwischen 3,5*106 und 107g/mol. Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) ist ein Polyethylen nach ISO 5834-2 Standard, Chirulen® und TIVAR® Premium sind hochreine Implantatwerkstoffe aus PEUHMW für den Einsatz in der Endoprothetik. Als bevorzugte Artikulationspartner werden sie in künstlichen Hüft-, Knie-, Ellenbogen- und Schultergelenken eingesetzt.
Bei weiteren insbesondere bevorzugten Ausführungsformen wird auch Titan bzw. eine Titanlegierung eingesetzt, um die Wirbelzwischenscheibe herzustellen. Bei diesen weiter bevorzugten Ausführungsformen, welche eine Grundplatte aus Titan oder einer Titanlegierung, eine Deckplatte aus Titan oder einer Titanlegierung als auch eine Wirbelzwischenscheibe aus Titan oder einer Titanlegierung besitzen, ergeben sich sogenannte hart-hart-Paarungen und zwar zwischen Deckplatte und Wirbelzwischenscheibe als auch zwischen Grundplatte und Wirbelzwischenscheibe. Bei diesen Systemen ist ferner insbesondere bevorzugt, wenn das Titan bzw. die Titanlegierung mit einer keramischen Beschichtung versehen ist. Grundsätzlich sind Ausführungsformen bevorzugt, welche für die Wirbelzwischenscheibe keinen Kunststoff sondern ein Metall oder eine Metalllegierung verwenden, welche vorzugsweise noch mit einer keramischen Beschichtung versehen ist.
Die für die Medizinaltechnik zugelassenen Titanwerkstoffe sollten insbesondere die DIN ISO 5832-3 erfüllen. Grundsätzlich regelt sich die Zulassung von Titan und Titanlegierungen als Medizinalwerkstoff nach den DIN ISO 5832-1 bis 5832- 12 Normen. Neben dem reinen Titan können somit auch Titanlegierungen wie beispielsweise Ti-6AI-4V, Ti-Nb-Ta-Zr, Ti-AI6-Nb7 (nach ISO 5832-11) oder Ti-29Nb-13Ta- 4.6Zr erfindungsgemäß Verwendung finden. Bevorzugt sind Titanlegierungen, bei denen der Titananteil mindestens 50 Gew.-%, weitere bevorzugt 65 Gew.-%, noch weiter bevorzugt 80 Gew.-% und insbesondere bevorzugt 90 Gew.-% beträgt. Ferner ist die Verwendung von reinem bzw. medizinischem Titan zur Herstellung des gesamten Bandscheibenimplantats bevorzugt.
Grund- und Bodenplatte können zementiert oder zementfrei in den Knochen implantiert oder an dem Wirbelknochen befestigt werden, wobei die zementfreie Verankerung bevorzugt ist.
Ferner wird als Material für den Grundkörper der Grund- und/oder Deckplatte Titan eingesetzt. Titan als Grundmaterial der erfindungsgemäßen Grund- und Deckplatte ist biologisch inert, verwächst daher fest mit dem Knochen, kann zementfrei verankert werden und ist nicht allergen.
Durch die Wahl biokompatibler, inerter Materialien wird die Akzeptanz des physiologioschen Gewebes auf das Implantat wesentlich verbessert. Aufgrund der Verwendung von Materialien, welche besonders geeignet sind, tribologischen Belastungen standzuhalten, wird der Verschleiß des künstlichen Materials minimiert und somit die Lebensdauer (Standzeit) des Implantats wesentlich erhöht.
Knochenzellen können sich direkt auf biokompatiblen Werkstoffen verankern, wenn ihnen eine strukturierte Oberfläche zur Verfügung steht, deren offene Rauhigkeit im Bereich von 50 bis 400 μm liegt.
Damit die Grund- und Deckplatte fest mit dem Knochen insbesondere bei zementfreier Befestigung verwachsen, besitzt die dem Knochen zugewandte Oberfläche der Grund - als auch der Deckplatte eine Rauhigkeit von mindestens Rz 50 μm, bevorzugt von mindestens Rz 60 μm. Natürlich können auch andere Rauhigkeitsgrade verwendet werden bis hin zu Spongiosametall.
Die Rauhigkeit wird entweder als Rz oder Ra (DIN 4762, 4768, 4775, ISO 4288) angegeben. Rz bezeichnet die gemittelte Rauhtiefe. Die gemittelte Rauhtiefe Rz ist das arithmetische Mittel aus den größten Einzelrauhtiefen mehrerer aneinandergrenzenden Einzelmessstrecken. Ra bezeichnet hingegen den arithmetischen Mittenrauhwert. Ra ist der allgemein anerkannte und international angewendete Rauheitsparameter. Er ist der arithmetische Mittelwert der absoluten Werte der Profilabweichungen innerhalb der Bezugsstrecke. Der gemessene Zahlenwert Ra ist immer kleiner als der auf dem gleichen Rauheitsprofil ermittelte Rz-Wert.
Grund- und/oder Deckplatte des erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantats sind vorzugsweise mit einer metallischen oder keramischen Beschichtung überzogen, die eine variable Anzahl der einzelnen Schichten oder eine unterschiedliche Schichtdicke aufweisen kann. Keramische Beschichtungen umfassen Nitride, Carbide und Phosphide von bevorzugt Halbmetallen und Metallen bzw. Metalllegierungen. Beispiele für keramische Beschichtungen sind Bornitride, Titan-Niob-Nitrid, Titan-Calcium-Phosphid (Ti-Ca-P), Cr-Al-N, Ti-Al-N, Cr-N, TiAIN-CrN, Ti-Al-C, Cr-C, TiAIC-CrC, Zr-Hf-N, Ti-Hf-C-N, Si-C-N-Ti, Si-C-N sowie DLC (Diamond Like Carbon). Als Beschichtung wird ferner vorzugsweise eine keramische Schicht aus Titan-Niob-Nitrid (Ti-Nb-N) aufgebracht.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die artikulierende Oberfläche der Grund- und der Deckplatte mit Titan-Niob-Nitrid (Ti-Nb-N) beschichtet ist.
Diese keramische Beschichtung der insbesondere artikulierenden Implantatoberflächen hat eine Härte, die um ein Vielfaches höher ist, als die von herkömmlich verwendeten Materialien. Durch diese Härte ist die Oberfläche hoch polierbar und vor Titanabtrieb geschützt.
Erfindungsgemäß ist die Geometrie der artikulierenden Kompartimente derart gewählt, dass die Flächen, welche dem Verscheiß ausgesetzt sind, maximiert werden können. Dies bedeutet, dass erfindungsgemäß die Geometrie der Gelenkpartner so gewählt wird, dass über eine plane Kontaktfläche zwischen Grundplatte und Wirbelzwischenscheibe und einen ellipsoiden Flächenausschnitt, bevorzugt einen Kugelausschnitt zwischen Wirbelzwischenscheibe und Deckplatte die tribologisch belasteten Flächen maximiert werden, was den Verschleiß letztendlich reduziert. Hieraus resultiert eine Verminderung der wirkenden Kräfte pro Flächeneinheit, was sich durch Reduzierung des Abriebs wiederum positiv auf die Standzeit des Implantats auswirkt. Durch die gewählte und auf den Einzelfall angepasste Geometrie des Bandscheibenimplantats, insbesondere der Geometrie der Wirbelzwischenscheibe, und die korrekte Platzierung des Implantats bei der Operation, wird der physiologischen Beweglichkeit der Wirbelkörpersegmente zueinander bestmöglichst entsprochen. Durch diese annähernd perfekte Imitation einer natürlichen Bandscheibe bzw. deren Beweglichkeit werden die auf die Knochen-Implantat-Grenze einwirkenden Kräfte erheblich verringert, was sich positiv auf die Langlebigkeit (Reduzierung von Verschleiß und Minimierung von Lockerungen) des Implantats auswirkt.
Die Prothesen des Standes der Technik können zumeist nur auf maximal zwei Etagen im Rücken eingesetzt werden. Die erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantate können auch auf mehr als zwei Etagen im Rückgrat eingesetzt werden. Dabei werden die einzelnen Bandscheibenimplantate nach Größe und Geometrie ihrer jeweiligen Lage angepasst, so dass durch derartige Mehrfachimplantate auch Wirbelsäulenleiden, Wirbelsäulenschäden als auch Wirbelsäulenerkrankungen behandelt werden können.
Zu diesen Wirbelsäulenleiden, Wirbelsäulenschäden als auch Wirbelsäulenerkrankungen, welche durch ein erfindungsgemäßes Bandscheibenimplantat oder durch einen Satz von erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantaten behandelt werden können, zählen beispielsweise Skoliose, d.h. die seitliche Verbiegung der Wirbelsäule, auch Rückgratverkrümmung genannt, Bandscheibenhernie, worunter man das Hervortreten des Bandscheibenkerns gegen die angrenzenden Wirbelkörper oder die Nervenwurzeln versteht sowie Kyphose, was die Biegung der Wirbelsäule nach hinten bezeichnet.
Ferner können durch die erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantate folgende Wirbelsäulenleiden, Wirbelsäulenschäden als auch Wirbelsäulenerkrankungen behandelt werden können: Diskusbruch (d.h. Bandscheibenschaden), Black Disc (degenerative Bandscheibe, welche im Röntgenbild schwarz erscheint), die Spontanverformung, d.h. die Verformung von Wirbelkörpern durch Krankheiten, Knochenveränderungen oder Geschwülste, Lumbago oder geläufiger als Hexenschuß oder Lendenweh bezeichnet, worunter man einen heftigen, meist plötzlich auftretenden Schmerz in der Kreuz- und Lendengegend versteht. Lumbago entsteht am häufigsten durch Veränderungen der Bandscheiben. Spondylosis deformans, d.h. Erkrankung der Wirbelkörper und Bandscheiben mit starkem Bewegungsschmerz, Witwenbuckel, worunter man eine Rückgratverkrümmung bei älteren Frauen, hervorgerufen durch Knochenschwund aufgrund der veränderten hormonellen Lage nach dem Klimaterium (Wechseljahre) versteht, Spondylomyelitis, d.h. Entzündung von Wirbeln und Rückenmark, Osteochondrose, was die
Veränderung und Verkümmerung von Zwischenwirbelscheiben bezeichnet, sowie Osteofibrose, was die Erkrankungen des Skeletts bei Jugendlichen bezeichnet, Spina bifida auch bekannt unter Spaltwirbel, insbesondere die angeborene Spaltbildung der Wirbelsäule, Lordose, worunter der Fachmann die
Verkrümmung der Wirbelsäule nach vorn, verursacht durch einen hohlen Rücken versteht, Spondylotosis, d.h. das Abgleiten eines Wirbelkörpers um eine ganze Wirbelbreite, meistens des 5. Lendenwirbels auf das Kreuzbein, Schipperkrankheit, welche den durch schwere Überanstrengung verursachten Abrißbruch, meistens des 7. Halswirbels oder des 1. Brustwirbeldornfortsatzes bezeichnet, Myelomeningozele, worunter der Fachmann die angeborene Mißbildung von Wirbelbögen versteht, Brachialgie, was die Schmerzen in den Armen und Schultern aufgrund von Veränderungen im Bereich der Halswirbel bezeichnet, Baastrup-Zeichen, was die Verbiegung der Wirbelsäule nach vorn mit Verbreiterung der Dornfortsätze und Zerquetschung des dazwischenliegenden Gewebes meint, das meist mit starken Kreuzschmerzen und Druckschmerz der Dornfortsätze verbunden ist, Wirbelankylose, bezeichnet die knöcherne Versteifung der Wirbelsäule mit starken Schmerzen in Rumpf, Armen und Beinen und Lähmungen der Gliedmuskeln, Scheuermann-Krankheit, womit der Fachmann Knochen- und Knorpelentzündungen der einzelnen Wirbelkörper, vorzugsweise der Brustwirbelsäule bei Jugendlichen bezeichnet, Zervikalsyndrom, d.h. Erkrankungen der Weichteile im Bereich der Halswirbelsäule, Lendenkyphose, d.h. Krümmung der Wirbelsäule im Bereich der Lendenwirbel, Tortikollis, d.h. Schiefhals, häufig rheumatisch bedingt als auch die Bechterew Krankheit, womit die chronisch entzündliche Wirbelsäulenerkrankung, die zu Veränderungen und Versteifung des gesamten Wirbelsäulenapparates führt gemeint ist.
Figurenbeschreibung
Figur 1 zeigt zwei Wirbel mit Wirbelkörper, Wirbelkanal, Wirbelbogen, Querfortsatz und Dornfortsatz sowie den zugehörigen Bandscheiben;
Figur 2 zeigt einen horizontalen Schnitt durch eine L3/4-Bandscheibe sowie die IHA-Wanderung bei einer Rotationsbewegung. Bei Flexion läuft die IHA in einem ventralen bogen von einem Gelenk zum anderen (1 ), bei
Extension aber in einem dorsalen Bogen (2). Die Wanderungsstrecken können 40 mm bis > 60 mm betragen. Nach der Resektion befindet sich die IHA im Bandscheibenzentrum (3) [Figur 2 und Text wurden der Publikation von M. Mansour, D. Kubein-Meesenburg, St. Spiering, J. Fanghänel, H. Nägerl BlOmaterialien, 2003, 4 (3), 229 entnommen]; Figur 3 ist eine Abbildung des ventralen und dorsalen Abschnitts eines Wirbelgelenks in der Höhe von L1 bis L4 bzw. L5. Es ist zu erkennen, dass in Höhe von L5 das Gelenk eher in der Frontalebene verläuft. Dort ist auch die axiale Rotation mit ca. 1 ,5° höher als in den übrigen Lendenwirbelsegmenten L1 bis L4 mit ca. 1 Grad [Figur 3 und Text wurden der Publikation von M. Krismer, C. Haid, M. Ogon, H. Behensky, C. Wimmer, Orthopädie 1997, 26, 516-520 entnommen];
Figur 4 zeigt eine Möglichkeit zur Bestimmung des ICR (Instantaneous Center of Rotation) mittels Vektoren für die Geschwindigkeit zweier in einer Ebene liegender Punkte; Figur 5 zeigt das momentane Bewegungszentrum (ICR: Instantaneous Center of Rotation) bei der Flexion oder Extension nach Gertzbein. Die dicken
Punkte sowie die dicke Verbindungslinie geben die Wanderung des Rotationszentrums in Abhängigkeit von der Bewegung an. [Figur 5 und Text wurden der Publikation von M. Krismer, C. Haid, M. Ogon, H. Behensky, C. Wimmer, Orthopädie 1997, 26, 516-520 entnommen]; Figur 6 stellt die distaie Grundplatte des Implantats dar. Gezeigt wird eine zur zentralen Aufnahme der Wirbelzwischenscheibe geeignete Verankerung, welche Rotations- als auch Translationsbewegungen zulässt;
Figur 7 zeigt die Wirbelzwischenscheibe betrachtet von der der Grundplatte zugewandten Seite. Zu sehen ist eine runde Aussparung, welche zur Aufnahme eines auf der Grundplatte angebrachten Befestigungsmittels, beispielsweise eines Stiftes geeignet ist;
Figur 8 zeigt die Wirbelzwischenscheibe betrachtet von der der Deckplatte zugewandten Seite. Zu sehen ist die konkav ausgebildete artikulierende
Oberfläche der Wirbelzwischenscheibe. Die Radien R deuten an, dass die mit der Deckplatte artikulierende Oberfläche der
Wirbelzwischenscheibe auf einem Kugelflächenausschnitt liegt;
Figur 9 zeigt die Deckplatte mit der der Wirbelzwischenscheibe zugewandten
Fläche mit ihrer plankonvex ausgestalteten artikulierenden Oberfläche.
Die konvexe mittig angeordnete Auswölbung weist denselben Radius wie die artikulierende Oberfläche der Wirbelzwischenscheibe gemäß Fig. 8 auf, so dass die artikulierende Oberfläche der Deckplatte auf einem Kugelflächenausschnitt mit dem Radius R liegt; Figur 10 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines
Bandscheibenimplantats; Figur 11 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines
Bandscheibenimplantats.
Ausführungsbeispiele
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantats werden nun anhand der Beispiele diskutiert, wobei zu berücksichtigen ist, dass die diskutierten Beispiele vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergeben, jedoch den Schutzumfang nicht auf diese Ausführungsformen beschränkten.
Beispiel 1 Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantats besteht aus einer Deckplatte wie in Fig. 9 gezeigt, einer Wirbelzwischenscheibe wie in Fig. 7 und 8 dargestellt und einer Grundplatte wie in Fig. 6 offenbart.
Das Bandscheibenimplantat weist eine Größe auf, welche zum Ersatz eines L3/4 Wirbelsegments geeignet ist. Kleinere Ausführungsformen des in Beispiel 1 beschriebenen Bandscheibenimplantats sind durch einen Fachmann ohne Probleme herzustellen. Bei diesen kleineren Ausführungsformen können die Kontaktflächen insbesondere zwischen Wirbelzwischenscheibe und Deckplatte aber auch zwischen Wirbelzwischenscheibe und Grundplatte entsprechend der Größe der kleineren Ausführungsformen entsprechend kleiner ausfallen. Gleiches gilt für die oben angegebenen Werte für die Translationsbewegungen in lateraler als auch Retroflexions-Anteflexions-Richtung.
Die Deckplatte besteht aus in der Medizintechnik verwendetem Titan. Die dem Knochen zugewandte Oberfläche der Deckplatte ist rauh, so dass ein Einwachsen bzw. Anwachsen von Knochenzellen ermöglicht wird. Die Rauhigkeit Rz beträgt ca. 60 ± 5 μm. Die artikulierende Oberflächen der Deckplatte ist plankonvex ausgestaltet wie in Fig. 9 dargestellt und mit einer keramischen Schicht aus Ti-Nb-N überzogen. Die Schichtdicke beträgt 3 - 5 μm.
Die artikulierende Oberfläche der Deckplatte liegt auf einem Kugelflächenausschnitt mit einem Radius von R = 25 mm. Die Grundplatte besteht ebenfalls aus Titan und weist eine Form wie in Fig. 6 gezeigt auf. Die dem Knochen zugewandte Oberfläche der Grundplatte ist rauh ausgestaltet mit einer Rauhigkeit Rz von ca. 60 ± 5 μm. Die Auflagefläche für die Wirbelzwischenscheibe ist mit einer keramischen Beschichtung aus Ti-Nb-N überzogen. Die Schichtdicke beträgt 3 - 5 μm.
Wie Fig. 6 verdeutlicht, ist die der Wirbelzwischenscheibe zugewandte Oberfläche der Tibiakomponente planar, bis auf den mittig angeordneten Stift. Dieser Stift weist eine zylindrische Form mit einer Höhe von 5 mm und einem Durchmesser von 7 mm auf. Auch der Stift ist mit einer keramischen Beschichtung aus Ti-Nb-N versehen. Die Grundplatte ist rechteckig dargestellt, kann natürlich auch andere Umrisse aufweisen und in ihrer Dicke variieren, wie in Fig. 10 dargestellt.
Die Wirbelzwischenscheibe weist eine Gestalt wie in Fig. 7 und 8 dargestellt auf. Fig. 7 zeigt die Bodenfläche der Wirbelzwischenscheibe mit einer zylinderförmigen Aussparung zur Aufnahme des Führungs- und/oder Aufnahmestiftes der Grundplatte. Fig. 8 zeigt die Oberseite der Wirbelzwischenscheibe mit ihrer konkav ausgestalteten artikulierenden Oberfläche. Die artikulierende Oberfläche liegt auf einem Kugelflächenausschnitt mit dem Radius R. Die gestrichelt gezeichneten konzentrischen Kreise auf der artikulierenden konkaven Oberfläche der Wirbelzwischenscheibe verdeutlichen, dass diese Oberfläche Teil einer Kugelfläche ist. Die Wirbelzwischenscheibe besteht aus UHMWPE. Die der Deckplatte zugewandte Seite der Wirbelzwischenscheibe ist konkav ausgestaltet und weist einen Radius von 25 mm auf. Die konkave Senke der Wirbelzwischenscheibe mit R = 25 mm nimmt die konvexe Auswölbung der Deckplatte mit ebenfalls R = 25 mm so auf, dass eine Kontaktfläche entsteht, welche auf einem Kugelflächenausschnitt liegt. Es ergibt sich insgesamt eine Kontaktfläche von ca. 450 mm2. Dadurch wird eine flächenmäßige Lastverteilung und keine punktförmige oder linienförmige Lastverteilung auf der Wirbelzwischenscheibe erreicht.
Die gesamte artikulierende Oberfläche der konkaven Senke der Wirbelzwischenscheibe entspricht der Kontaktfläche.
Ferner weist die Wirbelzwischenscheibe auf ihrer der Grundplatte zugewandten Seite eine Aussparung auf, welche in Fig. 8 dargestellt wird. Diese Aussparung ist für die Aufnahme des Stiftes der Grundplatte vorgesehen. Dieser Stift wird in Figur 6 gezeigt. Aufgrund des größeren Durchmessers der Aussparung in der Wirbelzwischenscheibe im Vergleich zum Durchmesser des Stiftes der Grundplatte kann die Wirbelzwischenscheibe Rotations- aber auch Translationsbewegungen auf der Grundplatte ausführen. Die Rotationsbewegung ist physiologisch auf ca. 1 ,5 Grad beschränkt.
Der Stift auf der Grundplatte weist einen Durchmesser von 7 mm auf. Die Aussparung in der Wirbelzwischenscheibe besitzt einen Durchmesser in lateraler Richtung von 11 mm und in Retroflexions-Anteflexions-Richtung von 13 mm. Somit weist die Aussparung in lateraler Richtung den 1 ,57-fachen und in Retroflexions-Anteflexions-Richtung den 1 ,86-fachen Durchmesser des Stiftes auf.
Ausgehend von einer zentralen Lage kann sich die Wirbelzwischenscheibe auf der Grundplatte in lateraler Richtung 2 mm bewegen bzw. insgesamt 4 mm von einer lateralen Extremposition zur anderen. Ausgehend von einer zentralen Lage kann sich die Wirbelzwischenscheibe auf der Grundplatte 3 mm in Retroflexions- Richtung und 3 mm in Anteflexions-Richtung bzw. insgesamt 6 mm von der dorsalen Extremposition zur ventralen Extremposition bewegen.
Bei einer Beugebewegung können Grund- und Deckplatte bis zu 20 Grad zueinander geneigt werden. Komplexe Bewegungen verursachen eine
Wanderung der IHA wie bei einem natürlichen L3/4 Wirbelsegment. Gleiches gilt für das momentane Bewegungszentrum (ICR).
Somit erlaubt die erfindungsgemäße Ausführungsform Bewegungsfreiheitsgrade wie bei einem natürlichen Wirbelsegment, wobei auch bei komplexen Bewegungen durch die aufeinanderliegenden Kugelflächen von Wirbelzwischenscheibe und Deckplatte Belastungsspitzen auf der Wirbelzwischenscheibe vermieden werden.
Beispiel 2
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantats für ein L2/3 Wirbelsegment besteht aus einer Deckplatte, einer Wirbelzwischenscheibe und einer Grundplatte wie in Fig. 10 offenbart.
Die Deckplatte besteht aus der Titanlegierung Ti-AI6-Nb7 gemäß ISO 5832-11. Die dem Knochen zugewandte Oberfläche der Deckplatte ist rauh mit einer Rauhigkeit Rz von ca. 55 ± 5 μm. Die artikulierende Oberflächen der Deckplatte ist plankonvex ausgestaltet und mit einer ca. 6 μm dicken keramischen Beschichtung überzogen. Als keramische Beschichtung wurden Ti-Ca-P oder Si- C-N-Ti oder DLC eingesetzt.
Die artikulierende Oberfläche der Deckplatte liegt auf einem Kugelflächenausschnitt mit einem Radius von R = 24 mm.
Die Grundplatte besteht ebenfalls aus Ti-AI6-Nb7. Die dem Knochen zugewandte Oberfläche der Grundplatte ist rauh ausgestaltet mit einer Rauhigkeit Rz von ca. 55 ± 5 μm. Die Auflagefläche für die Wirbelzwischenscheibe ist mit einer keramischen Beschichtung aus Ti-Ca-P oder Si-C-N-Ti oder DLC überzogen. Die Schichtdicke beträgt ca. 6 μm. Ferner weist die Grundplatte einen Führungsstift mit einem Durchmesser von 5,5 mm und einer Höhe von 4 mm auf. Auch der Stift ist mit
Ti-Ca-P oder Si-C-N-Ti oder DLC beschichtet.
Die Deckplatte weist eine konvexe Wölbung mit einer maximalen Erhebung von 3,5 mm auf ihrer dem Knochen zugewandten Seite auf. Zudem weist die Deckplatte einen Steigungswinkel von 8 Grad auf und ist auf ihrer ventralen Seite nahezu doppelt so dick wie auf der dorsalen Seite. Auch die Grundplatte weist eine Abschrägung von 6 Grad mit einer nach dorsal zulaufenden Form auf.
Die Wirbelzwischenscheibe besteht ebenfalls aus Ti-AI6-Nb7 nach ISO 5832-11 mit einer keramischen Beschichtung aus Ti-Ca-P oder Si-C-N-Ti oder DLC. Die Schichtdicke beträgt ca. 6 μm.
Auf ihrer Unterseite weist die Wirbelzwischenscheibe eine ovale Aussparung auf, welche lateral einen Durchmesser von 7 mm und ventral-dorsal einen Durchmesser von 10 mm besitzt. Die Kontaktfläche zur Deckplatte beträgt ca. 440 mm2.
Beispiel 3 Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantats für ein Th5/6 Wirbelsegment besteht aus einer Deckplatte, einer Wirbelzwischenscheibe und einer Grundplatte wie in Fig. 10 offenbart. Die Deckplatte besteht aus der Titanlegierung Ti-AI6-Nb7 gemäß ISO 5832-11. Die dem Knochen zugewandte Oberfläche der Deckplatte ist rauh mit einer Rauhigkeit Rz von ca. 65 ± 5 μm. Die artikulierende Oberflächen der Deckplatte ist plankonvex ausgestaltet und mit einer 4 μm dicken keramischen Beschichtung aus Ti-Al-N überzogen.
Die artikulierende Oberfläche der Deckplatte liegt auf einem Kugelflächenausschnitt mit einem Radius von R = 22 mm.
Die Grundplatte besteht ebenfalls aus Ti-AI6-Nb7. Die dem Knochen zugewandte Oberfläche der Grundplatte ist rauh ausgestaltet mit einer Rauhigkeit Rz von ca. 65 ± 5 μm. Die Auflagefläche für die Wirbelzwischenscheibe ist mit einer keramischen Beschichtung aus Ti-Al-N überzogen. Die Schichtdicke beträgt 4 μm. Ferner weist die Grundplatte einen Führungsstift mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Höhe von 4 mm auf. Auch der Stift ist mit Ti-Al-N beschichtet.
Die Wirbelzwischenscheibe besteht aus UHMWPE oder aus Titan oder aus Ti-AI6-Nb7 nach ISO 5832-11. Wird Titan als Material verwendet, so wird die Wirbelzwischenscheibe vollständig oder zumindest ihre artikulierenden Oberflächen auf der Unter- und Oberseite mit einer keramischen Beschichtung aus Ti-Nb-N beschichtet. Die Schichtdicke beträgt 3 - 5 μm. Im Falle der Verwendung von Ti-AI6-Nb7 wird eine keramische Beschichtung aus Ti-Al-N zumindest auf die artikulierenden Oberflächen aufgetragen.
Auf ihrer Unterseite weist die Wirbelzwischenscheibe eine ovale Aussparung auf, welche lateral einen Durchmesser von 7 mm und ventral-dorsal einen Durchmesser von 12 mm besitzt. Somit kann sich die Wirbelzwischenscheibe in lateraler Richtung jeweils 0,5 mm bewegen oder absolut eine Strecke von 1 ,0 mm zurücklegen wohingegen in ventraler Richtung eine Translationsbewegung von 3 mm und in dorsaler Richtung ebenfalls eine Translationsbewegung von 3 mm möglich ist bzw. vom dorsalen Extrempunkt zum ventralen Extrempunkt eine Strecke von 6 mm zurückgelegt werden kann.
Die mit der Deckplatte artikulierende Oberfläche ist konkav ausgestaltet mit einem Radius von R = 22 mm. Es ergibt sich eine Kontaktfläche von mindestens 420 mm2. Deck- und Bodenplatte laufen in dorsale Richtung leicht konisch zu, können bis zu 2 Grad relativ zueinander gedreht und bis zu 15 Grad zueinander gekippt werden.
Bei diesen komplexen Rotations- und Beugebewegungen des Bandscheibenimplantats beschreibt die IHA Wanderbewegungen wie bei einem natürlichen Wirbelsegment. Somit erlaubt die erfindungsgemäße
Ausführungsform Bewegungsfreiheitsgrade wie bei einem natürlichen Wirbelsegment, wobei auch bei komplexen Bewegungen durch die aufeinanderliegenden Kugelflächen von Wirbelzwischenscheibe und Deckplatte Belastungsspitzen auf der Wirbelzwischenscheibe vermieden werden.
Beispiel 4
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantats für ein C2/3 Wirbelsegment besteht aus einer Deckplatte, einer Wirbelzwischenscheibe und einer Grundplatte wie in Fig. 11 gezeigt.
Die Deckplatte und Bodenplatte bestehen aus der Titanlegierung Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr. Die dem Knochen zugewandte Oberfläche der Deckplatte ist rauh mit einer Rauhigkeit Rz von ca. 55 ± 5 μm. Die artikulierende Oberflächen von Deck- und Bodenplatte sind mit einer ca. 3 μm dicken Beschichtung aus Ti-Hf-C-N oder Zr-Hf-N versehen.
Die Deckplatte ist plankonkav ausgestaltet mit einer Ausbuchtung, welche einen Radius von 18 mm aufweist.
Die Wirbelzwischenscheibe besteht aus UHMWPE oder aus Titan oder aus Ti-AI6-Nb7 nach ISO 5832-11 oder aus Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr. Wird Titan oder eine Titanlegierung als Material verwendet, so wird die Wirbelzwischenscheibe vollständig oder zumindest ihre artikulierenden Oberflächen auf der Unter- und Oberseite mit einer keramischen Beschichtung überzogen.
Die Wirbelzwischenscheibe ist plankonvex ausgestaltet mit einer auf einer Kugelfläche liegenden artikulierenden Oberfläche, welche denselben Radius wie die Kugelfläche hat, auf der die artikulierende Oberfläche der Deckplatte liegt. Die Kontaktfläche hat eine Größe von mindestens 400 mm2. Die runde Aussparung in der Wirbelzwischenscheibe, welche zur Aufnahme des Führungsstiftes geeignet ist, weist einen Durchmesser von 6 mm auf.
Der auf der Grundplatte angebrachte zylindrische Führungsstift besitzt eine Höhe von 3 mm und einen Durchmesser von 4 mm. Aufgrund dieser Abmessungen kann sich der Führungsstift bzw. die Wirbelzwischenscheibe auf der Grundplatte ausgehend von einer zentrierten Lage 1 mm in sämtliche Richtungen horizontal translatorisch bewegen. Eine Rotationsbewegung ist bis zu einem Grad möglich.
Das künstliche Halswirbelimplantat ist somit in der Lage, Bewegungsabläufe wie das natürliche C2/3 Wirbelsegment zu vollziehen und das momentane Bewegungszentrum (ICR) sowie die IHA beschreiben Wanderbewegungen wie bei dem natürlichen Wirbelsegment.
Beispiel 5
Materialien und Ausgestaltung von Grund- und Deckplatte sind ähnlich wie in den Beispielen 1 - 3 beschrieben mit dem Unterschied, dass auf der Grundplatte nicht ein mittig angebrachtes Befestigungsmittel sonder zwei oder drei ventral und/oder dorsal und/oder lateral versetzte Befestigungsmittel verwendet werden.
Demgemäß weist die Wirbelzwischenscheibe auch nicht nur eine Aussparung zur Aufnahme eines Befestigungsmittels, sondern mehrere Aussparungen auf.
Auf der Bodenplatte werden beispielsweise zwei zylindrische Stifte lateral versetzt angebracht. Jeder Stift hat einen Durchmesser von 4 mm und eine Höhe von 4 mm. Die Wirbelzwischenscheibe weist zwei zur Aufnahme dieser Stifte geeignete runde, ovale oder halbmondförmige Aussparungen auf, welche so dimensioniert sind, dass die Wirbelzwischenscheibe auf der Grundplatte Translationsbewegungen in lateraler Richtung von 1 - 2 mm und in ventraler- dorsaler Richtung von 2 - 6 mm ausführen kann.
Die beiden Stifte begrenzen die Rotation auf ca. 1 ,5 Grad.
Auch diese Ausgestaltung ermöglicht Bewegungsabläufe wie bei dem natürlichen Wirbelsegment, was anhand des Verlaufs der IHA bzw. des ICR nachvollzogen werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Bandscheibenimplantat, wobei der Gelenkschwerpunkt bei einer Rotations- und/oder Beugebewegung veränderbar ist.
2. Bandscheibenimplantat, wobei die Wanderung des momentanen Bewegungszentrums (ICR) derart wie bei einem natürlichen Wirbelsegment erfolgen kann.
3. Bandscheibenimplantat nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schraubachse (IHA) Wanderungen wie bei einem natürlichen Wirbelsegment ausführen kann.
4. Bandscheibenimplantat nach einem der Ansprüche 1 - 3, wobei die Schraubachse (IHA) Wanderungen entlang eines ventralen oder dorsalen Bogens ausführen kann.
5. Bandscheibenimplantat nach einem der Ansprüche 1 - 4, umfassend eine Grundplatte und eine Wirbelzwischenscheibe, wobei die
Wirbelzwischenscheibe so auf der Grundplatte gelagert ist, dass Translations- und/oder Rotationsbewegungen möglich sind.
6. Bandscheibenimplantat nach Anspruch 5, wobei die Wirbelzwischenscheibe so auf der Grundplatte gelagert ist, dass Translations- und
Rotationsbewegungen möglich sind.
7. Bandscheibenimplantat nach einem der Ansprüche 1 - 6, des weiteren umfassend eine Deckplatte, wobei die Deckplatte so auf der Wirbelzwischenscheibe gelagert ist, dass die artikulierende Oberfläche der
Wirbelzwischenscheibe als auch die artikulierende Oberfläche der Deckplatte auf jeweils einer ellipsoiden Teilfläche liegen.
8. Bandscheibenimplantat nach Anspruch 7, wobei es sich bei der ellipsoiden Teilfläche um eine Kugelteilfläche handelt.
9. Bandscheibenimplantat nach einem der Ansprüche 1 - 8, wobei die Wirbelzwischenscheibe aus Polyethylen oder Titan oder einer Titanlegierung besteht.
10. Bandscheibenimplantat nach einem der Ansprüche 1 - 9, wobei die Grundplatte und/oder die Deckplatte zementfrei in den Knochen implantiert oder an dem Knochen befestigt werden können.
11. Bandscheibenimplantat nach einem der Ansprüche 1 - 10, wobei die Grundplatte und/oder die Deckplatte aus Titan oder einer Titanlegierung bestehen.
12. Bandscheibenimplantat nach einem der Ansprüche 1 - 11 , wobei die Grundplatte und/oder die Deckplatte und/oder die Wirbelzwischenscheibe aus Titan oder Titanlegierung mit einer keramischen Beschichtung überzogen ist.
13. Bandscheibenimplantat nach Anspruch 12, wobei es sich bei der keramischen Beschichtung um Titan-Niob-Nitrid (Ti-Nb-N) handelt.
14. Verwendung des Bandscheibenimplantats nach einem der Ansprüche 1 - 13 zur Behandlung von Skoliose, Bandscheibenhernie, Kyphose, Diskusbruch, Black Disc, Spontanverformung, Lumbago, Spondylosis deformans, Witwenbuckel, Spondylomyelitis, Osteochondrose, Osteofibrose, Spina bifida, Lordose, Spondylotosis, Schipperkrankheit, Myelomeningozele,
Brachialgie, Baastrup-Zeichen, Wirbelankylose, Scheuermann-Krankheit, Zervikalsyndrom, Lendenkyphose, Tortikollis sowie der Bechterew Krankheit.
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