Die wissenschaftlichen Grundlagen des Gelenkersatzes

Eine Einführung für den Chirurgen.- 1 Materialeigenschaften.- 1.1 Fundamentale Materialeigenschaften.- 1.1.1 Werkstoffprüfung im Zugversuch.- 1.1.2 Der Bruch.- 1.1.3 Die Härteprüfung.- 1.1.4 Materialermüdung.- 1.1.5 Korrosion.- 1.1.6 Korrosionsermüdung.- 1.2 Werkstoffe für den totalen Gelenkersatz.- 1.2.1 Allgemeine Überlegungen.- 1.2.2 Statische mechanische Eigenschaften.- 1.2.3 Ermüdung.- 1.2.4 Korrosion.- 1.2.5 Korrosionsermüdung.- 1.2.6 Zusammenfassung.- Literatur.- 2 Elastomechanik.- 2.1 Elementare Elastizitätstheorie.- 2.1.1 Zug und Druck.- 2.1.2 Reine Biegung.- 2.1.3 Überlagerung von Biegung und Scherung.- 2.1.4 Überlagerung von Biegung und Kompression.- 2.1.5 Torsion.- 2.1.6 Verbundwerkstoffe.- 2.1.6.1 Kompression.- 2.1.6.2 Biegung.- 2.1.6.3 Torsion.- 2.1.7 Zusammenfassung.- 2.1.7.1 Eindimensionaler Zug und Druck.- 2.1.7.2 Reine Biegung.- 2.1.7.3 Torsion.- 2.1.7.4 Überlagerung mehrerer Belastungen.- 2.1.7.5 Verbundwerkstoffe.- 2.2 Die experimentelle Bestimmung von Spannungen.- 2.2.1 Beschichtung mit spröden Überzügen.- 2.2.2 Dehnungsmeßstreifen.- 2.2.3 Spannungsoptik.- 2.3 Die Bestimmung von Spannungen in Gelenkprothesen.- 2.3.1 Der Stellenwert von theoretischen und experimentellen Spannungsuntersuchungen.- 2.3.2 Die Stiele von Prothesen für den totalen Hüftgelenkersatz.- 2.3.2.1 Theoretische Überlegungen.- 2.3.2.2 Experimentelle Bestimmungen von Spannungen.- 2.3.2.3 Zusammenfassung und Folgerungen.- 2.3.3 Spannungsuntersuchungen an anderen Prothesenteilen.- Literatur.- 3 Reibung, Schmierung und Verschleiß.- 3.1 Theoretische Grundlagen.- 3.1.1 Reibung.- 3.1.2 Die verschiedenen Arten des Verschleißes.- 3.1.3 Gesetzmäßigkeiten des Verschleißes.- 3.1.3.1 Verschleiß infolge von Adhäsion (adhesive wear).- 3.1.3.2 Verschleiß infolge von Abschleifvorgängen (abrasive wear).- 3.1.3.3 Die P-V-Beziehung.- 3.1.4 Schmierung.- 3.1.5 Zusammenfassung.- 3.1.5.1 Reibung.- 3.1.5.2 Verschleiß.- 3.1.5.3 Schmierung.- 3.2 Der Verschleiß von Prothesen für den totalen Gelenkersatz.- 3.2.1 Qualitätsprüfungen mit einfachen Maschinen.- 3.2.1.1 Literaturübersicht.- 3.2.1.2 Diskussion.- 3.2.1.3 Zusammenfassung.- 3.2.2 Laboruntersuchungen mit Gelenksimulatoren.- 3.2.2.1 Zusammenfassung.- 3.2.3 Die Prüfung aus dem Körper entfernter Prothesen.- 3.2.3.1 Literaturübersicht.- 3.2.3.2 Diskussion.- 3.2.4 Klinische Ergebnisse.- 3.2.4.1 Literaturübersicht.- 3.2.4.2 Diskussion.- 3.3 Die Anwendung der Verschleißtheorie bei der Konstruktion von Prothesen für den totalen Gelenkersatz.- 3.3.1 Der Einfluß der Femurkopfgröße auf den Verschleiß von Metall-Polymer-Hüftgelenktotalprothesen.- 3.3.1.1 Mathematische Beschreibung.- 3.3.1.2 Zusammenfassung und Folgerungen.- 3.3.2 Der Verschleiß von scharnierlosen Kniegelenktotalprothesen.- 3.3.2.1 Mathematische Beschreibung.- 3.3.2.2 Diskussion.- Literatur.- 4 Die gewebliche Beschreibung gegen Totalendoprothesen.- 4.1 Einführung.- 4.2 Die Reaktion des Knochens auf ein Implantat.- 4.2.1 Die Morphologie der Übergangszone zwischen Knochen und Zement im Normalfall.- 4.2.2 Die Ursache für die Entstehung faserigen Bindegewebes zwischen Knochen und Zement.- 4.2.2.1 Die Ursachen für die Knochennekrose.- 4.2.2.2 Die Ursachen für den fibrösen Ersatz des nekrotischen Knochens.- 4.2.3 Der direkte Kontakt zwischen Endoprothese und lebendem Knochen.- 4.2.3.1 Techniken, durch die lebender Knochen in einen Dauerkontakt mit der Implantatoberfläche gebracht werden kann.- 4.2.3.2 Der Einfluß der Implantatmaterialien auf den Dauerkontakt zum lebenden Knochen.- 4.2.3.3 Zusammenfassung.- 4.3 Die „normale“ Gewebereaktion auf Abrieb-Partikel und Korrosion.- 4.3.1 Die Morphologie der Weichteilreaktion auf metallische, Polyäthylen- und weitere nichtmetallische Partikel.- 4.3.2 Ultrastrukturelle und analytische Untersuchungen intrazellulärer kristalliner Substanzen in der Umgebung von Endoprothesen.- 4.4 Die Bedeutung der Gewebereaktion auf Implantate und deren Abriebproduktion als Ursache von Komplikationen beim totalen Gelenkersatz.- 4.4.1 Lockerung.- 4.4.1.1 Lockerung bei fehlender Gewebeüberempfindlichkeit auf Implantatmaterialien.- 4.4.1.2 Lockerung bei bestehender Gewebeüberempfindlichkeit auf Implantatmaterialien.- 4.4.2 Infektion.- 4.4.3 Schmerzen bei fehlender Lockerung und Infektion.- 4.4.4 Neoplasie.- Literatur.- 5 Mechanische Aspekte der Prothesenverankerung.- 5.1 Einführung.- 5.1.1 Anforderungen an die Prothesenverankerung.- 5.1.2 Möglichkeiten für die Prothesenverankerung.- 5.1.3 Biologische Einschränkungen.- 5.1.4 Auswirkungen der biologischen Einschränkungen auf die mechanische Konstruktion.- 5.2 Die Beeinflussung der Spannungen in der Grenzfläche durch die Prothesenkonstruktion.- 5.2.1 Die Konstruktion von Gelenkflächen.- 5.2.2 Die Konstruktion von Grenzflächen zwischen Prothese und Knochen.- 5.2.2.1 Druckspannungen durch Druckbelastungen.- 5.2.2.2 Zugspannungen.- 5.2.2.3 Schubspannungen.- 5.2.2.4 Zusammenfassung und Folgerungen.- 5.3 Die Verbindung zwischen Knochen und Prothese.- 5.3.1 Klebverbindungen.- 5.3.2 Preßsitz.- 5.3.3 Schraubverbindungen.- 5.3.3.1 Schrauben mit Scherbelastungen.- 5.3.3.2 Schrauben mit Zugbelastungen.- 5.3.3.3 Schlußfolgerungen.- 5.3.4 Nut- und Federverbindungen.- 5.3.5 Zementverbindungen.- 5.3.6 Verbindungen durch Formschluß zwischen Knochen und Implantat.- 5.3.6.1 Die Notwendigkeit des Formschlusses.- 5.3.6.2 Die Übertragung von Zug und Druck beim Formschluß.- 5.3.6.3 Die Übertragung von Scherung und Torsion beim Formschluß.- 5.3.6.4 Praktische Anwendungen.- 5.3.7 Das Einwachsen von Knochen.- 5.3.7.1 Einführung.- 5.3.7.2 Die mechanischen Bedingungen für das Einwachsen von Knochen.- 5.3.7.3 Festigkeit.- 5.3.7.4 Offene Fragen.- 5.3.8 Direkte chemische Verbindungen.- 5.4 Messungen der Verankerungsfestigkeit.- 5.4.1 Hüftgelenkprothesen.- 5.4.1.1 Stiele von Hüftgelenkprothesen.- 5.4.1.2 Hüftgelenkpfannen.- 5.4.2 Kniegelenkprothesen.- 5.4.3 Prothesen des oberen Sprunggelenkes.- 5.4.4 Zusammenfassung.- 5.5 Polymethylmethacrylat als Bindemittel.- 5.5.1 Grenzen des Polymethylmethacrylats.- 5.5.2 Festigkeitseigenschaften.- 5.5.3 Beimengung von Antibiotika.- 5.6 Andere Knochenzemente.- 5.7 Zusammenfassung.- Literatur.- 6 Herstellung von Prothesenteilen.- 6.1 Das Anliegen dieses Kapitels.- 6.2 Prothesenteile aus Metall.- 6.2.1 Allgemeine Grundzüge der Herstellung.- 6.2.2 Herstellung von Legierungen im Großen.- 6.2.3 Warmverformung von Stahl und Titan-Legierungen.- 6.2.4 Präzisionsformguß mit Kobalt-Chrom-Legierungen.- 6.2.5 Präzisionsformgebung.- 6.2.6 Oberflächenendbearbeitung.- 6.2.7 Kennzeichnung.- 6.2.8 Verpackung.- 6.2.9 Hinweise für Konstrukteure und Anwender..- 6.3 Prothesenteile aus Kunststoff.- 6.3.1 Die Natur der Kunststoffe.- 6.3.2 Der Fabrikationsprozeß.- 6.3.3 Hinweise.- 6.4 Prothesenteile aus keramischen Werkstoffen.- 6.5 Poröse Prothesenteile.- Literatur.- 7 Normen, Prüfungen und Zulassung.- 7.1 Vorbemerkungen.- 7.2 Fragen des Operateurs.- 7.3 Eingeführte Konstruktionen, Werkstoffe und Herstellungsmethoden.- 7.3.1 Allgemeine Anforderungen.- 7.3.2 Konstruktionen.- 7.3.2.1 Spezifikationen.- 7.3.2.2 Überwachung.- 7.3.3 Werkstoffe.- 7.3.3.1 Spezifikationen.- 7.3.3.2 Überwachung.- 7.3.4 Herstellung.- 7.3.4.1 Spezifikationen.- 7.3.4.2 Überwachung.- 7.4 Neue Konstruktionen, Werkstoffe und Herstellungsmethoden.- 7.4.1 Allgemeine Anforderungen.- 7.4.2 Laborprüfungen.- 7.4.3 Die Aufstellung von Spezifikationen.- 7.5 Organisation und Durchführung.- Literatur.