Mechanische Sicherheit von Hüftgelenkendoprothesenschäften aus Kohlenstoffaserverbundwerkstoff

Zusammenfassung

Der Einsatz von Verbundwerkstoffen in der Orthopädie ermöglicht die Konstruktion biomechanisch optimierter Implantate. Am Beispiel eines Hüftendoprothesenschaftes wurde die mechanische Sicherheit eines Kohlenstoffaserverbundwerkstoffes im Vergleich zu klinisch etablierten Metallegierungen untersucht. Hierbei wurde insbesondere der festigkeitsmindernde Einfluß der Torsionsbelastung auf das Implantat berücksichtigt.

Insgesamt 74 Faserverbundschäfte in drei Größen wurden in Anlehnung an ISO 7206 statisch und dynamisch geprüft. Eine Untergruppe von 27 Implantaten wurde vor Versuchsbeginn für 75 Tage in 80°C Ringer-Lösung konditioniert, um einen potentiellen Einfluß eindiffundierender Stoffe zu berücksichtigen.

Für die in dieser Untersuchung verwendeten drei Schaftgrößen wurde eine, gegenüber den handelsüblichen Implantaten erhöhte Dauerschwingfestigkeit ermittelt. Die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes wurden durch eindiffundierende Ringer-Lösung nicht meßbar beeinflußt. Insbesondere die hohe zulässige Bauteilspannung von 750 MPa dieses Werkstoffes ermöglicht den Einsatz für hochbelastete Gelenkimplantate bei gleichzeitig reduzierter Steifigkeit.

Abstract

The use of composite materials in orthopaedic surgery permits the design of implants with varying degrees of stiffness. A system of carbon fibre reinforced epoxy hip stems was investigated and compared to the mechanical safety of metal ones. Special attention has been paid to the fact that torsional moments are the common failure mechanism of composite materials.

In total 74 hip stems (three different sizes) have been tested under static and dynamic loading conditions according to ISO 7206. A group of 27 implants was pre-conditioned for 75 days in 80 °C Ringer's solution to discover potential degradation effects of absorbed fluids.

The carbon fibre hip stems prooved to reach run-out loads higher than conventional metal ones. Moisture absorption didn't influence the mechanical properties within the range of the experimental accuracy. The calculated fatigue stress of 750 MPa permits further optimization of stiffness parameters without the risk of implant fracture.