Metallische Implantate in der Knochenchirurgie: Werkstoff · Verarbeitung, Operationseinsatz

166 Pages·1971·8.184 MB·German

by  Dr. Erich Frank, o. Prof. Dipl.-Ing. Dr. Herbert Zitter (auth.)

E. Frank · H. Zitter
Metallische Implantate
in der Knochenchirurgie
Werkstoff · Verarbeitung
Operationseinsatz
Springer-Verlag
Wien New York 1971
Chefarzt Dr. ERICH FRANK
Facharzt fur Unfallchirurgie
Allgemeine Unfallversicherungsanstalt, Landesstelle Wien
o. Prof. Dipl.-Ing. Dr. HERBERT ZITTER
Institut ffir Allgemeine und Analytische Chemie
Montanistische Hochschule Leoben
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© 1971 by Springer-Verlag/Wien
Softeover reprint of the hardcover 1st edition 1971
Library of Congress Catalog Card Number 78-161478
Mit 95 Abbildungen
im Text und auf einer Farbtafel
ISBN -13:978-3-7091-8262-8 e-ISBN-13:978-3-7091-8261-1
DOl: 10.1007/978-3-7091-8261-1
Vorwori
Die Knochenchirurgie, vor allem die der Extremitaten, hat sich nach
dem zweiten Weltkrieg durch die Osteosynthese gewandelt. Die Ver
breitung des operativen Vorgehens erfolgte teils aus dem Bestreben, neue
Heilverfahren zu finden, teils aber auch infolge mangelnder Beherrschung
der konservativen Knochenbruchbehandlung.
Mit dem Trend zur Osteosynthese stieg der Bedarf und die Herstellung
von Implantaten. Ein GroBteil dieser Implantate wurde allein aus der
chirurgischen Empirik entwickelt und nach den dabei gewonnenen Erfahrun
gen verbessert. Innerhalb dieser Entwicklung kam es auch zu vielen MiB
erfolgen, sowohl iatrogen durch falsche Indikation und mangelhafte Opera
tionstechnik als auch bei den Implantaten durch ungeeignete Werkstoffe
und falsche Formgebung.
Riickblickend kann man feststellen, daB die Entwicklung der Implantate
zu keinem befriedigenden AbschluB gekommen ist, weil dieses Problem von
den Chirurgen nicht rechtzeitig und konsequent an die dafiir zustandigen
Werkstoffachleute und Konstrukteure herangetragen wurde.
Obwohl heute in einigen Landern Werkstoffempfehlungen fur Implantate
vorliegen, verfiigt kein Staat iiber bindende Vorschriften, diese Empfehlun
gen zu realisieren. Allein aus dieser Tatsache ergeben sich unvermeidliche
Ausfalle, auf die im Schrifttum und bei Tagungen immer wieder hinge
wiesen wird.
Die Verfasser beschMtigen sich seit mehr als einem J ahrzehnt mit der
komplexen Problematik der in der Knochenchirurgie verwendeten Implan
tate. Dabei wurden in gemeinsamer Arbeit aus der Sicht des Traumatologen
auf der einen, aus der des Technikers auf der anderen Seite nicht nur
Mangel der metallischen Implantate und ihres Einsatzes untersucht, sondern
auch Wege aufgezeigt, die die Hersteller der Implantate und die Chirurgen
vor vermeidbaren MiBerfolgen bewahren.
Dem Patienten, dem im wahrsten Sinn des W ortes Leidenden, konnten phy
sische und psychische Schaden erspart bleiben, wiirde es bei den Implantaten
zu einer bindenden Festlegung von WerkstoH und Ausfiihrung kommen.
In Osterreich wurden solche Festlegungen und deren Kontrolle durch die
Initiative der Verfasser bereits verwirklicht.
Die wissenschaftlichen Untersuchungen, die die Grundlagen fiir dieses
Buch darstellen, wurden finanziell durch die Allgemeine U nfallversicherungs
anstalt (AUVA ) ermoglicht, der an dieser Stelle gedankt sei. Vielen Kollegen
VI Vorwort
sind wir fUr das zur VerfUgung gestellte Material zu Dank verpflichtet.
Flit die Zusammenstellung der Unterlagen und die Anfertigung del' Bilder
danken wir Frau Dr. CH. GOD. Den Herren W. ANGERER und J. NIRTL dan
ken wir fUr die Herstellung der Schliffe und Bilder. Dank fUr die miihsame
Fertigstellung des Manuskriptes gebiihrt Frau H. MIKSCH und Frau H. MOSER.
Der Springer-Verlag Wien hat in bewahrter Tradition fUr solide Re
prasentanz des Buches gesorgt.
Wien und Leoben, im August 1971
E. Frank und H. Zitter
Inhaltsverzeichnis
I. Geschichtliche Entwicklung der Unfallchirurgie unter besonderer Beriick
sichtigung der Extremitaten . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
A. Entwicklung und Verbreitung von metallischen Implantaten 6
B. Konservative und operative Knochenbruchbehandlung 11
II. Mechanische Beanspruchung von Implantaten. . . . . . 14
A. Starke und Haufigkeit der Belastung . . . . . . . . 15
B. Verhalten des Knochens gegenuber mechanischen Beanspruchungen 16
C. Verhalten von Werkstoffen gegenuber mechanischen Beanspruchungen 16
D. Kennzahlen der mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen fur Im-
plantate ........................... . 17
E. Vergleich der Belastungsverhaltnisse mit den Werkstoffeigenschaften 19
III. Korrosionsbeanspruchung von Implantaten. 21
A. Korrosionseigenschaften von Metallen 21
B. Allgemeine Korrosion . . 23
C. Ortliche Korrosion 24
1. Galvanische Korrosion 25
2. Lokalelemente .... 26
3. Punktkorrosion 30
4. Interkristalline Korrosion 36
5. SpannungsriBkorrosion . 39
6. Korrosionsdauerbriiche . 42
7. Kontakt- oder Reibkorrosion (Face-Corrosion, Fretting Corrosion) 46
8. Metallubertragung . . . . . 48
D. Korrosionspriifung an Implantaten 50
1. Korrosionsversuche in vitro 51
2. Korrosionsversuche in vivo . . 52
3. Korrosionsversuche zum Vergleich verschiedener Werkstoffe 53
IV. Metallose 57
A. Reaktionen im K6rper ..... . 57
1. Mechanisch-biologische Reaktion 57
2. Chemisch-Iokal-toxische Reaktion 57
3. Fokal-toxische Reaktion . . . . 59
B. Zur Klinik der Metallose ..... 60
1. Stumme Initialphase nach Implantation 60
2. Akutphase durch Korrosion ..... 60
3. Stumme Terminalphase nach Implantatextraktion 64
V. Formgebung und Operationseinsatz von Implantaten 70
A. Dreilamellennagel . . . . . . 70
B. Pertrochantare Platte . . . . . . . . . . . . . 74
C. Beispiele neuerer Formgebung ........ . 78
D. Befestigungsschraube mit Sprengring fur Nagel und Platte 80
E. Marknagel 86
F. Knochenschrauben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
VIII Inhaltsverzeichnis
VI. Untersuchung von Schadensfallen 89
A. Reibungskorrosion . . . . 91
B. Bruche . . . . . . . . . 91
C. Interkristalline Korrosion 92
D. LochfraB . . . . . . . 92
E. Verbiegungen . . . . . 92
VII. Werkstoffe fur Implantate 96
A. Edelmetalle . . . . . . 97
B. Passivierbare Metalle 98
1. Chemisch bestandige Stahle 100
2. Co-Cr-Mo-Legierungen 106
C. Neue Werkstoffe fUr Implantate 107
1. Cr-Ni-Mo-Stahle mit h6herer Festigkeit und Korrosionsbestandigkeit 108
2. Cr-Co-Mo-Legierungen . . . . . . 110
3. Titanlegierungen . . . . . . . . . 110
4. Seltenere Metalle und Legierungen 112
VIII. Herstellung von Implantaten 113
A. Ausgangsmaterial . . . . . . . . . . 113
B. Verarbeitung . . . . . . . . . . . . 117
C. Behandlung von Implantaten in den Krankenhausern 119
1. Bestandaufnahme und Lagerung des Osteosynthesematerials 119
2. Behandlung der Implantate vor der Operation 120
3. Behandlung der Implantate bei der Operation 120
4. Explantation ............. 121
5. Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . 121
IX. KontrollmaBnahmen und Abnahmebedingungen 123
Werkstoff, Herstellungs- und Abnahmebedingungen fUr Implantate 126
1. Allgemeines . . . 126
2. Werkstoff. . . . . . . . 126
3. Warmebehandlung . . . . 126
4. Mechanische Eigenschaften 126
5. Konstruktion und Formgebung 127
6. Verarbeitung ........ 127
7. Ausfiihrung der Oberflache . . 127
8. Verpackung und Kennzeichnung 127
9. tTberwachung der Erzeugung 128
to. Abnahmeprufung 128
Tabellen ....... . 129
Li tera turverzeichnis 149
Sachverzeichnis ... 155
I. Geschichtliche Entwicklung der Unfallchirurgie
Unter besonderer Beriicksichtigung der Extremitaten
Mit gelassener Selbstverstandlichkeit, manchesmal mit Bewunderung,
nehmen wir im 20. Jahrhundert Veroffentlichungen iiber die Weiterent
wicklung von OperationsmaBnahmen oder Berichte iiber neue HeilmaB
nahmen zur Kenntnis. Allzuoft vergessen wir jedoch, daB manches, ja sogar
vieles in der Medizin bereits vor geraumer Zeit geiibt und mit erstaun
lichem Konnen getatigt wurde. Es lohnt sich immer, ein wenig in der Zeit
tafel zuriickzublattern.
Die Chirurgie im Sinne der traditionellen "Allgemeinchirurgie" wird
nach wie vor als Mutter der sich in den letzten Jahrzehnten entwickelnden
chirurgischen Spezialfacher angesehen, wobei wiederum die Frage aufge
worfen werden kann, ob nicht - und nicht zu Unrecht - die Behandlung
von Verletzungen, also die "Unfallchirurgie", die alteste Fachrichtung der
Medizin darstellt.
Der alteste menschliche Skelettfund, der etwa 500.000 Jahre alte Ober
schenkelknochen des Java-Menschen (Pithecanthropus erectus), der 1892
von dem holliindischen Arzt E. DUBOIS auf Java gefunden wurde, zeigt
bereits eine Geschwulstbildung, die entweder fiir den Folgezustand eines
Knochenbruches oder fiir eine krankhafte Veranderung des Knochens
spricht.
"Arztliches Handeln" liiBt sich nach Ansicht des Schweizer Medizin
historikers H. E. SWERIST bis in die Steinzeit (etwa 40.000 bis 30.000 v. Chr.)
verfolgen, aus welcher Epoche Knochenfunde existieren, die Anzeichen von
in guter Stellung geheilten Knochenbriichen haben. Es ist anzunehmen,
daB bereits von der Cromagnon-Rasse etwa zu diesem Zeitpmlkt "chirurgi
sche Eingriffe" getatigt wurden. Zumindest kannte man damals bereits
Steinwerkzeuge und Knochennadeln mit Ohr. Die Schienung von Extremi
taten diirfte mit Erde oder Lehm erfolgt sein.
Bereits im Papyrus Smith, der als das "alteste Lehrbuch der Chirurgie"
gelten kann, beweisen die altagyptischen Arzte, daB ihnen das Knochen
bausystem schon einigermaBen vertraut ist, und moglicherweise hat
IMHoTEP, den wir als ersten Arzt bezeichnen konnen, etwa 2600 v. Chr. in
eben jenem Papyrus den GrundriB der Verletzungschirurgie gefaBt. So
finden wir darin bereits Anweisungen iiber den Verkiirzungsausgleich beim
1 Frank-Zitter, Metallimpiantate
2 Geschichtliche Entwicklung der Unfallchirurgie
SchHisselbeinbruch, ferner Anweisungen iiber Schienung von Briichen der
langen R6hrenknochen durch Rindenstiicke oder Leinenbinden, die zur
Erlangung einer h6heren Festigkeit in Gummiharze oder Asphalt getaucht
wurden.
1500 v. Chr. beginnt die vedische Epoche Indiens, die um 800 v. Chr.
endet, benannt nach den vier Vedas, den heiligen Sanskrit-Biichern der
indischen Literatur. Die Asvins, die g6ttlichen Zwillinge gelten als die
eigentlichen Heilg6tter in der altindischen Mythologie. Sie sollen nicht nur
dem Gott Wischnu den Kopf wieder aufgesetzt haben, den ihm andere
G6tter aus Eifersucht abschnitten, sondern sie sollen auch einem Krieger
ein in der Schlacht verlorenes Bein durch ein eisernes ersetzt haben. Dies
ist zumindest die friiheste Erwahnung einer Prothese. Damals fanden auch
bei der Behandlung von Verletzungen chirurgische Zauberspriiche An
wendung, die von den vedischen Arztpriestern bei der Behandlung ge
sprochen wurden, wie zum Beispiel:
Zusammen sei mit Mark dein Mark,
Zusammen sei mit Glied dein Glied!
Zusammen wachs' dein altes Fleisch
Und auch der Knochen wachs' dazu!
V61kerkundlich interessant (arische Stamme sind in das Tiefland des
Indus und Ganges eingewandert) erscheint auch die Parallele zu den alt
germanischen Merseburger Zauberspriichen, in welchen Wotan als G6tter
arzt den Beinbruch bespricht:
So Beinrenkung,
So Blutrenkung,
So Gliedrenkung:
Bein zu Beine,
Blut zu Blute,
Glied zu Gliedern
Als 0 b sie geleimet seien.
Bei den altamerikanischen Kulturv6lkern, vor allem bei den Mayas,
deren Geschichte bis in die ersten J ahrhunderte vor Christus zuriickreicht,
waren Kenntnisse iiber die Wundmedizin verbreitet. Die Azteken hatten
bereits Spezialisierungen der Arzte, darunter solche, die sich ausschlieBlich
mit Verletzungen beschaftigten. Nicht nur, daB sie Briiche einzurichten
verstanden, sie kannten bereits HeilmaBnahmen fiir Knochenbriiche, die
nicht heilen wollten. Sie beniitzten Spane von Pinienh61zern und fiihrten
diese sogar in den Knochen ein. Zweifellos der erste Hinweis auf eine "intra
medullare Osteosynthese". Diese Kenntnisse stammen aus den Berichten
des Franziskanerpaters BERNARDINO DE SAHAGUN aus dem 16. Jahrhundert.
Geschichtliche Entwicklung der Unfallchirurgie 3
Die Epoche, die arztliches Handeln und Denken am meisten zu beein
flus sen vermochte, stellt zweifellos die hellenische dar, insbesonders das
3. und 2. Jahrhundert v. ChI'. mit HIPPOKRATES und del' medizinischen
Schule von Kos. In diesen Schriften finden sich bereits exakte Beschrei
bungen von Krankheitssymptomen und VOl' allem iiber Behandlungsvor
schriften. Auch iiber die Knochenbruchbehandlung kennen wir aus diesel'
Zeit grundsatzliche Feststellungen, die auch heute nicht das mindeste an
Bedeutung eingebiiBt haben. Es war nicht nul' Extension und "Kontra
extension" bekannt, sondern wir sind erstaunt, bereits den Hinweis zu
finden, daB die Uberstreckung bei Briichen del' langen Rohrenknochen im
Sinne von "starker als natig" beschrieben ist.
HIPPOKRATES befaBte sich auch mit del' Heilungsdauer von Knochen
briichen und gibt fiir die Callusbildung genormte Zeit en an; so z. B.
fiir den Oberarmbruch vierzig Tage. Genau beschreibt er das Anlegen
eines Streckverbandes £iiI' den Unterschenkel, wobei eine Radnabe am
FuBende des Lagers angebracht wird, in deren dilnung das untere Ende
eines Hebels gesteckt wird, del' wiederum die Streckung durch Riemen
zug bewerkstelligt. (Eiselsberg-Schiene!) Uber die Lagerung des gebro
chenen Unterschenkels spricht sich HIPPOKRATES in bemerkenswerter
"\iV eise aus:
"Wenn del' Verband angelegt ist, lagert man den Unterschenkel auf etwas
Ebenen und Weichen, so daB er sich wedel' nach del' einen Seite, noch nach
del' anderen drehen, noch konkav und konvex werden kann. Am besten
eignet sich dazu ein Kopfkissen. 1m unmittelbaren Bruchbereich mage del'
Verband weichel' sein. Bei zu fest angelegten Verbanden kommt es zum Ab
sterben del' Glieder."
Zur Behandlung des Oberarmbruches mittels Zug und Gegenzug ver
wendet HIPPOKRATES ein Holz mit einer senkrecht zu diesem angebrachten
Leiste, welche er gegen die Achsel vorschiebt, urn durch dieses Hil£smittel
Zug und Gegenzug zur "\iVirkung kommen zu lassen. ("Ambe" des HIPPO
KRATES.)
Auch er wuBte bereits, daB an del' oberen Extremitat die ideale Lage del'
Ruhigstellung bei rechtwinkelig gebeugtem Ellbogen zu finden sei, nicht
abel' die rechtwinkelige Beugung des Kniegelenkes bei del' Ruhigstellung
del' unteren Extremitat. Eine weiche Tragebinde (Mitella), so folgert er in
seinen Aus£iihrungen iiber die Oberarmbruchbehandlung weiter, sorge fiir
gute Lagerung. Dabei sei zu achten - so bereits HIPPOKRATES -, "daB die
Hand nicht tiefer zu liegen komme als del' Ellbogen, sondeI'll etwas hoher,
damit das Blut nicht nach del' Spitze hin£lieBt, sondeI'll zuriickgehalten
wird". Bei den anzulegenden Verbanden beschreibt HIPPOKRATES sehr
ausfiihrlich, "daB die Bindenkopfe hinreichend fest, regelmaBig und falten
lose Randel' haben miissen". Er be£estigt die Binden, damit sie nicht ver
rutschen, mit Nadel und Faden. Den gebrochenen Unterkiefer hielt HIPPO-
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