DE19804065A1

DE19804065A1 - Flüssigkeitsabrasivstrahltrennverfahren für biologische Gewebe, Stoffe und Organe wie z. B. Knochen, Knorpel, Zähne und Häute für Biomaterialen wie z. B. Knochenzement (PMMA oder andere Polymere), Verbundwerkstoffe und Metalle sowie für technische Materialien

Info

Publication number: DE19804065A1
Application number: DE1998104065
Authority: DE
Inventors: Matthias Honl; Reemt-Ole Rentzsch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-02-04
Filing date: 1998-02-04
Publication date: 1999-12-23

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Trennverfahren für biologische Gewebe, insbesondere Binde- und Stützgewebe des menschlichen Körpers wie Knochen, Knorpel, Sehnen, Gelenkinnenhaut, Menisken, Zahnsubstanz etc., sowie für biokompatible Materialien und Werkstoffe wie Knochenzement (PMMA), Implantatwerkstoffe und andere Materialien.

Generell soll es so universell wie zum Beispiel eine Säge oder ein Messer einzusetzen sein. Prinzipbedingt ist darüber hinaus selektives Trennen verschiedener Materialien voneinander möglich, wenn sich deren mechanische Eigenschaften genügend voneinander unterscheiden wie z. B. Meniskusgewebe und Knorpel, Knochen und Knorpel, Knochen und Knochenzement (PMMA) oder Knochen und Implantatwerkstoff.

In den sechziger Jahren wurden Wasserstrahlen hoher kinetischer Energie ursprünglich für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, vor allem zum Schneiden von Faserverbundwerkstoffen, konzipiert. Inzwischen ist der Wasserstrahl in vielen Bereichen der industriellen Fertigungstechnik nicht nur ein etabliertes Schneid-, sondern auch Bohr- und Reinigungswerkzeug:

Die Vorteile gegenüber klassischen Trennverfahren liegen unter anderem im athermischen Charakter des Schneidprozesses, in der Möglichkeit einer selektiven Abtragung eines Werkstoffes, wenn die mechanischen Eigenschaften unterschiedlich genug sind, in der geringen mechanischen Belastung des Werkstückes sowie der weitgehenden Verschleißfreiheit des Schneidwerkzeuges selbst. Der Einsatzbereich des "klassischen" Wasserstrahlschneidens ist jedoch vorwiegend auf nichtmetallische Werkstoffe beschränkt, weil sich die zum Schneiden härterer Werkstoffe sehr hohen Pumpendrücke kaum realisieren lassen.

Anfang der achtziger Jahre wurde das Wasser-Abrasiv-Strahlschneiden entwickelt, wobei die Trennwirkung des Wasserstrahls durch den Zusatz von Feststoffen als Schnitt- bzw. Abrasivmedium auf den Bereich der Bearbeitung von Metall-, Glas- und Keramikwerkstoffen ausgedehnt werden konnte. Dabei dient der Wasserstrahl beim Wasserabrasivstrahlschneiden als fluidgetragener Impulsstrom zur Leistungsübertragung auf das eigentliche Schnittmedium, den Abrasivstoff.

Die durch den Energieträger auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigten Abrasivstoffpartikel führen zu einem lokalen Materialabtrag durch abrasive Belastung (Mikrozerspanung, Mikrokerbung) am Werkstück. Als Abrasivstoff wird in der Industrie hauptsächlich Granatsand verwendet, da dieser Stoff bislang die widersprüchlichen Anforderungen nach einem hohen Schneidvermögen am Werkstück bei gleichzeitig niedrigem Verschleiß an der Wasserabrasivdüse am besten vereint.

Problem beim Einsatz des Flüssigkeitsabrasivstrahl-Schneidens in der biologischen Anwendung ist der Abrasivstoff selbst: Die technisch verwendeten Abrasivstoffe wie z. B. Granatsand oder Korund sind nicht einsetzbar, weil diese Partikel wasserunlöslich sind und nach dem eigentlichen Abrasionsvorgang selbst bei sorgfältigster Spülung und Absaugung nicht vollständig aus dem angrenzenden Gewebe oder Material entfernt werden könnten. Ein hier verwendbarer Abrasivstoff muß daher folgende Eigenschaften aufweisen:

- Wasserlöslichkeit, damit der Abrasivstoff nach dem eigentlichen Abtragungs vorgang, in Spülflüssigkeit gelöst und verdünnt, abgesaugt werden kann
- biologisch/pharmakologische Unbedenklichkeit
- hohe Molmasse zur Einhaltung der physiologischen Osmolarität

Die unter Patentanspruch 4 aufgeführten Substanzen erfüllen diese Bedingungen in ausreichendem Maße.

Damit bietet sich dem Anwender ein Trennverfahren, welches gegenüber den oben aufgeführten herkömmlichen Werkzeugen folgende Vorteile aufweist:

1. Hohe, effektive Materielabtragrate
2. Selektive Abtragung verschiedener Gewebe oder Materialien innerhalb eines bestimmten "Druckfensters" aufgrund der unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften (zum Beispiel: Abtrag von PMMA bei weitgehender Schonung des Knochens [elastisch, gut zug- und druckbelastbar und PMMA (spröde, empfindlich gegenüber Zug und Kerbung]).
3. Höhere Werkzeugreichweite auch im Spalt.
4. "Herausspülen" des Abraums (zum Beispiel Knochenzement entlang einer Implantatkontur: Die harten metallischen Prothesen-Werkstoffe werden durch die vergleichsweise niedrigen Drücke und den im Vergleich zu industriellen relativ weichen biokompatiblen Abrasivstoffen nicht angegriffen, d. h. der Schneidstrahl kann tangential auch an gekrümmten Implantatoberflächen entlang "gestrahlt" werden)
5. kalter Schneidprozess
6. geringe Reaktionskräfte des Werkzeuges auf Anwender und Werkstück:
Handführung ist sogar bei Drücken von über 1000 bar möglich.

Das Trennen von Knochen oder anderen Geweben ist durch Werkzeuge wie Messer, Osteotom, Bohrer, Fräse und Säge zum Teil hinreichend gelöst, doch werden Operationsaufgaben, die an die Grenzen heranreichen, immer häufiger:

Als Beispiel wird im Folgenden die spezielle Anwendung als Werkzeug zur Entfernung und Implantation von künstlichen Gelenken insbesondere Hüftendoprothesen erläutert:

Bevor eine Prothese mit einem Ausschlagwerkzeug herausgetrieben wird, sollte der Operateur versuchen, den Verbindungsspalt mit herkömmlichen Werkzeugen wie Meißeln, Fräsen oder Bohrern so weit wie möglich zu trennen, um Verbindungs- Fläche zu verkleinern.

Schwierigkeiten ergeben sich aus dem eingeschränkten Zugang zum Implantat- Knochenzement-Verbindungsspalt und äußerst beengten Platzverhältnissen im Oberschenkelknochen (wenige Millimeter).

Die Nachteile genannter herkömmlicher Werkzeuge bei diesem Arbeitsvorgang sind prinzipbedingt folgende:

- begrenzte Reichweite bzw. Schnittiefe im Spalt
- nichtselektive Abtragung, d. h. keine Entfernung nur von Knochenzement bei Schonung angrenzenden Knochens
- Gefahr der Knochenspaltung durch einen Mindestplatzbedarf im Interface
- Gefahr der thermischen Schädigung angrenzenden Knochengewebes

Nach der Entfernung der Prothese verbleibt der Knochenzementköcher größtenteils im Oberschenkelknochen. Dieser muß vor Beginn einer Re-Implantation entfernt werden. Hierzu dienen verschiedene korkenzieherartige Geräte, eine Anzahl verschieden geformter Meißel sowie Bohr- und Fräswerkzeuge:

Auch diese Technik bietet insbesondere durch die engen Platzverhältnisse im Femurschaft wenig Möglichkeiten, knochenschonend zu arbeiten, so daß es zu großen Substanzverlusten am Knochen kommen kann.

Die nicht zementierten Prothesen lassen sich in der Regel nicht ohne Aufsägen des Knochenrohres aus dem Knochen entfernen, da das Knochengewebe in die Beschichtung oder die rauhe Oberflächenstruktur eingewachsen ist und ein großer Teil dieses Verbindungsspaltes nur von außen durch oben genannte Werkzeuge gelöst werden kann. Dementsprechend groß ist der Knochenverlust und damit die Schädigung des Implantatlagers der neuen Prothese.

Seit 1976 wurden die Möglichkeiten überprüft, PMMA bei Reoperationen mittels hochfrequent oszillierender Metallsonden (sogenannte Ultraschallsonden) im Knochen zu bearbeiten. Diese Methode weist folgende Probleme auf:

- Der amorphe Thermoplast Knochenzement (PMMA) wird durch die Hitze, die durch die Schwingungen des Ultraschallgerätes erzeugt wird, an der Grenzschicht zum Schmelzen gebracht. Der Zement muß bei Erweichung sofort entfernt werden, da sonst ein erneutes Aushärten, womöglich an einem anderen Ort, die Folge wäre.
- Die bei Erhitzung des PMMA entstehenden toxischen monomerhaltigen Dämpfe lassen ein Arbeiten nur unter einwandfreien Abzugs- und Lüftungsbedingungen zu.
- Die bei der Entfernung entstehenden Temperaturen in Prothesennähe reichen von 50°C bis 90°C, je nach der Kühlungsmethode. Durch diese Temperaturen werden thermische Schäden am Knochengewebe verursacht. Im Bereich von spongiösem Knochen besteht zusätzlich die Gefahr der Mitentfernung der gesunden Knochenbälkchen durch die thermischen Verletzung.

Versuche, Knochenzement mit Laser zu entfernen, zeigten, daß abgesehen von toxischen Dämpfen und dem Risiko der thermischen Schädigung angrenzenden Gewebes (s. o.), die Effizienz dieses Verfahrens mit Abtragraten von maximal 10 g/h eine intraoperative Anwendung per se ausschließt.

Die oben geschilderten Probleme werden durch die in den Patentansprüchen 1 bis 4 genannten Merkmale gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben:

Es zeigen

1. das eigentliche Handstück in Form eines Zylinders mit einem einseitigen Innengewinde zur Aufnahme der Mischkammer-Fokus-Einheit (6)
2. die konzentrische Bohrung der Druckwasserzufuhr im Handstück
3. ein konisches, selbstdichtendes Innengewinde zum Anschluß des Druckwasserschlauches
4. eine konische Passung zur Abdichtung gegenüber der Wasserdüse (5)
5. die Wasserdüse, die mit dem Strahlberuhigungsrohr in die Mischkammer (6) eingesetzt und somit zwangszentriert ist, und die durch eine konische Passung gegenüber der Druckwasserbohrung (3, 4) abgedichtet ist
6. die Mischkammer-Fokus-Einheit mit einer konzentrischen Bohrung als Mischkammer, die sich einseitig konisch zur Öffnung des eingelöteten Fokusrohres (8) hin verjüngt, und einem Aussengewinde, mit dem die Einheit in das Handstück eingeschraubt wird
7. eine in die Mischkammer einmündende konische Bohrung als Abrasivstoffzufuhr
8. das Fokusrohr für den Wasser-Abrasivstrahl, das in die konische Mischkammer öffnung eingelötet ist

Erklärung der Wirkungsweise dieses Gerätes

Das Druckwasser wird durch die Wasserdüse (5) gepresst und gelangt als fokussierter, kompakter Wasserstrahl in die Mischkammer (6). Dort bildet sich um den kompakten Kernstrahl herum ein Sprühkegel aus, der die Mischkammerwände benetzt und dadurch nach dem Prinzip der Wasserstrahlpumpe einen leichten Unterdruck erzeugt. Der Abrasivstoff wird durch diesen Unterdruck mit seinem Fördermedium Luft angesaugt und über die Abrasivstoffzufuhr (7) in die Mischkammer und in den Hochdruckwasserstrahl injiziert (Injektorverfahren). Im nachgeschalteten Fokusrohr (8) wird der Wasserabrasivstrahl nochmals durchmischt und fokussiert.

Wie Versuche zeigten, ist die druckabhängige Kontaktzeit des wasserlöslichen Abrasivstoffes mit seinem Förder- und Beschleunigungsmedium für eine vollständige Auflösung der Abrasivstoffpartikel nicht ausreichend. Daher können die Abrasivstoffpartikel beim Auftreffen auf den abzutragenden Werkstoff einen Materialabtrag bewirken.

Claims

1. Flüssigkeitsabrasivstrahl-Trennverfahren dadurch gekennzeichnet, daß ein wasserlöslicher Feststoff in Kristall-, Pulver- oder Granulatform zur Erhöhung der Schnittleistung als Abrasivmittel in den Flüssigkeitsstrahl eingebracht wird.

2. Flüssigkeitsabrasivstrahl-Trennverfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Energieträger für den auf die Abrasivstoffpartikel zu übertragenden Impuls eine Lösung eines oder mehrerer verschiedener Stoffe wie physiologische Salze, Zucker, Zuckeralkohole, Aminosäuren oder Polymere im Druckstrahl genutzt wird.

3. Flüssigkeitsabrasivstrahl-Trennverfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Abrasivstoffe löslich sind.

4. Lösliche Abrasivstoffe nach Anspruch 1 und 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß als Abrasivstoffe kristalline organische Verbindungen wie Mono-, Di-, Oligo- oder Polysaccharide (Fruktose, Glukose, Saccharose, Lactose und andere), mehrwertige Zuckeralkohole (Sorbitol, Mannitol, Xylitol und andere), Aminosäuren und deren Polymere (Alanin, Glycin, Histidin, Prolin, Serin, Threonin, Valin, Leucin, Isoleucin und andere), anorganische kristalline Verbindungen wie NaCL oder Kalksalze wie Hydroxylapatit verwendet werden.