DE2242867A1

DE2242867A1 - Verfahren zur herstellung implantierbarer, poroeser, keramischer knochenersatz-, knochenverbund- oder prothesenverankerungs-werkstoffe

Info

Publication number: DE2242867A1
Application number: DE2242867A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Heide
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1972-08-31
Filing date: 1972-08-31
Publication date: 1974-05-02
Also published as: DE2242867C3; DE2242867B2; US3899556A

Description

387-22 - 8/72 18. August 1972

KDB/URE

BATTELLE - INSTITUT E.V., FRANKFURT/MAIN

Verfahren zur Herstellung implantierbarer, poröser, keramischer Knochenersatz-,
Knochenverbund-oder Prothesenverankerungs-Werkstoffe

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von implantierbaren, porösen, keramischen Knochenersatz'-, Knochenverbund- oder Prothesenverankerungswerkstoffen *
In Frage kommt sowohl ein permanenter als auch ein temporärer Ersatz von Knochensubstanz. Von der Wahl der keramischen Ausgangsmaterialien ist es abhängig, ob der implantierte Werkstoff im Gewebe verbleibt oder dort biologisch abgebaut wird*

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Es ist bekannt, daß die Ausbildung von regulärem Knochengewebe in den Pbrenräumen eines implantierten Werkstoffes nur dann vollständig abläuft, wenn die Porendurchmesser einen bestimmten minimalen Wert nicht unterschreiten. Diese untere Porengröße wird beispielsweise von Hulbert et al. (Hulbert, S.: Investigation of the Potential of Ceramics for Surgical Applications. In: Biomaterials, Editor: A.L. Bement Jr., Published for Batteile Seattle Research Center by the university of Washington Press, Seattle and London,1971). mit ca. 150 /um angegeben. Außerdem erfolgt ein Einwachsen naturgemäß nur in offenen Poren; für die lichte Weite der Porenverbindungen gilt ebenfalls die angegebene Mindestweite. Übergroße Poren sind aus mechanischen Gründen zu vermeiden.

Nach bekannten Verfahren werden implantierbare, poröse, keramische Werkstoffe durch Schäumen oder Ausbrennen bestimmter Hilfsstoffe hergestellt, die der Rohmasse beigemengt wurden. Dabei ist es jedoch nachteilig, daß stets nur eine unregelmäßige Porosität in dem fertigen Werkstoff erreicht werden kann. Die Poren sind entweder nicht offen, d.h. in sich abgeschlossen, oder die Verbindung von Pore zu Pore ist nur ungenügend groß. Außerdem ist die Porengröße, -form und verteilung unregelmäßig. Durch diese Unregelaaässigkeit in der Porosität wird jedoch eine Knochengewebejneu-

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bildung in dem Implantat erheblich erschwert oder gar verhindert. Durch geschlossene oder zu kleine Poren und Porendurchgänge können schon an der Peripherie des implantierten Werkstoffes Totbereiche entstehen, in denen keine oder zumindest keine reguläre Knochenbildung mehr stattfinden kann; dadurch wird verständlicherweise auch ein weiteres Vordringen lebenden Knochengewebes in das Implantatinnere verhindert. Auch die mechanische Belastbarkeit des Knochen-Implantat-Verbundes, die u.a. vom Grad der Knochengewebe-Neubildung in dem Ersatzwerkstoff abhängt, ist ebenfalls infolge der unregelmäßigen Porosität herabgesetzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, implantierbare keramische Werkstoffe mit in Größe, Verteilung und Anordnung gleichmäßigen, offenen Poren herzustellen; die Größe und Anzahl der Poren sollte frei wählbar sein, um die durch den jeweiligen Verwendungszweck vorgegebene ideale Porosität einstellen zu können.

Es hat sich gezeigt, daß diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst werden kaiin, das darin besteht, daß zunächst ein in etwa den Poren und Porenyerbxndungen des fertigen Werkstoffes entsprechendes Gerüst hergestellt wird, daß danach das Gerüst mit einer gießfähigen, keramischen Masse ausgegossen wird, und daß schließlich nach dem zumindest teilweisen

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Aushärten der keramischen Masse das Gerüst abgebaut und entfernt wird.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung wird zur Herstellung des Gerüstes in eine dichte Schüttung von möglichst gleich großen kugel- oder zylinderförmigen Körpern eine das Körpermaterial behutsam auflösende Flüssigkeit eingefüllt und nach kurzer Einwirkzeit wieder entfernt, so daß auf den Körpern ein Flüssigkeitsfilm zurückbleibt, der an den Berührungspunkten oder -kanten der Körper einen Flüssigkeitsmeniskus bildet. Dadurch erfolgt über die Lösungsphase zwischen den einzelnen Körpern ein Materialtransport, der zur Ausbildung von Materialbrücken zwischen den einzelnen Körpern führt. Nach dem restlosen Verdunsten des Lösungsmittels verbleiben Klebeflächen, deren Größe durch die Art des Lösungsmittels, die Verweilzeit und andere einstellbare Parameter beeinflusst wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsart der Erfindung besteht darin, daß zur Herstellung des Gerüstes nicht lösliche, niedrig schmelzende Füllkörper benutzt werden, die mit einem niedrigviskosen Kleber benetzt und an den Berührungspunkten bzw. Berührungsflächen verklebt werden. Es ist jedoch auch möglich, niedrigschmelzende Füllkörper zu benutzen, die durch Temperaturerhöhung auf Werte kurz unterhalb ihres Schmelz-

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punktes an den Berührungspunkten bzw. Berührungsflächen versintert werden.

Als Gerüstmaterial können erfindungsgemäß lösliche öder niedrigschmelzende Salze, Kunststoffe, wachsähnliche Stoffe, Metalle oder Metallegierungen Verwendung finden. Auch lassen sich vorteilhaft solche Substanzen als Gerüstmaterial verwenden, die wesentlich unterhalb der Sintertemperatur der keramischen Masse verdampfbar oder brennbar sind.

Die gießfähige keramische Masse besteht erfindungsgemäß beispielsweise aus einer Flüssigkeit-Feststoff-Suspension von feindispersen, tangebundenen keramischen Materialien, oxidkeramischen, glaskeramischen oder glasigen Materialien mit geeigneten organischen Bindern oder aus zementartigen Materialien.

Die Art der Endverfestigung des porösen Werkstoffes hangt vom Ausgangsmaterial ab. Sie kann durch einen keramischen Brenn- oder Sinterprozess erfolgen oder - im Fall von zementartigen Verbindungen - durch einen Hydratisierungsprozess. ' ■-■;-.

Als physiologisch unbedenkliche keramische Materialien kommen insbesondere Oxide und Mischoxide sowie Phosphate des

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Si, Mg, Al, Zr, Titan und andere in Betracht. Biokompatible Phosphate des Ca und Al bestimmter Zusammensetzung sind in biologischer Umgebung abbaubar, während die Oxide im allgemeinen als resistent angesehen werden können.

Fremdkörperreaktionen des Knochengewebes gegenüber den implantierten Werkstoffen können reduziert werden} indem man in den Poren der Werkstoffe medikamentöse organische Wirkstoffe einlagert, die außerdem die Knochenneubildung stimulieren sollen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten gehen aus der folgenden Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung hervor, das die Herstellung eines definiert porösen Al₂0--Körpers betrifft.

Als Ausgangsmaterial diente feinkörniges Al₂O₃ Typ XA 16 der ALCOA, dem geringe Zusätze an Bindeton und organischen Binder zugesetzt wurden. Diese Zusätze haben mehrfache'Funktionen zu erfüllen:

sie verleihen den Formkörpern nach dem Wasserentzug eine gewisse "Grünfestigkeit¹'

sie erniedrigen die Viskosität der Suspension und erhöhen so den Feststoffanteil der Suspensionen.

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- sie verleihen der Suspension thixotrope Eigenschaften, d.h. die Gießschlicker lassen sich durch mechanische Beeinflussung (z.B. Vibration) reversibel verflüssigen. "

- die Binderzusätze aktivieren die Brenn- und Sintereigenschaften bei der Endverfestigung der Werkstoffe.

Für die Herstellung des Kugelhilfsgerüstes, das in seiner Ausbildung der späteren Porenform und -verteilung entspricht, wurden . Pblystyrolkugeln verwendet. Diese Kugeln waren nahezu ideal rund, schwankten aber im Durchmesser von ca. 0,2 bis 2,0 mm. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Kugelschüttung wurden daher engere Siebfraktionen hergestellt und zwar:

0;2 - 0,4 mm

0,4 - 0,6 mm

0,6 - 0,8 mm

0,8 - 1,0 mm ·

. >l,0 mm

Diese Siebfraktionen wurden in einseitig durch einen Siebboden verschlossenen Hohlzylinder zu dichten Kugelschüttungen eingerüttelt, wobei die eingeschüttete Kugelsäule durch einen aufgelegten zylindrischen Metallkörper zusammengedrückt wurde. Die so beschickte Form wurde anschließend in ein Gefäß mit einer Azeton-Wasser'-Mischung eingetaucht und dort eine gewisse Zeit belassen. Azeton besitzt gegenüber

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Polystyrol eine lösende Wirkung, die durch die Beimengung von Wasser beliebig verändert werden kann. Nach Entfernen der Form aus dem Lösungsmittelgemisch wurde das überschüssige Azeton mit Preßluft aus der Kugelschüttung entfernt, so daß auf den Kugeln nur noch ein dünner Lösungsmittelfilm verblieb. An den Berührungspunkten der Kugeln bildeten sich Berührungsmenisken einer mit Polystyrol gesättigten Lösung aus. Nach dem Verdunsten des Lösungsmittels waren die Kugeln an ihren Berührungsflächen miteinander verkittet. Die Größe dieser Berührungsflächen, die später im porösen Werkstoff die Porendurchgänge werden, sind durch die Konzentration des Lösungsmittels und die Verweilzeit der Kugelschüttung im Lösungsmittel einstellbar. *

Das so hergestellte Kugelhilfsgerüst wurde mit dem obenangeführten AlgOjj-Schlicker getränkt, dem durch einen nachfolgenden Trockenprozeß das Wasser entzogen wurde. Nach dem Entformen konnte das Polystyrolgerüst durch vorsichtiges Erwärmen teilweise depolymerisiert und schließlich zersetzt werden. Nach Beendigung dieses Vorganges wurde der Formling auf 1.600⁰C erhitzt und 2 h bei dieser Temperatur gesintert.

Zylindrische Körper aus diesem Material mit einem Durchmesser von ca. 4 mm und einer Länge von ca. 12 - 15 mm wurden diametral in die Tibia von Versuchshunden implantiert. 50

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bzw. 100 Tage nach der Operation wurden die Proben histologisch untersucht* Es zeigte sich, daß die Gewebeverträglichkeit dieses Materials gut ist und daß insbesondere in den Porenräumen reguläres Knochengewebe gebildet wurde.

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Claims

Patentansprüche 2242367

1. Verfahren zur Herstellung implantierbarer, poröser, keramischer Knochenersatz-, Knochenverbund-, Prothesenverankerungswerkstoffe und dergl., dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein in etwa¹den Poren und Porenverbindungen des fertigen Werkstoffes entsprechendes Gerüst hergestellt wird, daß danach das Gerüst mit einer gießfähigen, keramischen Masse ausgegossen wird, und daß schließlich nach dem zumindest teilweisen Aushärten der keramischen Masse das Gerüst abgebaut und entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Gerüstes in eine dichte Schuttung von möglichst gleich großen kugel- oder zylinderförmigen Körpern eine das Körpermaterial behutsam auflösende Flüssigkeit eingefüllt und nach kurzer Einwirkzeit wie-

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der entfernt wird, so daß auf den Körpern ein Flüssigkeitsfilm zurückbleibt-der an den Berührungspunkten oder -kanten der Körper einen Flüssigkeitsmeniskus bildet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Gerüstesnichtlösliche, niedrig schmelzende Füllkörper benutzt werden, die mit einem niedrig-viskosen Kleber benetzt und an den Berührungspunkten bzw. Berührungsflächen verklebt werden.

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4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Gerüstes niedrig schmelzende Füllkörper benutzt werden, die durch Temperaturerhöhung auf Temperaturen kurz unterhalb des Schmelzpunktes an den Berührungspunkten bzw. -flächen versintert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Gerüstmaterial lösliche oder niedrig schmelzende Salze, Kunststoffe, wachsartige Substanzen, Metalle oder Metallegierungen verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß als Gerüstmaterial wesentlich unterhalb der Sintertemperatur der keramischen Masse verdampfbare oder brennbare Substanzen verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß als gießfähige keramische Masse eine gegebenenfalls mit geeigneten Binderzusätzen versehene Flüssigkeits-Feststoff-Suspension eines tongebundenen keramischen, oxidkeramischen, glaskeramischen, glasigen oder zementartigen Materials verwendet wird;

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