DE2416087A1

DE2416087A1 - Poroese biomaterialien und verfahren zur herstellung derselben

Info

Publication number: DE2416087A1
Application number: DE2416087A
Authority: DE
Inventors: Della M Roy
Original assignee: Research Corp
Current assignee: Research Corp
Priority date: 1973-03-30
Filing date: 1974-04-01
Publication date: 1974-11-07
Also published as: US3929971A; CA1004026A; FR2223325B1; GB1455360A; DE2416087B2; FR2223325A1; JPS5052122A; DE2416087C3; JPS5733057B2

Description

DIPL. ING. WALTER MEISSNER P I

DIPL. ING. PETER E. MEISSNER »

DIPL. ING. H.-JOACHIM PRESTING

BERLIN

1 BERLIN 33 (GRUNEWALD), den' HERBERTSTRASSE 22

Research Oornoration, 4-o5 Lexington Avenue, New York, N.Y.,

Poröse Biomaterialien und Verfahren zur Herstellung derselben

Zusammenfassung:

Synthetisches Material mit einer MikroStruktur, die im wesentlichen der Mikrostruktur von porösem Carbonat-Gerüstmaterial von Meereslebewesen entspricht und aus Hydroxylapatit oder Whitlockit aufgebaut ist, stellt ein brauchbares Biomaterial dar. Die synthetischen Materialien werden hergestellt durch Überführur.--von porösem Carbonat-Gerüstmaterial von Meereslebewesen in ein Phosphat-Gerüstmaterial, das eine Mikrostruktur besitzt, die im wesentlichen gleich oder der Mikrostruktur des Carbonat- -G-erii s trau eil enmat erials entspricht, indem das Oarbonat-Gerüstmaterial dem hydrothermalen chemischen Austausch mit einem Phosphat unterzogen wird.

Die Erfindung betrifft die Herstellung· synthetischer Materialien mit einer speziellen Mikrostruktur. Insbesondere betrifft die Erfindung synthetische· Materialien und die Herstellung derselben, die als Biomaterialien brauchbar sind, wie zur Herstellung prophetischer Ausrüstungen, Knochenimplantaten und ähnlichem. Die synthetischen Materialien dieser Erfindung sind auch für andere Zwecke brauchbar, so für Katalysatorträger, zur Enzymbindung und für spezielle lilteranwendungen.

Der Ersatz von beschädigtem Körpergewebe und Knochen mit synthetischen Materialien ist seit langem eine imponierende Möglichkeit. Sterilisiertes Tier- oder Humanknochengewebe ist nicht

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ESB=SfKSTiH-

befriedigend wegen der Probleme'mit der restlichen organischen Materie, welche immunologische Reaktionen hervorruft.
Ein anderer Weg zur Reparatur oder zum Ersatz gebrochener
Knochen oder beschädigter Gelenke bestand darin, prophetische Implantate aus mit Körpergewebe vertraglichen Materialien herzustellen, die akzeptable mechanische Eigenschaften aufweisen. Schrauben, Stifte, Nägel und andere Materialien oder Formen,
welche aus hochpolierten Legierungen, wie Vitallium, einer
Kobalt-Chrom-Legierung mit der ungefähren Zusammensetzung 65^
Kobalt, 35 % Chrom und 5 ^ Molybdän, sind weitverbreitet angewendet worden, jedoch verursachen diese Implantate oft Entzündungen und eine übermäßige Entwicklung von Fasergewebe.
Die Korrosion des Metalls und das Unvermögen, eine lanewährende mechanische Befestigung auszulösen, sind weitere Nachteile. Versuche zur Erhöhung des Grades an Gewebebindung mittels Ansintern einer Schicht aus Metallkügelchen an der äußeren Oberfläche, wie der äußeren Oberfläche eines Vitalliumlegierunsr-
-Implantats, sind unternommen worden. Gesinterte Titanfaserablagerungen sind ebenfalls verwendet worden. Andere potentielle prophetische Materialien umfassen phosphathaltige rekristallisierte Gläser, Phosphat-gebundenes Aluminiumoxid und poröse
Keramikmaterialien. Die Schwierigkeiten bei der Regelung der
Porengröße und insbesondere bei der Regelung der Größe der Verbindungen zwischen benachbarten Poren sind die hauptsächlichen Beschränkungen gewesen bei der Herstellung und Anwendung poröser Keramikmaterialien als pro/thetische Materialien.

Die Patentliteratur beschreibt viele Materialien und Herstellungsweisen für solche Materialien, welche zur Herstellung pro/thetischer Ausrüstungen und anatomischer Ersatzmaterialien vorgeschlagen werden, siehe z.B. die US-PS 2 688 139, 3 o4-1 2o5, 3 314- 42o, 3 387 925, 3 4oo 7Ί9, 3 526 oo5, 3 526 9o6, 3 563 = 925, 3 6o5 123 und 3 662 4o5. Die Offenbarungen dieser Patentschriften seien hier einbezogen und Teil der vorliegenden Beschreibung.

Studien über Implantat- oder pro/thetische Materialien haben gezeigt, daß Porenverbi^dungen zwischen 1oo und 2oo /um
(Mikron) notwendig sind für die Entwicklung von Haversian-

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-Systemen und der anastomotischen Blutversorgunsr, welche für eine Kn ο cn en ernährung; wesentlich ist. Optimale Porengrößen für das Hineinwachsen osteoider Zellen und Fasergeweben sind entsprechend 4o - 1oo /um und 5 - 15 /um. Obwohl eine gleichmäßige Porengröße und Permeabilität schwierig in synthetischen Materialien zu erhalten ist, sind Materialien, welche eine prleichmäßige Porengröße und Permeabilität besitzen, in der Natur ziemlich verbreitet. Zum Beispiel sind die meisten Echinoderm-Skelette durch eine ausgeprägte dreidimensionale Porenfensterstruktur gekennzeichnet, siehe Science 166, 114-7 (1969"). Die Offenbarungen dieses Aufsatzes seien hier einbezocen und Teil dieser Beschreibung. Dieser Aufsatz beschreibt die MikroStruktur von Echinoderm-Skeletten , welche-wie oben angegeben- durch eine ausgeprägte dreidimensionale Porenfenster struktur gekennzeichnet sind, die eine periodische minimale Flächenverteilung liefert. Eine solche Flächenstruktur unterteilt den Raum in zwei ineinandergreiferde Regionen, von welchen nede einen einzelnen vielfach verbrückten Bereich darstellt. Nach diesem Aufsatz liefert die Flächen struktur, welche den Zwischenflächenbereich zwischen der festen Calzitphase und der organischen Materialkonvnonente bildet, einen größtmöglichen Kontakt für das Kristallwachstum. Die beschriebene Makrostruktur scheint für Echinoderm-Skelett- bzw. -Gerüstmaterialien einzigartig zu sein.

Andere poröse Gerüstmaterialien von marinen wirbellosen Lebewesen und Untersuchungen über solche Materialien zeilen, daß eine beträchtliche Vielfalt von Mikrostrukturen als Grundlage zur Herstellung synthetischer Imp1antatmaterialien mittels Strukturreplikation dienen könnte. In der schwebenden eigenen Anmeldung Ser. No. 291 5^-7 vom 25. Bentember 197? von Eugene W.White, Jon N. Weber und Rodney A. White ist vorgeschlagen worden, in negativer oder positiver Form die Mikrostrukturen eines solchen porösen Gerüstmaterials in anderen Materialien zu replizieren oder duplizieren, welche hierdurch einen gewissen Grad an Bioverträslichkeit besitzen würden; in der Tat führt die DupIizieruns jener Naturmaterialien mit einer erwünschten MikroStruktur zu einem andere^ Material, welches bessere physikalische und/oder chemische Eigenschaften zxir Ver-

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Wendung als Biomaterialien besitzt. Die Offenbarungen der genannten Patentanmeldung seien hier einbezo^ren und Teil der vorliegenden Beschreibung.

Von diesen anderen porösen (lernst- bzw. Skelettmaterialien ist das vielversprechendste die gewöhnliche skleraktinianische riffbildende, in Kolonien auftretende Koralle Porites , deren Skelett aus strahlenförmig ab gehenden Clustern nadelförmirer Aragonit-Kristalle (Sklerodermite) aufgebaut ist. Die kleinen (weniger als 2 mm ) Korallite, welche ohne coenosteum enp- miteinander vereinigt sind, haben sowohl perforierte Skelettwände als· auch septa mit Perforationen.

\i'C U

Untersuchungen über die Mikrostrukturen echinoiden. Gerüstcalzite^ Porites-Skelettaragonit und Humanknochenmaterial zeigten, daß mit Ausnahme eines größeren Grades an Orientierung der Poren in dem echinoiden Gerüstcalzit und dem Porites-Skelettaragonit die großen Mxkrostrukturmerkmale dieser drei Materialien ähnlich sind. Im Humanknochen liest das Porenvolumen im Bereich von etwa 9o $> in Regionen niedriger Verkalkung bis zu 1o % in den am stärksten verkalkten Bereichen. Es schier daher möglich, aus dem Tierreich eine MikroStruktur auszuwählen, welche im wesentlichen dex'jny^igen von menschlichem Knochen entspricht. Die Nachteile einer direkten Verwendung von natürlich vorkommenden Skelettmaterialien als Knochenimplantatoder -ersatzmaterialien und andere prothetische Ausrüstungen sind jedoch die geringe Festigkeit und hohe Löslichkeit des Garbonatmaterials, wie Calzits und Araeronits, welche die Masse der vorgenannten marinen Skelettmaterialien bilden. Im Falle des Hydroxylapatits von Humanknochen, welcher einen wesentlichen Prozentgehalt an CO^ enthält, siehe E.D.Pelleecrino et al., Irans. Am. Olin. Climatol. Assoc. 76, 181 (1965)» sowie von Wirbeltier^^^e^f^ht die Schwierigkeit und bestehen die Nachteile in der Entfernung der restlichen organischer Materie aus diesen, welche gegenläufige immunologische Reaktionen hervorrufen kann.

Ziel dieser Erfindung sind daher als Biomaterialien brauchbare synthetische Materialien, wie solche zur Herstellunrr pro/thetischer Ausrüstungen und ähnlicher.

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Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist ein synthetisches Material mit einer MikroStruktur, die im wesentlichen der Mikrostruktur menschlicher Knochen und ähnlichem entspricht.

Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist ein synthetisches Material,.welches besonders brauchbar als Humanknochenimplantat ist.

Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung synthetischer "Biomaterialien, wie eines synthetischen Materials mit einer Mikrostruktur, die ,jener von menschlichen Knochen und ähnlichem ähnelt.

Die Lösung ,i$eser und anderer Aufgraben dieser Erfindung wird im Lichte der vorliegenden Beschreibung ersichtlich. In mindestens einer Ausgestaltung der praktischen Durchführung dieser Erfindung wird mindestens eines der voranstehenden Ziele erreicht.

Das Carbonat, welches die Mikrostruktur von porösem permeablem tierischem Carbonatskelettmaterial bildet, wie das poröse permeable Carbonat-Skelettmaterial von Meereslebewesen, z.B. das poröse Skelettmaterial von marinen Wirbellosen, wie echinoider Panzercalzit und Porites-Skelettaragonit(sowohl Galzit als auch Aragonit sind Carbonate) ist in Hydroxylapatit und Whitlockit umgewandelt worden, während es eine im wesentlichen

vfint

entsprechende oder die gleiche Mikrostruktur behalten", mittels hydrothermalen chemischen Austausche mit einem Phosphat. Das erhaltene hergestellte synthetische Phosphat-(Hydroxylapatit- oder V/hitlockit-)-Gerüstmaterial besitzt im wesentlichen die bleiche Mikrostruktur wie das ursprüngliche Carbonatskelettmaterial, aus welchem es stammt. Diese synthetischen Materialien sind zur Herstellung pro^-thetischer Ausrüstungen, wie Körper- und Knochenimplantaten, Zahnfixierungen, massiven harten Gewebeersatzmaterialien und ähnlichem, brauchbar, da Hydroxylapatit ein bioverträerliches Material und Whitlockit ebenfalls bioverträglich ist, obwohl er über einen gewissen Zeitraum eliminiert oder ersetzt werden kann. Demzufolge wäre ein aus Whitlockit. erfindungsgemäß aufbebautes synthetisches Material als temporäres proxthetisches Implantat brauchbar , da

es langsam (Zeitraum von Monaten) zerfällt oder im Körper resorbiert wird.

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—Ό—

Obwohl bei der vorliegenden Beschreibung der Erfindung die Betonung hinsichtlich der Anwendung der speziell hergestellten synthetischen Materialien als Biomaterialien gesetzt worden ist, sind die Materialien dieser Erfindung- auch verwendbar zur Herstellung von Spezialfiltern, Katalysatorträger^ Mitteln zur Immobilisierung und/oder Stabilisierung katalytischer Agentien, einschließlich Enzymen, zur Durchführung spezifischer chemischer Reaktionen und zur Herstellung anderer spezieller Ausrüstungen oder Strukturen, welche eine poröse Mikrostruktur mit einer Porengröße im Bereich von etwa 5 - Soo Mikron erfordern.

Die wie oben angedeutet erfindungsgemäß hergestellten synthetischen Phosphatmaterialien sind insbesondere als Biomaterialien zum Einsatz bei der Herstellung prophetischer Ausrüstungen oder zur Verwendung als Implantate in menschlichem hartem Gewebe und ähnlichem brauchbar. Die Materialien dieser Erfindung, insbesondere jene aus porösem Garbonat-CArao-onit-) Gerüstmaterial von Meereslebewesen kommen, da sie überwiegend aus Hydroxylapatit Ca^ (PCL)₆(OH)₂ mit etwas vorliegendem Carbonat (00-,) bestehen, der Zusammensetzung der anorganischen Komponente von menschlichem Hartgewebe, d.h. Humanknochen nahe. Tatsächlich scheint es, als seien die erfindungsgemäß hergestellten Materialien die menschlichem Hartgewebe am nächsten kommenden, verglichen mit einem ansonsten noch verfügbaren Material.

Materialien dieser Erfindung besitzen eine Mikrostruktur, welche porös, vollständige untereinander verbrückt ist und sich der gleichen Porengröße wie Humanknochen annähert, was ein Eindringen von Körperflüssierkeiten und Blutzellen hierein erlaubt. Erfindungsgemäße Materialien können hergestellt werden, die für Wurzelteile von Zahnimplantaten und Kieferrestaurierungen geeignet sind, wo sie ein rasches Einwachsen von Zahnwurzel- und Hartgewebe zulassen.

Da die synthetischen Materialien dieser Erfindung bei erhöhten Temperaturen und Drucken hergestellt werden, werden die erhaltenen hergestellten Materialien während ihrer Herstellung sterilisiert und können natürlich auch erneut sterilisiert werden. Ein anderes Merkmal der speziellen synthetischen

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Massen dieser Erfindung ist die Fähigkeit, solche Materialien zu einer großen Vielfalt von Kompositmaterialien, die bislang nicht verfügbar waren, umzuwandeln. Die Auswahl der mit den synthetischen Materialien dieser Erfindung gemeinsam genutzten Materialien sollte so erfolgen, daß die Ausgestaltung der erhaltenen Kompositstruktur und/oder des erfindunragemäß hergestellten synthetischen Grundmaterials optimiert wird. Derartige andere Materialien, die mit den synthetischen Materialien dieser Erfindung gekoppelt oder zusammengestellt werden, umfassen Metalle, organische Polymere und Kollagen.

Bei der Herstellung der synthetischen Materialien dieser Erfindung ist es erwünscht, bevor die natürlich vorkommenden porösen Oarbonatskelettmaterialien dem hydrothermalen chemischen Austausch mit einem Phosphat unterworfen werden, zunächst das poröse Oarbonat-Skelettmaterial durch Entfernung irgendwelcher organischer Materie hieraus zu präparieren. Eine geeignete Technik zur Entfernung von organischem Material aus dem porösen Skelettmaterial besteht im Eintauchen in eine verdünnte (etwa 5-proz.) wäßrige Lösuns: von Natriumhypochlorit. Gewöhnlich ist eine Eintauchzeit von etwa 3o Stunden zur Entfernung praktisch der gesamten organischen Materie zufriedenstellend. Danach wird das Material gespült, vorzugsweise in entionisiertem Wasser, und getrocknet, wie bei einer Temperatur von etwa 9o C. Jede geeignete Technik zur Entfernung von organischem Material, wie die in Science 119« 771 (195*0» beschriebene Technik zur Entfernung organischer Materie aus tierischem Knochenmaterial, kann angewendet werden. Gegebenenfalls kann das organofreie Carbonat-Skelettmaterial nach Umwandlung mittels hydrothermalen chemischen Austausch?mit einem Phosphat zu Hydroxylapatit oder Whitlockit, wenn es nicht bereits ausgeformt ist, zu einer gewünschten Form oder Struktur ausgeformt werden, zum Beispiel zu Zylindern, Schrauben, Muttern, Bolzen, Stiften, flachen oder gebogenen Platten und ähnlichem.

Die Umwandlung eines porösen Carbonat-Skelettmaterials in die speziellen synthetischen Materialien dieser Erfindung wird durch eine hydrothermale chemische Austauschoperation oder

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reaktion bei einer erhöhten Temperatur, wie einer Temperatur im Bereich von etwa 1oo C bis 600 C, mehr oder weniger, bei entsprechend hohen Drucken, wie einem Druck im Bereich von etwa o,1 Kilobar bis 5 Kilobar, durchgeführt. Gewöhnlich ist der hydrothermale chemische Austausch des Carbonat-Skelettmaterials mit dem Phosphat im wesentlichen vollständig innerhalb eines Zeitraums im Bereich von etwa 1 Stunde bis zu etwa 2 Wochen Je nach den vorliegenden Temperaturen und Drukken, der Konzentration des Phosphats während der hydrothermalen Reaktion und der Natur des Phosphats und der Carbonat- -Skelettmaterialien.

Die chemischen Reaktionen, welche bei der Umwandlung des Carbonat-Skelettmaterials in ein entsprechendes Hydroxylapatit-Skelettmaterial erfolgen, sind in den folgenden chemischen Gleichungen zur Erläuterung· wieder pres: eben:

I 1o GaCO + 6 (NH₄^HPO₄ + 2 Ή_?0 >

Koralle
(Porites)
Arasonit-Kristallstruktur

^₆₂) + 6 (NH^)₂CO₃ + 4-

₂ GO-,
9 D

HO-Apatit
mit etwas substituiertem

II 1o GaGO-, + 6 (NH^)₀HPO., + Ca(OH)

+ 6 (FH^)₂CO₃ + GaGO^ + 3 H₂OO

CO₇ GO-,

3 3

III 9 GaGO + GaHPO₄. 2

Ga_1o(P0₄)₆(0H)₂ + 5 (NH₄)^O₅ + 4 H₀CO₅

ir \r

CO^

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TV 9 OaOO + 3 [ 3OaO . P₂ ⁰^l ^{+ 2 H}2°

+ 8 GaGO, + 1 E

CO, CO,

3 3

V .10 OaOO₅ + 2 OaHPO₄.2 H_?0 + 4 H₅PO₄

+ 2 OaOO₂ + 8 H₀OO, + 2

00, CO,

3 3

VT 1o OaOO₅ + 3 Oa(H₂PO₄)₂ . H_?0

₁₀^₆₂ + 3 OaOO + 7 H₂OO

1· ^

00-, CO^ i> 3

VII 1o GaGO₅ + 3 [ 3 GaO.. P₃O₁₅] + 2 OH₅GOOH

Oa₁₀(PO^)₆(OH)₂ + 8 OaOO^ + Oa(OH₅COO)₂ + H OO CO₅

In sämtlichen obiccen Gleichungen bedeutet 00-,. daß etwas Car-

bonat in der Struktur, Hydroxylapatit und Whitlockit, substituiert. Die Menpe kann annähernd ε-leich derjenigen in Humanknochen sein, wie im Bereich oberhalb etwa o,5 ^ bis 4- Gew.-⁰^ CO₇. Die Mikrostruktur des erhaltenen gebildeten Hydroxylapatitmaterials ist im wesentlichen die fleiche wie die des Araeonitquellenmaterials.

Wenn das Oarbonat-Skelettmaterial mapnesiumreicher Oalzit ist, z.B. über etwa 3 ^ Mr aufweist, wie er sich von den OaI-zit?rerüsten der Acanthaster planci ableitet, wird nach der hydrothermalen chemischen Austauschreaktior erfindunp-spremäß Whitlockit erzeugt, wie durch die folgende chemische Gleichung wiederbeleben wird:

VIIT 3 OaOO₅ + 2

Oalzit 2[Oa₅(PO₄)₂] + (NH^)₂OO₅ + 2 H₂OO Whitlockit

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-1ο-

Die Mikrostruktur des erhaltenen Whitlockit-Skelettmaterials ist sehr ähnlich, obwohl etwas feiner, derjenigen des ursprünglichen Calzitcarbonat-Skelettmaterials, aus welchem er stammt.

.Die volle Erklärung für das beobachtete Phänomen, daß Hydroxylapatit aus Arapor.it-CaCO^-durch hydrothermalen chemischen Austausch mit einem Phosphat gebildet wird, während V/hitlockit aus Calzit-CaCO^ gebildet wird, lieft roch nicht vor. Es scheint jedoch, daß dort, wo das poröse Carbonat-Skelettmaterial aus einem Calzit aufgebaut ist, welcher magnesiumreich ist, wie die Calzitererüste von Acanthaster planci, das Vorliegen von Magnesium einen Faktor darstellt; in der Tat ist Magnesium eirdeutig mit Whitlockit verbunden. Es wurde gefunden, daß bis zu 17 Atomprozent Magnesium anstelle von Ca im Whitlockit vorliegen, während seine feste Lösung in Hydroxylapatit sehr beschränkt ist. Bei einer hydrothermalen chemischen Austauschreaktion unter Verwendung des gleichen Phosphatreaprens wird Aragonitcarbonat-Ske1ettmaterial in das entsprechende Hydroxylapatit-Skelettmaterial und magnesiumhaltiges Galzitcarbonat- -Skelettmaterial in Whitlockit umgewandelt, wohingegen reirer Calzit, wie Calzitkristall, ir. Hydroxy !apatit überführt wird.

Bei der hydrothermalen chemischen Reaktion zur Umwandlung des Carbonat-Skelettmaterials in das entsprechende Hydroxylapatit- oder Whitlockit-Skelettmaterial können variierende Anteile des Reagens verwendet werden. Es ist jedoch erwünscht, daß die notwendigen stochiometrxschen Mengen der Reagentien vorliegen, um die angestrebte hydrothermale Reaktion vollständig ablaufen zu lassen, d.h. die praktisch vollständie-e TTmwardlunsdes Carbonat-Skelettmaterials in das entsprechende Hydroxylapatit- oder Whitlockit-Material zu erreichen. Bei Ausführung der hydrothermalen chemischen Reaktionen semäß dieser Erfindung ist es nützlich, einen Überschuß des Phosphatreagens vorzuleben. Allgemein werden befriedigende Ergebnisse bei der erfirdungssremäßen Herstellung von Hydroxylapatit- und Whitlockitmaterialien erhalten, wenn das reagierende Carbonat-Korallenskelettmaterial, der Phosphatdonor, z.B. (NH^)₂HPO₂Pund Wasser in den relativen Gewichtsanteilen von entsprechend 1:1:4 zugegen ist. Wenn die vorgenannten Materialien in den vorerwähnten Anteilen zugeben sind und die hydrothermale chemische Aus-

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tauschreaktion bei einer Temperatur von etwa 275 G und einem "Druck von 1 Kilobar und für einen Zeitraum von etwa 24- Stunden erfolgt, wird praktisch vollständige Umwandlung eines Aragonitcarbonat-Skelettmaterials in das entsprechende Hydroxylapatit-Skelettmaterial bei einer gewissen Substitution von Carbonat bewirkt. Das erhaltene hergestellte Hydroxylapatitmaterial wird dann erwünschtermaßen gewaschen zwecks Entfernung eines wasserlöslichen Rückstandes, wie durch eine Anzahl von Waschungen, z.B. 5 Waschungen, durch Kochen in entionisiertem Wasser für etwa 5 Minuten pro Waschung:, einschließlich Dekantieren des Waschwassers nach jeder Waschung.

Verschiedene im wesentlichen wasserlösliche Phosphate können als phosphatlieferndes Reagens bei der hydrothermalen chemischen Austauschreaktion verwendet werden, um die speziellen Materialien dieser Erfindung: herzustellen. Zu solchen geeigneten Phosphaten zählen die Alkaliphosphate, wie Natriumorthophosphate und Kaliumorthophosphate, die Ammoniumorthophosphate, eingeschlossen die sauren Phosphate und gemischten Phosphate. Brauchbar sind auch die Calciumorthophosphate und die sauren Phosphate wie auch Orthophosphorsäure, einschließlich ihrer Hydrate und Derivate,und Gemische einer schwachen Säure, wie Essigsäure, mit einem Phosphat.

Zu brauchbaren Orthophosphaten und sauren Phosphaten bei der praktischen Durchführung dieser Erfindung zählen Li-(PO₄), LiH₂(PO₄), Na₃(PO₄), Na₂HPO₄, Na₃H₃(PO^)₂, NaH₂(PO₄), Na₄H₅(PO₄)₃, NaH₅(PO₄)₂, K₃PO₄, K₂HPO₄, K^PO^, K^PO^, KH₂(PO₄), KH₅(PO₄)₂, (NH₄)₃P0₄, (NH₄)₂HP0₄, NH₄H₃PO₄, NH₄H₁-(PO₄)₂,NH₄Hg(PO₄)₃ und ihre Hydrate und gemischten Salze, speziell die K-, NH₄- und Na-Orthophosphate und sauren Phosphate, eirschließlich auch Rb- und Cs-Orthophosphate und sauren Phosphate. Neben den vorerwähnten sind auch brauchbar die Calciumorthophosphate 2 CaO.PpO₁-, CaHPO₄₁ Ca₄PpOq, Ca(HpPO₄)ρ und CaO-P₂O₁-.

Nach Beendirung der hydrothermalen chemischen Austauschreaktion ist, wie durch Prüfung , einschließlich optischer Mikroskopie und abtastender Elektronenmikroskopie, gezeigt worden ist, die erhaltene dreidimensionale,vollständig durchdringende poröse Struktur die gleiche wie die ursprüngliche

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Carbonatstruktur, von welcher sie abstammt. Die ursprüngliche CalciumcarbonateAragonitkristallstruktur des erhaltenen hergestellten Materials fehlt, wie durch Röntrenbeurunn- und optische Mikroskopie bestimmt wurde.

Wie angegeben, können verschiedene poröse Carbonat-Skelettmaterialien, insbesondere poröse Carbonat-Skelettmaterialien von Me er es lebewesen, bei der praktischen Durchf^hrunpdieser Erfiⁿdunp· verwendet werden. Insbesondere brauchbar ist we^en der riesigen zur Verfüi^uno: stehenden Mengen das Carbonat-Skelettmaterial der skleractinianischen Koralle Porites, worin das Skelettmaterial aus dem Carbo^at Aragon it zusammengesetzt ist. Andere Korallen der Arten O^onionora, Alveopora, Acropora und anderer können bei der praktischen Durchführung dieser Erfindung Fceeip;n et erweise als Quelle für das Carbonat- -Skelettmaterial zum Umwandlung· in Hydroxyl apatit mittels hydrothermaler chemischer Austauschreaktion mit eimern Phosphat verwendet werden. VJo das Carbonat-Skelettmaterial aus einem marinen Calzitcarbonat-Skelettmaterial aufgebaut ist, wie echinoidem fernstealzit, worin der Calzit eine wesentliche Mene;e an damit vergesellschaftetem Map"~esium enthält, wird nach hydrothermalem chemischem Austausch mit einem Phosphat Whitlockit erzeugt und die Calzitstruktur fehlt, wie durch Röntp-enbeurunp: ermittelt wurde. Wenn ,iedoch ei" noröses Cal7,itcarbonat-Skelettmaterial verwendet werder soll , das praktisch frei vor Magnesium ist, wird das erhaltene Calzitcarbonat-Skelettmaterial eher ir Hydroxylapatit als in Whitlockit umgewandelt. Beide Materialien, Hydroxylapatit und Whitlockit, sind ,iedoch brauchbare Materialier, wobei der Hydroxylapatit für die Herstellung einer prothetischen Ausrüstung und ähnlicher bevorzugt wird.

Die erfindunersremäß hergestellten synthetischen Materialien Hydroxylapatit und Whitlockit sind , wie befunden wurde, mindestens so fest wie das ursprüngliche Carbonat-Bkelettmaterial, von welchem sie abstammen, während p\Leichzeiti<~· Humanknochenecewebe sowohl hinsichtlich der Chemie als auch Mikrostruktur nachgeahmt wi^d. Da Hydroxylanatit härter (Mohs-fTärte = 5) als sowohl Aragonit (Mohs-Härte =3,5 - ^) als auch Calzit (Mohs-Härte = 3) ist, werden Strukturen hergestellt, welche stärker als das ursprüngliche Material sind, von welchem

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sich solche Strukturen ableiter, während die Hikr ο struktur des Quellenmaterials erhalten bleibt. Es wurde außerdem gefunden, daß,wenn das Carbonat-Skelettmaterial aus magnesiumhaltigem Calzitcarbonat aufgebaut ist, wie dem Skelettmaterial der asteroiden Acanthaster planci, und dieses Material erfindunrsgemäß durch hydrothermalen chemischen Austausch unter Bildung von Whitlockit Ca-zCPO^p umgewandelt wird,\hat> das erhaltene hergestellte synthetische Material feinere Mikroporen', während die MikroStruktur seines Calzitcarbonat- -Quellenmaterials im wesentlichen erhalten bleibt, womit eine Technik zur Regelung der Porenfröße gegeben ist.

Die folgenden Erläuterungen dienen der Veranschaulichung dieser Erfindung;. Es wurden Schnitte der massiven skleractinianischen Koralle Porites und Gerüste der asteroiden Aoanthaster planci als Ausgangsmaterialien verwendet, um entsprechende Aragonit- und Calzitpolymorphe des Calciumcarbonate vorzuleben. Für den chemischen Austausch dieser Carbonatmaterialien mit einem Phosphat wurden hydrothermale Techniken angewendet. Teile der Porites-Koralle und des Acanthaster planci-Gerüstes wurden zusammen mit abgewogenen Mengen der Reagentien und Wasser (das Carbonatquellenmaterial war vollständir ir die erhaltene wäßrisre Lösung getaucht) in einem Goldrohr verschlossen, auf erhöhte Temperaturen und Drucke für Zeitspannen erhitzt, die von 12 Stunden bis zu 1 Woche variierten, und das erhaltene Reaktionsprodukt abgekühlt und reprüft. Nach der Prüfung wurde gefunden, daß ein im wesentlichen vollständiger Ersatz des Aragonits durch Phosphatmaterial erreicht worden war. Die porösen,,untereinander verbrückten Strukturen der Quellenmaterialien blieben gewahrt. Zum Beispiel ersetzte Hydroxylapatit das ursprüngliche Porites-Aragonitcarbonat und behielt dessen Struktur.

Typische Versuchsbedingungen für die zur Herstellung von Hydroxylapatit und Whitlockit durchgeführten Austauschreaktionen sind in der folgenden Tabelle 1 angegeben.. Gemäß der praktischen Durchführung dieser Erfindung fanden die folgenden Austauschreaktionen statt:

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1o GaCO^	+ 6 (NH₄)₂	₆(0H)₂ + 6	(NH,,)_oC0, + 4- H₀CO,	Tabelle 1	der Koralle (Porites	Reagens	(NH₄)₂HP0₄	Temperatur ⁰G	Druck₂ kp/cm	Zeit Stdn.
Porit es-Aragon it			Phosphataustausch an	und Echinoderm-Geriistmaterial (Acanthaster planci)		(NH₄)₂HP0₄
Ga₁₀(PO₄)	• 2 (NH₄)₂H	PO ·"*		Probe Nr.	(NH₄)₂HP0₄	(NH₄)₂HP0₄	25ο	1.050	24-
Apatit	Acanthaster planci	JrW₄ y		Koralle	(NH₄)₂HP0₄	(Diadema	26ο	1.o5o	12
3 GaGO₃ 4	2 [Ga (PO			1	(NH₄)₂HP0₄	+ Ga(OH)₂ 25ο	1.050	24-
	₄)₂] + 2 (NH₄)₂C0₃.+ 2 H₂CO₃		2	(NH₄)₂HP0₄	+ Ca(OH)₂ 26ο	1.050	4-8
	Whitlockit		3	(NH₄)₂HP0₄	+ Ca(OH)₂ 35ο	1.050	24-
			4-	(NH₄)₂HP0₄	+ Ca(OH)₂ 27ο	1.050	24-
		5	(NH₄)₂HP0₄	26 ο	1.050	24-
Hydr0th ermaler		6	(NH₄)₂HP0₄	18ο	I.050	24-
		7	(NH₄)₂HP0₄	26ο	1.050	4-8
	8	Gerüstpanzer
	9	1	26ο	1.050	24·
	2^s	26ο	56o	24-
	3*	+ Ca(OH)₂ 26ο	I.050	24-
	* Seeigel	statt Acanthaster planci)

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Bei den oben angedeuteten Tests war das Hauptaugenmerk darauf gerichtet, daß im Austauschverfahren die poröse Korallstruktur in den erhaltenen gebildeten Hydroxylapatit- und Whitlockitmaterialien erhalten geblieben war. Da es gewisse Kristallstrukturähnlichkeiten zwischen Aragonit und Apatit gibt, begünstigen diese Ähnlichkeiten offensichtlich die erwünschte morphologische Preservation. Das Acanthaster-Gerüstmaterial besteht aus Einzelkristallcalz.it, was nach hydrothermalem Phosphataustausch gemäß dieser Erfindung zu einem geordneten epitaktischen Wachstum von Einkristall-Whitlockit führen könnte. Da die äußere Morphologie rhomboedrisch ist, ähnlich derjenigen des Calzits, und seine Raumgruppe ebenfalls der;jeniR:en des Calzits ähnlich ist, ist ebenfalls eine Struktur- oder morphologische Regelung möglich.

Synthetische Materialien dieser Erfindung sind insbesondere als prothetische Materialien nicht nur wegen ihrer chemischen und physikalischen Verwandtschaft zu Humanknochengewebe, sondern auch weil die Materialien dieser Erfindung mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Porengröße und einer Porengröße innerhalb eines ausgewählten Bereiches hergestellt werden können, brauchbar. Die Gleichmäßigkeit der Porengröße ist von übergeordneter Wichtigkeit in Verbindung mit "Drothetisehen Materialien, die für das Einwachsen lebender Materie verwendet werden, z.B. die Reparatur beschädigter Knochen- oder Knorpelteile. Da der Wachstumprozeß von der äußeren Region des Implantats beginnen muß, würden Poren eines Durchmessers kleiner als ein bestimmtes Minimum, z.B. etwa 5-15 Mikron, verhindern, d°ß die inneren Regionen mit den notwendigen Nährstoffen zum Einwachsen versorgt werden, obwohl die mittlere Porengröße theoretisch "-roß genug für eine Osteonbildung sein mag. Somit liefern die erfindungsgemäß hergestellten synthetischen Materialien ideale Materialien für prothetische Ausrüstungen, welche bei Endoprothesen, beim Ersatz von massivem hartem Gewebe, percutanen nichtorthopädischen Implantaten, Zahnfixationen und allgemein für beliebige prothetische Anwendungen verwendbar sind, wo eine Fixierung von erstrangiger Wichtigkeit ist, da durch die Auswahl eines geeigneten Quellenmaterials die synthetischen Materialien dieser Er-

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fc mit einer s-ewünschten Porenc-röße f"r optimale Ergebnisse hergestellt werden !rönnen.

Dem bewanderten Fachmann wird im Lichte der voranstehenden Darleeune-en offenkundig, daß viele Modifikationen, Abänderungen und Substitutionen bei der praktischen Durchführung dieser Erfindung möglieh sind, ohne von Geist und Ziel derselben abzuweichen.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Als Biomaterial brauchbares rs.yntheti sches Material, gekennzeichnet durch eine Mikr ο struktur, welche der MikroStruktur von porösem Oarbonatskelettmaterial von Meereslebewesen entspricht, wobei dieses synthetische Material aus einem aus der Gruppe: Hydroxylapatit und Whitlockit, auswählten Material aufgebaut ist.

2. Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch fekennzeichnet, daß es die MikroStruktur von Echinodermskelettcalzit besitzt und im wesentlichen aus Whitlockit besteht.

3. Synthetisches Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Echinodermskelettcalzit echinoider Gerüstcalzit ist.

4. Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die MikroStruktur von Korallenskelettaragonit aufweist und im wesentlichen aus Hydroxylapatit besteht.

5. Synthetisches Material nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Korallenskelettaraponit ein Porites-Skelettaragonit ist.

6. Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Hydroxylapatit eine kleinere Menge Garbonat enthält.

7. Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Whitlockit eine kleinere Menge Carbonat enthält.

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8. Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch prekenn zeichnet, daß es die Mikrostruktur des Calzitgerüstes von Acanthaster planci aufweist und im wesentlichen aus Whitlockit besteht.

9- Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die MikroStruktur des Calzitsrerüstes des Seeigels Diadema aufweist und im wesentlichen aus Whitlockit besteht.

10. Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die Mikrostruktur von Goniopora-Skelettaragonit aufweist und im wesentlichen aus Hydroxylapatit besteht.

11. Synthetisches Material nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Hydroxyl apatit eine kleinere Menge Carbonat enthält.

12. Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die Mikrostruktur von Alveopora- -Skelettaragonit aufweist und im wesentlichen aus Hydroxylapatit besteht.

13'· Synthetisches Material nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Hydroxylapatit eine kleinere Menge Carbonat enthält.

14. Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese marinen Lebewesen skleraetinianische Korallen sind.

15- Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese marinen Lebewesen die Phylum Coelenterate sind.

16. Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Cärbonat dieses porösen Skelettmaterials Aragonit oder Calzit ist.

17. Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die Mikrostruktur von Acropora- -Skelettaragonit aufweist und im wesentlichen aus HydroxyI-apatit besteht.

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18. Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Hydroxylapatit eine kleinere Mense Garbonat enthält.

19· Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostruktur derart ist, daß das synthetische Material ein Verhältnis von Porenvolumen zum Volumen des Festkörpers von annähernd 1 aufweist und einen Querschnittsdurehmesser sowohl der Poren als auch der festen Phase von etwa gleicher Abmessung zeigt, die im Bereich von etwa 5 Mikron bis 5oo Mikron lieert.

20. Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Porengröße im Bereich von etwa 5 Mikron bis 5oo Mikron aufweist.

21. Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch. gekennzeichnet, daß es eine Porengröße im Bereich von etwa 5 bis 5oo Mikron aufweist und im wesentlichen "aus von organischer Materie freiem Hydroxylapatit besteht.

22. Synthetisches Material nach Anspruch 2o, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Poren^röße im Bereich von etwa 4-O bis 2oo Mikron aufweist.

23. Synthetisches Material nach Anspruch 2o, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Porensröße im Bereich von etwa 5-15 Mikron aufweist.

24. Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es praktisch zur Form eines Zylinders gestaltet oder ausgeformt ist.

25- Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch bekennzeichnet, daß es praktisch zur Form eines flachen Blattes gestaltet oder ausgeformt ist.

26. Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es praktisch zur Form eines gebotenen Blattes gestaltet oder ausgeformt ist.

2?· Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch frekennzeichnet, daß es praktisch zur Form eines fewinde^eschnittenen oder ausgezackten schraubenähnlichen Gegenstandes Gestaltet oder ausgeformt ist.

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28. Synthetisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Porenrcröße im "Bereich vo^> etwa 5 bis 5oo Mikron aufweist und im wesentlichen aus or^anofreiem Whitloekit besteht.

29. Verfahren zur Umwandlung eines porösen Carbonatskelettmaterials von Meereslebewesen in ein P^osphatskelettmaterial, das praktisch die gleiche MikroStruktur dieses Carbonatskelettmaterxals besitzt, dadurch sekennzeichnet, daß man dieses poröse Carbonatskelettmaterial dem hydrothermalen chemischen Austausch mit einem Phosphat unterwirft, wobei dieser hydrothermale chemische Austausch bei einer Temperatur im "Bereich von etwa 1oo°C bis 6oo C und einem erhöhten Druck eine ausreicherde Zeit lan?¹: erfolft, um dieses Carbonatskelettmaterial in ein Phosphatskelettmaterial zu überführen, wobei das Phosphat dieses Phosphatskelettmaterials Hydroxylaoatit oder Whitloekit ist.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch p-ekennzeichnet, daß dieser erhöhte Druck mindestens etwa 1o6 kp/cm" beträgt.

31. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch ^kennzeichnet, daß dieser erhöhte Druck im Bereich von 1o6 bis 7.032 kp/cm und die Zeitspanne im "Bereich von 1 Stunde bis etwa 2 Wochen lieft.

32. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Carbonat dieses porösen Carbonatskelettmaterials Aragonit und das Phosphat dieses Phosphatskelettmaterials Hydroxylapatit ist.

33· Verfahren nach Anspruch 32, dadurch erekernzeichnet, daß dieses Phosphatskelettmaterial im wesentlichen aus Hydroxy!apatit und einer kleineren Mence Carbonat im Bereich von o,1 bis etwa 1o G-ew.-# 0O₇, besteht.

34-. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Carbonat dieses Garbonatskelettmaterials Calzit und das Phosphat dieses Phosphatskelettmaterials Whitloekit ist.

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35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch eekenn-/eichret, daß dieses PhosphatSkelettmaterial im wesentlichen aus Whitlockit und einer kleineren Mense Oarbonat im Bereich von o,o5 "bis etwa 5,ο Gew.-^ CO₇, besteht.

36. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß dieses bei dem hydrothermalen chemischen Austausch verwendete Phosphat (NBL ^HPO₂, ist.

37· Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß dieses bei dem hydrothermalen chemischen Austausch verwendete PhosOhat C^TTH_/j_)pHPO^ und während des hydrothermalen chemischen Austauschs Oa(OEOp zugeben ist.

38. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß dieses bei dem hydrothermalen chemischen Austausch verwendete Phosphat OaHPO^.2 HpO zusammen mit (NB₇, )p= ^HPO^ ist.

39. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß dieses bei dem hydrothermalen chemischen Austausch verwendete Phosphat 3 OaO.PpOi- ist.

40. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß dieses bei dem hydrothermalen chemischen Austausch verwendete Phosphat OaHPO^, zusammen mit H-,PO^(Orthophosphorsäure) ist.

41. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das bei dem hydrothermalen chemischen Austausch verwendete Phosphat Oa(HpPO.)p.HpO ist.

42. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das bei dem hydrothermalen chemischen Austausch verwendete Phosphat für die Reaktion mit dem Oarbonat dieses porösen Oarbonatskelettmaterials ein Phosphat aus der Gruppe der Alkaliphosphate, Ammoniumorthphosphate, Galcium— orthophosphate und sauren Phosphate derselben, Orthophosphorsäure und Hydraten derselben sowie Gemischen schwacher Säuren mit Phosphaten ist.

43. . Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß diese Alkaliphosphate Natriumorthphosphate sind.

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44. ' Verfahren nach Anspruch 42, dadurch e-ekennzeichnet, daß diese Alkaliphosphate Kaliumorthophosphate sind.

45. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß diese schwache Säure Essigsäure ist.

46. Verfahren nach Anspruch 29» dadurch gekennzeichnet, daß dieses poröse Garbonatskelettmaterial zu der gewünschten Gestalt ausgeformt wird, bevor es dem hydrothermalen chemischen Austausch mit einem Phosphat unterworfen wird.

47. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der hydrothermale chemische Austausch bei einer Temperatur im Bereich von etwa 18o°C bis 35o°C erfolgt.

48. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der hydrothermale chemische Austausch bei einem

Druck im Bereich von etwa 562 bis 1.o55 kp/cm erfolgt.

49. Verfahren nach Anspruch 29,.dadurch gekennzeichnet, daß der hydrothermale chemische Austausch in einem Zeitraum von etwa 12 Stunden bis etwa 48 Stunden durchgeführt wird.

50. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der hydrothermale chemische Austausch bei einem

Druck im Bereich von etwa 562 bis 1.o55 kp/cm für eine Zeitspanne von etwa 12 Stunden bis etwa 48 Stunden durchgeführt wird, wobei das bei diesem hydrothermalen chemischen Austausch verwendete Phosphat (sich) vom (NH^^HPO^ableitet.

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