DE3106452A1

DE3106452A1 - "niedrigviskoser knochenzement"

Info

Publication number: DE3106452A1
Application number: DE19813106452
Authority: DE
Inventors: David A. Winona Lake Ind. Anuta
Original assignee: Bristol Myers Co
Current assignee: Bristol Myers Squibb Co
Priority date: 1980-02-20
Filing date: 1981-02-20
Publication date: 1982-01-07
Also published as: US4341691A; AU6742281A; CH646721A5; DE3106452C2; FR2478461A1; CA1150880A; FR2478461B1; JPS56131630A; AU548997B2; GB2069517A; GB2069517B

Description

J. REITSTÖTTER W. KINZEBACH !

PROF. DR. DR. DIPL. ING. DR. PHIL. DIPU CHBM.

j W. BUNTE (1958-1976) K. P. HÖLLER j

I DR. ING. DR. RBR. NAT. DIPL. CHBM. j

I " ί

j TELEFON I (089) 87 ββ 83 ί

ί TBLBXi B2IS208 18AR D '

j BAUBRSTRABSB S8, POOO MONCHBN 40

München, den 20. Februar 1981
Μ/22 035

BRISTOL-MYERS COMPANY
345, Park Avenue
New York, N.Y. 10022
U. S. A.

Niedrigviskoser Knochenzement

POSTANSCHRIFT« POSTFACH 7BO, D-80OO MÜNCHEN 43

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Die Erfindung betrifft verbesserten Knochenzement für die Chirurgie und insbesondere einen Knochenzement, der im niedrigviskosen Zustand verwendet werden soll", so daß der Knochenzement die Trabekel der Knochen durchdringen kann, wenn er zum Befestigen einer Prothese verwendet wird. Diese Durchdringung erlaubt ein viel besseres Ineinandergreifen zwischen Zement und Knochen, wodurch ein Lösen ■■■:<. an der Verbindungsfläche zwischen Knochen und Zement weniger wahrscheinlich wird.

Zum Befestigen von Prothesen wurden bereits verschiedene Arten von Knochenzement verwendet. Herkömmlicherweise wurde Knochenzement aber immer mit den Fingern aufgetragen und deshalb mußte der Zement während der Verarbeitungszeit eine teigige Konsistenz haben. In den letzten Jahren wurden Knochenzement-Injektoren verwendet. Dabei tritt häufig das Problem auf, daß der herkömmliche teigige Zement zu steif ist und daher nicht leicht aus der Kartusche einer Knochenzement-Spritze extrudiert werden kann. Oft bindet der Zement noch . in der Kartusche ab oder härtet darin aus. Wichtiger aber ist noch, daß der herkömmliche, teigige Zement die Trabekel der Knochen nicht so wirksam durchdringt, daß ein sicheres Ineinandergreifen gewährleistet wäre. Dies führt dazu, daß sich die implantierte Prothese lockert und möglicherweise löst.

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Viele der bekannten Knochenzementarten bestehen aus einer flüssigen Monomer-Komponente und einer pulverförmigen Polymerisatkomponente. Knochenzement, wie ZIMMER W-Knochenzement, der von Zimmer USA Inc. vertrieben wird und SURGICAL SIMPLEX ^P, von Howmedica vertrieben, haben üblicherweise ein Verhältnis von flüssiger Komponente zu Pulverkomponente, von 1 : 2 (Volumen/Gewicht) , wobei das Volumen in ml und das Gewicht in g gemessen werden. Wenn man die flüssigen und die pulverförmigen Komponenten mischt, gibt man die Flüssigkeit zum Pulver und nicht das Pulver zur Flüssigkeit. Man rührt die Mischung, bis sich .eine teigähnliche Masse gebildet ! hat, die nicht mehr an den Gummihandschuhen des Operateurs ! klebt oder haftet. (Dies betrachtet man als Anteigzeit). | Die teigähnliche Masse wird dann üblicherweise mit der Hand j geformt oder geknetet bis sie die richtige Konsistenz hat, ; damit sie mit den Fingern auf den Knochen aufgetragen werden ;

ι kann>r..> Der Zement wird dann von Hand aufgetragen, die :

Prothese eingesetzt und im Zement in der richtigen Lage j

ι gehalten, bis der Zement hart wird. (Diese Zeit wird als Härtungszeit bezeichnet). Die Viskosität von Acrylzement nimmt zu, je länger die Monomer- und Polymer-Komponenten vermischt sind. Die·Mischung hat anfänglich eine niedrige Viskosität und wird mit der Zeit immer steifer bis sie ggfs. völlig hart wird. Diese Art von ständig sich ändernder Viskosität ist typisch für pseudoplastisches Material.

ASTM (American Society of Testing Materials) hat eine Norm (ASTM F 451) für Acryl-Knochenzement. In dieser Norm sind die Anteigzeit und die Härtungszeit für Acryl-Knochenzement als Normvorschrift definiert. Diese Versuche werden bei 23 _+ 2 ⁰C durchgeführt. Um die Anteigzeit zu messen, wird eine Stopuhr gestartet, sobald man das Pulver mit der Flüssigkeit vereinigt. Man testet difö Mischung vorsichtig

mit einem mit Operationshandschuhen versehenen Finger. Bei den ersten Versuchen kann man sehen, daß sich

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Fäden zwischen der Oberfläche der Mischung und dem Finger ' bilden, wenn man diesen herauszieht. Die Zeit zu der man

j zuerst beobachtet, daß der behandschuhte Finger sich glatt '] löst, wird als Anteigzeit bezeichnet.

Die Härtungszeit wird nach den ASTM-Normen ebenfalls bei ^! 23 +_ 2 ⁰C gemessen. Die Temperatur des Zements wird vom j Beginn des Mischens von Pulver und Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Zeit kontinuierlich aufgezeichnet. Die Härtungszeit ! ist nach den ASTM-Normen die Zeit zu der die Temperatur der ; Mischung

! (T + TL ) / 2 entspricht,
ί * max Tlauin '

! T entspricht der maximal erreichten Temperatur. Τ_π ! max ^c Raum

entspricht der Umgebungstemperatur von 23 +_ 2 C. Als Härtungszeit wird die Zeit betrachtet, zu der die Mischung hart wird.

Zur Anwendung von Knochenzement wurden Injektionsvorrichtungen

ι vorgeschlagen, insbesondere zum Einbringen in Hohlräume,

■ wie. den Oberschenkelkanal, da lange, schlanke Injektions-

! spitzen zum Einführen von Zement tief in die Höhle hinein

geeigneter..sind als zu versuchen, den Zement von Hand aufzutragen. Das Einspritzen verringert auch die Tendenz von Schichten- und Hohlraumbildungen im Zement und verrringert gleichfalls den Einschluß von Blut im Zement. Das Problem mit den herkömmlichen Zementarten liegt darin, daß sie für die Anwendung mit den Fingern formuliert und somit 1 nach der Anteigzeit zu verwenden sind, wenn der Zement steif genug ist um gehandhabt zu werden. Will er die herkömmlichen Zementarten in Injektionsvorrichtungen verwenden, muß der Chirurg versuchen, den Zement vor der Anteigzeit (d.h. vor Zeitpunkt, wo die Zementmischung nicht mehr an den Gummihandschuhen des Operateurs haftet oder klebt) zu verwenden, denn zu diesem Zeitpunkt wird der Zement bereits relativ steif. Wenn der Zement die Anteigzeit erreicht hat, dringt er auch nicht mehr so gut in die Trabekel der Knochen ein um die gewünschte Zement/Knochen-Verbindung herzustellen, welche

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der einzige Mechanismus zum sicheren Verankern der implantierten Prothesen im lebenden Knochen ist.

ASTM hat für Acryl-Knochenzement eine maximale Anteigzeit
von 5 Minuten angegeben. Dieses Maximum von 5 Minuten wird
wiederum bei 23 ⁰C gemessen. Die Temperaturen in Operationsräumen sind oft niedriger als 23 ⁰C und betragen oft etwa
20⁰C. Werden das Zementpulver und die Flüssigkeit vermischt,
schreitet die Reaktion bei einer niedrigeren Temperatur
langsamer voran. Deshalb liegt die typische Anteigzeit in ^: Operationsräumen bei etwa 1 Minute später (OP Anteigzeit) ^! als unter ASTM-Norm Testbedingungen. ι

Zimmer ¹S Standard Knochenzement ist für eine ASTM-Anteigzeit j von etwa 1 1/2 bis 2 Minuten ausgelegt. Die OP-Anteigzeit j würde dann bei etwa 2 1/2 bis 3 Minuten nach dem Vermischen \ liegen. Das eigentliche Vermischen des Pulvers mit der j Flüssigkeit beträgt im allgemeinen etwa 1 Minute. So bleiben ' danach nur 1 1/2 oder 2 Minuten, um die Knochenzement-Injektionsvorrichtung herzurichten und den Knochenzement zu
extrudieren, bevor er OP-Anteigzeit erreicht. Andere bekannte
Acryl-Knochenzemente haben üblicherweise eine vergleichbare
OP-Anteigzeit von etwa 3 Minuten oder weniger. Zur Anteigzeit
wird der Zement so steif, daß er schwer aus der Kartusche und
der Spritze ausgestoßen werden kann. Es ergeben sich oft
Probleme, wenn man den Zement in Einspritzvorrichtungen in
diesem teigigen, höher viskosen Zustand verwendet, es werden
jedoch Versuche unternommen. Die Möglichkeit einer sicheren
Fixierung ist unter diesen Umständen nicht optimal. Wie oben
bereits gesagt, wird der Zement oft zu steif zum Ausstoßen, und oft beendet er den Härtungsvorgang schön in der
Kartusche. Dies ist unter Operationsbedingungen natürlich
sehr unerwünscht und riskant.

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Eine andere Art von Knochenzement wird in der ÜS-PS 4,064,566 beschrieben, welche einen graphitfaser-verstarkten Zement betrifft. In der Patentschrift wird beschrieben, daß man eine Aufschlämmung des Polymerisatpulvers in dem flüssigen Monomeren herstellt, dann die Graphitfasern und Härter zusetzt. Die Graphitfasern stärken den Zement und machen ihn stabiler. In der Patentschrift ist beschrieben, daß die Fasern zu dem Zeitpunkt zugegeben werden, da die Polymerisat- und j Monomerkomponenten schließlich gemischt werden, und gibt nicht _;

i an, daß die Fasern im Polymerisatpulver vorgemischt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Acryl-Zementes zum Befestigen einer Prothese in einem lebenden Knochen, wobei der Zement über einen längeren Zeitraum niedrigviskos bleibt (eine längere Anteigzeit hat) als herkömmliche pseudoplastische Zemente, und daß man den Zement in niedrigviskosem Zustand verwenden kann und der Zement in die Trabekel der lebenden Knochen eindringt und eine sichere Verbindung an der Zement/Knochen-Verbindungsfläche bewirkt, dabei aber trotzdem die Härteeigenschaften der herkömmlichen Knochenzemente hat.

Der erfindungsgemäße Knochenzement r:ist auch zur Verwendung in Knochenzement-Injektionövorrichtungen besser geeignet und flüssig genug,m-so- daß er leicht durch die Kartusche und die Spitze fließt, d.h. daß er während einer angemessenen Zeitspanne keinen zu großen Widerstand aufweist, und die früheren Probleme mit verstopften Spritzenenden, Schwer auszupressendem Zement, von durch zu starken Druck gesprengten Kartuschen und vorzeitigem Härten oder Abbinden des Zements bevor er aus der Kartusche und der Spitze ausgestoßen ist, vermeidet;. .

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M/22 035 - «Τ -

Der erfindungsgemäße Knochenzement behält auch bei etwa

O Pft'S

20 C eine Viskosität von weniger als 15061 , Vorzugs-

Pas

weise von weniger als 1008. i>o, bis zur sechsten Oder siebten Minute nach dem Vermischen von Polymerisat und Monomerem.

Obwohl der weniger viskos als herkömmlicher Knochenzement ist, bindet er innerhalb einer angemessenen Zeit, in der die Prothese sicher und ohne Bewegung bis zum Aushärten und Fests.itzen der Prothese in der richtigen Lage gehalten werden muß ab oder härtet vollkommen aus.

Der erfindungsgemäße Knochenzement ist niedrigviskos und kann ; eine Dispersion von Graphitfasern mit einem hohen Modul | zur Verstärkung des Knochenzements aufnehmen, behält aber trotzdem die Vorteile der niedrigen Viskosität und die Eigenschaften des erf indungsgernäßen Knochen zements. Für die Herstellung in größerem Rahmen kann man auch die Graphitfasern mit der Pulverkomponente vormischen.

Der erfindungsgemäße niedrigvisJcbses Knochenzement hat alle diese oben bezeichneten Eigenschaften und hat sich bei Versuchen; und in letzter Zeit auch in der klinischen Praxis bewährt. i Der erfindungsgemäße Knochenzement gestattet das Einsetzen ', und Befestigen von Prothesen in lebenden Knochen und enthält ein flüssiges Monomeres und eine pulverförmige Polymerisatkomponente. Er behält seine niedrige Viskosität während einer längeren Zeitdauer, da die Mischung der Polymer isatkörnchen eine geringere Gesamtoberfläche hat als andere , pulverförmige Polymerisatmischungen. Er hat nach dem Vermischen | der pulverförmigen Polymerisatkomponente mit dem flüssigen Monomeren eine Konsistenz bei etwa 20 ⁰C mit einer Viskosität

Pä-s VtH-S

von weniger als 150Bi , vorzugsweise weniger als 1008 Pe-c, _< bis zu sechs oder sieben Minuten nach dem Vermischen.

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Für die vorliegende Erfindung wurden die Viskositätsmessungen bei etwa 20 ⁰C durchgeführt. Dies ist für die Messung von Viskosität eine typische Temperatur. Es muß jedoch betont werden, daß zwischen der Viskosität bei verschiedenen Temperaturen drastische Unterschiede bestehen. Wie vorstehend bereits beschrieben, geht die Aushärtungsreaktion des Knochenzementes bei höheren Temperaturen rascher voran. Deshalb würden Viskositätsbestimmungen bei 22,2°C (72 ⁰F) einen : viel höheren Wert ergeben (steifer) als bei 20 ⁰C (68 ⁰F).

Die Polymerisatkörchenmischung in der erfindungsgemäßen I

Pulverkomponente enthält eine Mischung von 85 % bis 95 % j

Polymerisatkörnchen (welche als normale Körnchen bezeichnet j

werden) mit einer maximalen durchschnittlichen Größe von i

0,025 mm und 5 bis 15 % Körnchen, welche gemahlen I

oder ausgesiebt wurden, in einem Größenbereich von weniger t

als 0,013 bis 0,017 mm. Die gemahlenen Körnchen werden in i

eine Mühle gegeben, welche sie aufrauht und ihre Oberfläche ι

aufbricht. Dadurch weisen sie für die Umsetzung eine größere j

Oberfläche auf. Auf die gleiche Weise verhalten sich gesiebte J Körnchen von einer Größenordnung kleiner als 0,013 bis 0,017 mm ähnlich wie größere Körnchen, welche gemahlen wurden, da auch bei Ihnen die Oberfläche größer ist.

Die gesamte Pulverkomponente enthält 80 bis 100 Gew.-%

der oben beschriebenen Polymerisatkörnchen-Mischung plus ι Bariumsulfat (U.S.P.), um. die Mischung für Röntgenstrahlen j undurchlässig zu machen und Benzoylperoxid, das als Katalysator wirkt. Ein wichtiger Faktor beim erfindungsgemäßen Knochenzement ist, daß er eine längere Anteigzeit hat _; als die bisherigen Knochenzemente und eine längere Verarbeitungs zeit für die Anwendung in Injektionsvorrichtungen erlaubt, er härtet jedoch trotzdem in weniger als elf Minuten nach dem Beginn des Vermischens der Pulverkomponente mit der flüssigen Komponente aus.

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Figur 1 zeigt ein repräsentatives Diagramm der Viskosität abhängig von der Zeit, wobei die relative Viskosität von Zimmers Standard Knochenzement, SURGICAL SIMPLEX® P, von Howmedicä vertrieben, und des erfindungsgemäßen niedrigviskosen Zementes als Funktion der Zeit gezeigt sind. Für das Diagramm wird die Zeit vom Beginn des Vermischens der Pulver- und der flüssigen Komponente gemessen. Es zeigt die Zeitspanne von drei bis neun Minuten nach Beginn des Vermischens.

Die erfindungsgemäße, acrylzement-ähnliche Substanz, die hier beschrieben werden soll, enthält eine flüssige Itonomer-Komponente und eine pulverförmige Polymerisat-Komponente. Das bei der hier beschriebenen speziellen Ausführungsform verwendete flüssige Monomere ist ein Methylmethacrylatmonomeres und das Polymerisatpulver ist Polymethylmethacrylat.

Der erfindungsgemäße Acryl-Zement liegt in dem gleichen Verhältnis von flüssiger zu pulverförmiger Komponente vor wie Zimmer's Standard (normaler) Knochenzement. Dieses Verhältnis beträgt 1 : 2 (Volumen/Gewicht), wobei die flüssige Komponente in ml und die pulverförmige Komponente in g gemessen werden. Wenn man beispielsweise den Zement mischt, könnte man 20 ml flüssiges Monomeres .zu 40 g Polymerisatpulver geben und | erhält dann eine richtig dosierte Mischung. j

Die flüssige Monomerenkomponente des niedrigviskosen Knochenzements eintspricht der der flüssigen Komponente des normalen Zimmer Knochenzements.Sie hat folgende Zusammensetzung:

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1*

96,2 bis 98,3 Vol.-% Methylmethacrylat-Monomeres, bevorzugt 97,25 %;

2,5 bis 3,0 Vol.-% Ν,Ν-Dimethyl-p-toluidin, vorzugsweise 2,75 %; und

75 _+ 10 ppm Hydrochinon.

Das N,N-Dimethyl-p-toluidin wird zugesetzt, um das kalte Aushärten zu beschleunigen, wenn die beiden Komponenten (flüssige Monomeren-Komponente und pulverförmige Polymerisatkomponente) vermischt werden. Hydrochinon setzt man zu, um vorzeitige" Polymerisation zu vermeiden, welche durch Einwirkung von Hitze, Licht oder chemische Reagentien stattfinden könnte:.-- Die Formel für das Methylmethacrylat-Monomere ist:

= C - COOCH₃

Die Gesamtmengen der pulverförmigen Polymerisatkomponente entsprechen im allgemeinen der von Zimmer's Standard Knochenzement, aber der Aufbau des Polymethyl-methacrylat-Pulvers innerhalb der gesamten Pulverkomponente ist verschieden. Insgesamt haben sowohl Zimmer's Standard Zement als auch der modifizierte niedrigviskose Zement die folgende Zusammensetzung für die gesamte Pulver-Komponente:

80 bis 100 Gew.-% Polymethylmethacrylat, vorzugsweise 89,25 %;

9,0 bis 11,0 Gew.-% Bariumsulfat (U.S.P.), vorzugsweise 10,0%;

0,5 bis 1,0 Gew.-% Benzoylperoxid, vorzugsweise 0,75 % und
maximal 1,0 fiew.-% Feuchtigkeitsgehalt..

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Al

Das Bariumsulfat (BaSO₄) wird wahlweise zugesetzt, verleiht aber der Formulierung Radiopacität, so daß der Zement beim Röntgen sichtbar ist. Das Benzoylperoxid wirkt als Katalysator, wenn die Monomer- und Polymerisat-Komponenten vermischt werden. Die Formel für das Polymethylmethacrylat ist:

CH.

CH₀ - C - CH₀ - C - CH₀

COOCH₃ COOCH₃

CH₃

C -

COOCH.

Der Unterschied beim modifizierten, niedrigviskosen Knochenzement liegt hauptsächlich in der Aufmachung des Polymethylmethacrylat-Pulvers innerhalb der Pulverkomponente.

Das Polymethyl-methacrylat-Pulver in Zimmers Standard Knochenzement besteht aus einer Mischung von 65 bis 70 % Polymerisatkörnchen mit einer maximalen Durchschnittsgröße von 0,025 mm (normale Körnchen) und 30 bis 35 % Polymerisatkörnchen, welche gemahlen oder gesiebt wurden, um eine Größe im Bereich von weniger als 0,013 bis 0,017 mm zu erhalten. Der modifizierte, niedrigviskose Knochenzement enthält 85 bis 95 %, vorzugsweise 90 % Polymerisatkörnchen mit einer Durchschnittsgröße von etwa 0,025 mm und 5 bis 15 %, vorzugsweise 10 %, Körnchen welche gemahlen oder gesiebt wurden, bis sie eine Größe von weniger als 0,013 bis 0,017 mm haben, was ihnen ähnliche Eigenschaften wie das gemahlene Material, verleiht. Verwendet man die geeignete Polymethylmethacrylat-Körnchenmischung für den modifizierten, niedriviskosen Zement in der Polymerisatkomponente und mischt dann mit der Monomeren-Komponente, so erhält man einen Knochenzement, der bei etwa 20 ⁰C eine Viskosität von weniger als 150El , und vorzugsweise weniger als 100$ bis zur sechsten oder siebten ι Minute nach Beginn des Vermischens von Pulver und Flüssigkeit hat.

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Um die Aufmachung der normalen und der gemahlenen Körnchen
genauer anzugeben, werden sie mit ihrer Teilchengröße beschrieben. Sowohl normale Körnchen als auch gemahlene
Körnchen müssen durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,425 mm (# 40 mesh) fallen. Dann müssen alle
normalen Körnchen auch durch ein Sieb mit einer lichten
Maschenweite von 0,150 mm (100 mesh) fallen. Diese Körnchen
werden in der herkömlichen (normalen) Körnchenmischung
verwendet. Diejenigen Körnchen, welche durch das Sieb mit
einer lichten Maschenweite von 0,425 mm (40 mesh) aber
nicht durch ein Sieb von 0,150 mm (100 mesh) fallen, werden
für die gemahlene Körnchenmischung verwendet. Diesen Anteil
an Körnchen gibt man in eine Mühle, welche die Körnchenoberfläche aufrauht und aufbricht. Dadurch erhält man eine
größere Reaktionsoberfläche als bei im wesentlichen kugelförmigen Körnchen vergleichbarer Größe, die nicht gemahlen , sind.

Ein typischer Größenbereich für die Körnchenfraktion, welche . j durch ein 0,425 mm und 0,150 mm Sieb fällt (normale Körnchen- |

ι fraktion) ist wie folgt: j

2.7 % Körnchen kleiner als 0,150 mm, aber größer j

ι als 0,106 mm, ί

6.8 % Körnchen kleiner als 0,106 mm aber größer j als 0,075 mm,

17,3 % Körnchen kleiner als 0,075 mm und größer [ als 0,045 mm, j

71,9 % Körnchen kleiner als 0,045 mm und größer
als 0,013 bis 0,017 mm,

2,2 % Körnchen kleiner als 0,013 bis 0,017 mm.

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Ao

Ein typischer Größenbereich für eine gemahlene Körnchenfraktion
istbeispielsweise:

3,5 % Körnchen kleiner als 0,425 mm, aber größer
als 0,106 mm,

6,0 % Körnchen kleiner als 0,106 mm aber größer
als 0,075 mm,

25,1 % Körnchen kleiner als 0,075mm und größer
als 0,045'mm,

56,1 % Körnchen kleiner als 0,045 mm und größer
als 0,013 bis 0,017 mm,

7,9 % Körnchen kleiner als 0,013 bis 0,017 mm. :

Wenngleich die normale Körnchenfraktion in Wirklichkeit !

einen größeren Anteil an kleineren Körnchen hat (weniger j

als 0,045 mm), so weist die gemahlene Fraktion insgesamt j eine größere Oberfläche auf, da die Form und die Oberflächenstruktur der Körnchen so unregelmäßig und aufgerauht ist durch

das Mahlen, verglichen mit normalen Körnchen, die im wesent- \

liehen kugelförmig sind. :

Dagegen kann eine Körnchenfraktion, in der das Körnchenpulver ; auf eine Größe von weniger als 0,013 bis 0,017 mm gesiebt ist, ; anstelle der gemahlenen Fraktion verwendet werden, und verleiht; die gleichen Eigenschaften wie die oben beschriebene gemahlene I j Fraktion. !

I Eine repräsentative Viskosität/Zeit Kurve ist in Figur 1 j gezeigt und veranschaulicht die typischen Viskositätsverläufe I für Zimmer's Standard Knochenzement, Howmedica's SURGICAL ι SIMPLEX^P und die neue, niedrigviskose Formulierung. '

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Die Messungen wurden bei 20 +_ 0,5 ⁰C durchgeführt, was oft eine typische Temperatur in einem Operationssaal ist. Es ist zu bemerken, daß 6 Minuten nach dem Vermischen, welches zum Zeitpunkt Null erfolgt, der niedrigviskose Zement eine Viskosität von etwa 400 Poise hat. Nach der siebten Minute ist die Viskosität immer noch weniger als 1000 Poise, graphisch dargestellt bei etwa 750 Poise. Zimmer's Standard-Zement hat bereits nach 6 Minuten 1500 Poise erreicht und liegt nach sieben Minuten bei 2000 Poise. Wie in der Graphik angegeben, gilt dieser Trend auch für SURGICAL SIMPLEX ® P sowie für alle anderen handelsüblichen Acrylzemente, die zur Verarbeitung von Hand hergestellt werden. Wenngleich andere Acrylzemente unterschiedliche Viskositätskurven haben, so haben alle bekannten Acryl-Knochenzemnte, gemessen bei 20 ⁰C, sechs Minuten nach dem Mischen eine Viskosität größer als 1500 Poise.

Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Anteigzeit und der Viskosität. Ein Knochenzement, der eine längere Anteigzeit hat, bleibt also längere Zeit niedriger viskos

als ein Zement mit einer relativ kurzen Anteigzeit. Wie oben bereits erklärt, hat Zimmer¹s Standard Knochenzement eine typische ASTM Anteigzeit von etwa 1 1/2 bis 2 Minuten und eine OP-Anteigzeit von etwa 2 1/2 bis 3 Minuten. Die ansonsten vorhanden Knochenzemente haben eine "veigleichbare qder sogar noch kürzere Anteigzeit.

Der erfindungsgemäße niedrigviskose Zement ist so formuliert, daß er eine ASTM Anteigzeit von etwa 4 3/4 Minuten, und somit unter typischen Operationsraum-Bedingungen eine OP-Anteigzeit von etwa 5 3/4 oder fast 6 Minuten hat. Wenn es eine Minute dauert, bis das Pulver und die flüssige Komponente zum Zement vermischt sind, hat man immer noch 4 3/4 Minuten, um die Injektionsvorrichtung zum Spritzen des Knochenzements aus dem Injektor herzurichten und anzuwenden, während bei anderen bekannten Knochenzementen hierfür nur etwa 2 Minuten verbleiben, bevor sie zu steif werden, um mit einer Spritze

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ΛΎ

verabreicht werden zu können und auch zu steif sind, um in
die Knochentrabekel einzudringen. Die neue, niedrigviskose
Formulierung erlaubt daher doppelt so viel Zeit im Operationssaal, um den Knochenzement wirksam mit einer Einspritzvorrichtung anzuwenden und verlängert auch die Zeitspanne,
während der der Zement in die Zwischenräume der Knochentrabekel eindringen kann.

Die Anteigzeit ist eine Funktion der Oberfläche des Polymerisatpulvers. Je größer der gesamte verfügbare Oberflächenbereich
ist, um so kürzer ist die Anteigzeit. Deshalb hat Zimmer's
Standard Knochenzement eine kürzere Anteigzeit als der ^! modifizierte niedrigviskose Zement, da der Standardzement einen
größeren Anteil an gemahlenen Körnchen im Polymerisatpulver,
und daher eine größere Oberfläche als der niedrigviskose
Zement hat. Da andere Acrylzemente nicht alle gemahlene
Polymerisatkörnchen in ihren Mischungen verwenden, könnte ; ein 2ement mit niedrigerer Viskosität auch durch Verkleinerung

der Gesamtoberfläche des Polymerisatpulvers oder durch Er- j

i höhung der Durchschnittsgröße der Polymerisatkörnchen erreicht

werden.

Bei der Formulierung eines niedriger viskosen Knochenzeme. ts ! ist es wichtig, daß der Knochenzement noch in einer ange- j messenen Zeit aushärtet. Nachdem der Zement injiziert und : die Prothese eingesetzt und/oder in die richtige Lage
gebracht worden ist, muß sie sicher und ohne weitere
Bewegung gehalten werden, bis der Zement aushärtet oder
völlig hart wird, um die Prothese sicher zu fixieren. Die
maximal erlaubte Härtungszeit für Acrylzement beträgt
15 Minuten. Wenn aber der Chirurg den Knochenzement nach _; sechs Minuten eingespritzt hat und die, Prothese in der
nächsten Minute im Zement in die richtige Lage gebracht hat, so
müßte sie dann noch weitere acht Minuten in dieser Lage gehalten, werden, was unvernünftig und schwer durchzuführen wäre. Durch !

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Einstellen der Katalysatormengen, wie beispielsweise des Benzoylperoxids, in der erfindungsgemäßen Pulverkomponente, kann dennoch eine angemessene Aushärtungszeit erreicht werden.

Zimmer's Standard Zement sowohl als auch der neue, niedrigviskose Zement sind beide so formuliert, daß sie eine Härtungszeit von 7 bis 10 1/2 Minuten nach Beginn des Vermischenshaben. Deshalb müßte bei dem niedrigviskosen Zement die Prothese voraussichtlich nur weniger als eine j Minute oder maximal 3 bis Λ Minuten an Ort und Stelle ge- | halten werden. Dies ist wichtig, denn bei der Herstellung j eines Zements, der über eine längere Zeit eine niedrige j Viskosität behält, ist es wahrscheinlich, daß bei einigen Formulierungsversuchen der Härtungsprozess völlig verlangsamt j und man einen fließenden Zement erhält, der nicht richtig !

j aushärtet. Deshalb ist es bei der Formulierung eines niedrig-

viskosen Zements sehr wichtig, daß die Aushärtungszeit ' erhalten bleibt.

Wenn die Polymerisation : der Zementmischung abgeschlossen ist, ist der Zement ein Puffer für gleichmäßige Gewichtsverteilung und andere Beanspruchungen zwischen der Prothese und dem Knochen. Wird der Zement in niedrigem Viskositätszustand injiziert, so ist die Verbindung zwischen Knochen und Zement viel stärker, da der niedrigviskose Zement in die Knochen-Trabekel eindringen kann, welche poröse Löcher im gitterförmigen Knochen darstellen.

Der vorstehend beschriebene, niedriger viskose Zement erreicht eine minimale Druckfestigkeit von 10-000 psi (689,476 bar), welche mit der anderer Zementsorten vergleichbar ist.

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Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Knochenzements enthält eine Dispersion von 1,8 bis 2,2 Gew.-%,
vorzugsweise 2 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der
pulverförmigen Polymerisatkomponente, an Graphitfasern mit
einem hohen Modul. Das Verhältnis von flüssiger Komponente
und Gesamtpulverkomponente ist auch hier eins zu zwei (Volumen/ Gewicht) wobei das Volumen der Flüssigkeit in ml und das
Gewicht des Pulvers in g gemessen werden. Die Zusammensetzung des flüssigen Monomeren enthält die gleichen Anteile
an Methylmethacrylatiaonomerem, Ν,Ν-Dimethyl-p-toluidin und

Hydrochinon, wie vorstehend für den normalen, modifizierten, , niedrigviskosen Knochenzement beschrieben.

Bei der graphitverstärkten Ausführungsform hat die Pulverkomponente dennoch ein Verhältnis von 85 zu 95 % Polymerisatkörnchen mit einer maximalen Durchschnittsgröße von 0,025 mm '■ (normale Körnchen) und 5 bis 15 % Polymerisatkörnchen welche
gemahlen oder bis zu einer Größe von weniger als 0,013 bis
0,017 mm ausgesiebt wurden, wenngleich bei der graphitver- I stärkten Ausführungsform das Verhältnis mehr zu 90 bis 95 % ι

normaler Körnchen und 5 bis 10 % der anderen Körnchen- [ fraktionen tendiert. Verwendet man die obige Polymerisatpulver-: Zusammensetzung, so sind die Anteile der in der Gesamtpolymer isatpulver-Komponente enthaltenen Elemente wie
folgt: ■

80 bis 100 Gew.-% Polymethylmethacrylat, ^;

vorzugsweise 87,25 %, j

9 bis 11 Gew.-% Bariumsulfat (U.S.P.),

vorzugsweise 10%. ;

1,8 bis 2,2 Gew.-% Graphitfasern mit einem hohen
Modul, vorzugsweise 2 %,

0,5 bis 1,0 Gew.-% Benzoylperoxyd, vorzugsweise
0,75 % und
- ein Maximum von 1,0 Gew.% Feuchtigkeitsgehalt.

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Vf-

io

Somit stellen die Kohlenstoffasern etwa 2 % des Gesamtgewichts der Pulverkomponente dar. Die Kohlenstoffasern selbst können bei der Great Lake Carbon Corporation gekauft werden* Der verwendete Kohlenstoffasertyp wird Fortafil genannt, es können aber audv'andere, im wesentlichen äquivalente Fasern verwendet werden. Die Länge der Fasern reicht von 0,79 bis 7,14 mm. Die Querschnittsform der Fasern kann als hundeknochenförmig ; oder achterförmig beschrieben werden. Daher haben die Fasern einen größten und einen kleinsten Durchmesser. Der größte Durchmesser ist . etwa 0,015 mm und der kleinste .;

etwa 0,006 mm. j

Die verstärkenden Kohlenstoff-Fasern werden in der trockenen i Pulverkomponente vermischt. So können die Fasern vorgemischt j und mit der Pulverkomponente verpackt werden. Dies steht im Gegensatz zum US-Patent 4 064 566, worin die flüssige j und die pulverförmige Komponente zu einer Aufschlämmung gemischt und die verstärkenden Kohlenstofffasern dann zu dieser Auf- j schlämmung gegeben werden. Bei dieser Ausführungsform werden ; die Fasern nicht zugesetzt,bis der Knochenzement für die Anwendung vermischt wird. Durch das Vormischen der Fasern in der Pulverkomponente können diese gleichmäßiger vermischt werden und der Arzt muß nicht versuchen, die Fasern zu mischen und gleichmäßig in der Mischung zu verteilen. Bei der Herstellung des Produkts in größerem Maßstab ist das Vormischen der Fasern in dem Pulver besser und wirkungsvoller.

Der mit Kohlenstoff verstärkte niedrigviskose Zement, der ansonsten der obigen Zusammensetzung entspricht, ergibt einen Knochenzement mit Viskositätseigenschaften ähnlich der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform·, so daß bei 20 ⁰C die Viskosität niedriger als 1500 Poise bis zur sechsten oder siebten Minute nach dem Vermischen der Pulver- und Flüssigkeitskomponente ist, und vorzugsweise niedriger als 1000 Poise bis zur sechsten oder siebten Minute nach dem Mischen. Dieser Zement wird wegen

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der Festigkeit mit Kohlenstoffasern verstärkt und hat dennoch die Vorteile des niedrigviskosen Zements, d.h. er dringt in die Trabekel der Knochen ein und schafft eine bessere Verbindung von Knochen und Zement, und läßt sich wirksam und leicht mit einer Injektionsvorrichtung für Knochenzement während einer längeren Zeit handhaben.

Die hier beschriebene Erfindung betrifft einen niedrigviskosen Knochen zement/ler die Trabekel der Knochen gut durchdringen kann und dadurch eine stärkere Verbindung zwischen Zement und Kochen schafft, wenn er aushärtet und eine Prothese mit Zement im lebenden Knochen verankert. Der hier beschriebene niedrigviskose Zement erleichtert auch die Verwendung von Knochenzentent-lnjektionsvorrichtungen, wobei die Probleme, die bei Zement mit kürzenen ÄTite±gzei£en , (die rascher steifer werden) bei Injektionsvorrichtungen auftreten, nicht vorhanden sind. Dieser niedriqviskose Zement ist nicht zur Verarbeitung von Hand gedacht, sondern speziell für Injektionskanonen oder Spritzen.

Es wurden hier bevorzugste Ausführungsformen beschrieben, jedoch ist es für den Fachmann offensichtlich, daß auch Veränderungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Acryl-Knochenzement, enthaltend eine flüssige Monomeren-

: komponente und eine pulverförmige Polymerisatkomponente,

wobei das Verhältnis von flüssiger zu pulverförmiger

' Komponente 1 : 2 (Volumen/Gewicht) beträgt,

(flüssige Komponente in ml und die Pulverkomponente
; in g), die flüssige Monomeren-Komponente '

ι ^J

ι aus Methylmethacrylat-Monomerem und die pulverförmige j ι Polymerisatkomponente zu mindestens 80 Gew.-% aus

Methylmethacrylat-Polymerisatpulver besteht, wobei :

mindestens 85 bis 95 Gew.-% der Methylmethacrylat- !

polymerisatpulver-Körnchen eine maximale Durchschnitts- i

j I

j größe von etwa 0,025 mm haben und etwa 5 bis 15 Gew.-% I der Methylmethacrylat-Polymerisatpulver-Körnchen durch \ ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,425 mm, j aber nicht durch ein Sieb mit einer lichten Maschen- j weite von 0,150 mm fallen undf.anschließend gemahlen worden sind^ um die Oberfläche der Körnchen aufzurauhen und aufzu- j brechen; eine Dispersion von 1,8 bis 2,2 Gew.-%, bezogen : auf die gesamte pulverförmige Polymerisatkomponente, an
Graphitfasern mit einem hohen Modul und einem Durchmesser von 0,006 bis 0,015 mm und einer Länge von 0,79
bis 7,14 mm im Polymerisatpulver, welche in der
flüssigen Monomerenkomponente aufgelöst wird,
wenn sie fertig zum Mischen ist, und wobei, wenn' die flüssige Monomerenkomponente mit der pulverförmigen Polymerisatkomponente gemischt wird, der erhaltene Zement eine
Viskosität von weniger als 150la hat, bei etwa 20 C

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während mindestens sechs Minuten nach dem Vermischen der Komponenten, und daß der erhaltene Knochenzement in nicht mehr als zehn bis elf Minuten, vom Zeitpunkt des Beginns des Vermischens der Komponenten völlig hart geworden ist.

2. Acrylzement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Monomer-Komponente 96,2 bis 98_r3 Vol.-% Methylmethacrylatmonomeres und 2,5 bis 3,0 Vol.-%

. N,N-Dimethyl-p-toluidin enthält.

3. Acrylzement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverkomponente 80 bis 100 Gew.-% Polymethylmethacrylat-Körnchenmischung, 1,8 bis 2,2 Gew.-% Kohlefasern mit einem hohen Modul und 0,5 bis 1,0 Gew.-% Benzoylperoxid enthält und höchstens 1 Gew.-% Feuchtigkeit enthalten darf.

4. Acrylzement nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerisatpulver-Komponente außerdem 9 bis 11 Gew.-% Bariumsulfat (U.S.P.) enthält und den Zement Röntgenstrahlen-undurchlässig macht.

5. Acrylzement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverkomponente mindestens 80 Gew.-% Methylmethacrylatpolymerisat-Pulver enthält, wovon mindestens 85 bis 95 Gew.-% der Methylmethacrylatpolymerisat-Pulverkörnchen eine maximale Durchschnittsgröße von etwa 0,025 mm und etwa 5 bis 15 Gew.-% Methylmethacrylatpolymerisatpulver-Körnchen einen Durchmesser von weniger als 0,013 bis 0,017 mm aufweisen.

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