DE3106452C2

DE3106452C2 -

Info

Publication number: DE3106452C2
Application number: DE3106452A
Authority: DE
Inventors: David A Anuta
Original assignee: Bristol Myers Squibb Co
Current assignee: Bristol Myers Squibb Co
Priority date: 1980-02-20
Filing date: 1981-02-20
Publication date: 1990-09-27
Also published as: DE3106452A1; JPS56131630A; AU6742281A; FR2478461B1; CH646721A5; US4341691A; CA1150880A; GB2069517B; FR2478461A1; AU548997B2; GB2069517A

Description

Die Erfindung betrifft eine Abmischung zur Herstellung eines Acryl-Knochenzementes.

Der erfindungsgemäße Knochenzement ist in der Chirurgie anwendbar. Da er insbesondere in niedrig-viskosem Zustand verwendet werden kann, ist der Knochenzement in der Lage, die Trabekel der Knochen zu durchdringen, wenn er zum Be festigen einer Prothese verwendet wird. Diese Durch dringung ermöglicht ein verbessertes Ineinandergreifen von Zement und Knochen, wodurch ein Lösen an der Verbindungs fläche 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 aufweisen. In den letzten Jahren wurden Knochenzement-Injektoren verwendet. Dabei tritt häufig das Problem auf, daß der herkömmliche, teigige Zement zu steif ist und daher schwierig aus der Kartusche einer Knochenzementspritze zu extrudieren ist. 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 mög licherweise löst.

Viele der bekannten Knochenzementarten bestehen aus einer flüssigen Monomer-Komponente und einer pulverförmigen Polymerisatkomponente. Knochenzement, wie ZIMMER®-Knochenzement SURGICAL SIMPLEX®P 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. (Diese Zeit bezeichnet man als Anteigzeit.) Die teigähnliche Masse wird dann üblicherweise mit der Hand geformt oder geknetet bis sie die richtige Konsistenz hat, damit sie mit den Fingern auf den Knochen aufgetragen werden kann. Der Zement wird dann von Hand aufgetragen, die Prothese eingesetzt und im Zement in der richtigen Lage 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.

Die ASTM (American Society of Testing Materials) gibt eine Norm (ASTM F 451) für Acryl-Knochenzement an, in der die Anteigzeit und die Härtungs zeit für Acryl-Knochenzement als Normvorschrift definiert sind. Diese Versuche werden bei 23 ±2°C durchgeführt. Um die Anteigzeit zu messen, wird eine Stoppuhr gestartet, sobald man das Pulver mit der Flüssigkeit vereinigt. Man testet die Mischung vorsichtig mit Hilfe eines behandschuhten Fingers. Während der ersten Teststufen kann man beobachten, daß sich Fäden zwischen der Oberfläche der Mischung und dem Finger bilden, wenn man diesen herauszieht. Die Zeit zu der man zuerst beobachtet, daß der behandschuhte Finger sich glatt löst, wird als Anteigzeit bezeichnet.

Die Härtungszeit wird nach den ASTM-Normen ebenfalls bei 23 ±2°C gemessen. Hierzu wird die Temperatur des Zements, beginnend mit dem Mischen 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 _max + T _Raum)/2

entspricht.

T _max entspricht der maximal erreichten Temperatur. T _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 vorgeschlagen, insbesondere zum Einbringen in Hohlräume, wie dem Oberschenkelkanal, da lange, schlanke Injektions spitzen zum Einführen von Zement tief in die Höhle geeigneter sind als der Versuch, den Zement von Hand aufzu tragen. Das Einspritzen verringert auch die Tendenz zur Schichten- und Hohlraumbildung im Zement und verringert 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 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 Gummihand schuhen 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 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°C gemessen. Die Temperaturen in Operations räumen sind oft niedriger als 23°C und betragen oft etwa 20°C. 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 den Testbedingungen der ASTM-Norm.

ZIMMER® Standard Knochenzement ist für eine ASTM-Anteigzeit von etwa 1½ bis 2 Minuten ausgelegt. Die OP-Anteigzeit würde dann bei etwa 2½ bis 3 Minuten nach dem Vermischen liegen. das eigentliche Vermischen des Pulvers mit der Flüssigkeit beträgt im allgemeinen etwa 1 Minute. So bleiben danach nur 1½ 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 Einspritz-Vorrichtungen in diesem teigigen, höher viskosen Zustand verwendet, da eine sichere Fixierung unter diesen Umständen nicht möglich ist. Wie oben bereits gesagt, wird der Zement oft zu steif für eine Abgabe, und oft beendet er den Härtungsvorgang schon in der Kartusche. Dies ist unter Operationsbedingungen natürlich sehr unerwünscht und riskant.

Eine andere Art von Knochenzement wird in der US-PS 40 64 566 beschrieben, welche einen graphitfaser-verstärkten 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 dann zugegeben werden, wenn die Polymerisat- und Monomerkomponenten gemischt werden. Es ist nicht ange geben, daß die Fasern im Polymerisatpulver vorgemischt werden.

Die US-PS 36 49 608 ist auf ein Verfahren zur Herstellung von Dentalprothesen gerichtet, wobei eine Formmasse aus flüssigem Methylmethacrylat und einer festen Pulverkomponente verarbeitet wird. Diese Formmasse zeichnet sich dadurch aus, daß sie etwa 1 Stunde verarbeitbar (knetfähig) ist.

Die DE-PS 25 52 070 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer für chirurgische Zwecke verwendbaren Masse, deren Anteigzeit 4 bis 5 Minuten beträgt. Diese Masse besteht im wesentlichen aus einer Methylmethacrylat-Monomeren-Komponente und einer Methylmethacrylat-Polymer-Komponente, wobei diese beiden Komponenten vorzugsweise in einem Mengenverhältnis von 1 : 2 vor liegen. Als weiterer wesentlicher Zusatzstoff werden Polyester-, Polyphenylalkohol- oder Polyamidfasern angegeben. Die Synthese faser wird in Form einer wäßrigen Emulsion (15-50% H₂O) verwendet. Die Verwendbarkeit von Kohlefasern wird nicht erwähnt.

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 niedrig viskos bleibt (eine längere Anteigzeit hat), so daß man den Zement in niedrigviskosem Zustand verarbeiten kann, wobei er in die Trabekel der lebenden Knochen eindringt, wodurch eine sichere Verbindung an der Zement/Knochen-Verbindungsfläche bewirkt wird. Hierbei soll der Zement trotzdem die Härteeigen schaften herkömmlicher Knochenzemente haben.

Die erfindungsgemäß gestellte Aufgabe wird durch Bereit stellung einer Abmischung zur Herstellung eines Acryl-Knochen zementes gemäß Hauptanspruch gelöst.

Der erfindungsgemäße Knochenzement ist auch zur Verwendung in Knochenzement-Injektionsvorrichtungen besser geeignet und flüssig genug, um leicht durch Kartusche und Spitze zu fließen. Er weist somit während einer angemessenen Zeit spanne keinen zu großen Widerstand auf, so daß die früheren Probleme mit verstopften Spritzenenden, schwer auszupressendem Zement, von zu starkem Druck gesprengten Kartuschen und vorzeitigem Härten oder Abbinden des Zementes, bevor er aus Kartusche und Spritze abgegeben werden kann, vermieden werden.

Ein wichtiger Faktor beim erfindungsgemäßen Knochenzement ist, da er eine längere Anteigzeit hat als die bisherigen Knochenzemente und eine längere Verarbeitungszeit 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.

Der erfindungsgemäße Knochenzement behält auch bei etwa 20°C eine Viskosität von vorzugsweise weniger als 100 Pa · s, bis zur sechsten oder siebten Minute nach dem Vermischen von Polymerisat und Monomer.

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

Die im erfindungsgemäßen Knochenzement verwendete Dispersion von Graphitfasern mit einem hohen Modul dient zur Verstärkung des Knochenzementes, wobei dieser trotzdem die erfindungs gemäßen Vorteile beibehält.

Der erfindungsgemäße niedrigviskose Knochenzement hat alle diese oben bezeichneten Eigenschaften und hat sich bei Versuchen und in letzter Zeit auch in der klinischen Praxis bewährt und gestattet das Einsetzen und Befestigen von Prothesen in lebende Knochen.

Er behält seine niedrige Viskosität über längere Zeit, da die Mischung der Polymerisat körnchen eine geringere Gesamtoberfläche hat als andere pulverförmige Polymerisatmischungen.

Für die vorliegende Erfindung wurden die Viskositätsmessungen bei etwa 20°C durchgeführt. Dies ist für die Messung der Viskosität eine typische Temperatur. Es muß jedoch betont werden, daß zwischen den bei verschiedenen Temperaturen bestimmten Viskositäten drastische Unterschiede bestehen. Wie bereits beschrieben, geht die Aushärtungsreaktion des Knochen zementes bei höheren Temperaturen rascher voran. Deshalb würden Viskositätsbestimmungen bei 22,2°C einen viel höheren Wert ergeben als bei 20°C.

Fig. 1 zeigt ein repräsentatives Diagramm der Viskosität in Abhängigkeit von der Zeit, wobei die relative Viskosität von ZIMMER® Standard Knochenzement, SURGICAL SIMPLEX®P 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.

Erfindungsgemäß stellt man eine Abmischung zur Herstellung eines Acryl-Knochenzementes bereit, enthaltend eine flüssige Methyl methacrylat-Monomer-Komponente und eine Pulverkomponente, die eine Methyl methacryl-Polymer-Komponente und eine Faserkomponente umfaßt;
mit einem Verhältnis von flüssiger Komponente zu Pulver komponente von 1 : 2 (V/G) (flüssige Komponente in ml und Pulverkomponente in g), wobei
die Pulverkomponente zu mindestens 80 Gew.-% aus Methylmethacrylat-Polymerisatpulver besteht, wobei
mindestens 85 bis 95 Gew.-% der Methylmethacrylat- Polymerisatpulverkörnchen eine maximale Durchschnitts größe von 0,025 mm haben und 5 bis 15 Gew.-% der Methylmethacrylat-Polymerisatpulverkörnchen durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,425 mm, aber nicht durch ein Sieb mit einer lichten Maschen weite von 0,150 mm fallen und anschließend gemahlen worden sind, um die Oberfläche der Körnchen aufzurauhen und aufzubrechen; oder 5-15 Gew.-% der Methylmeth acrylat-Polymerisatpulverkügelchen einen Durchmesser von weniger als 0,013 bis 0,017 mm aufweisen;
die Fasern Graphitfasern mit hohem Modul, einem Durch messer von 0,006 bis 0,015 mm und einer Länge von 0,79 bis 7,14 mm sind;
die Graphitfasern im Polymerisatpulver in einer Dispersion von 1,8 bis 2,2 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Pulverkomponente, vorliegen, und
die so gebildete Dispersion bei Gebrauch in der flüssigen Komponente aufgelöst wird,
wobei, wenn die flüssige Komponente mit der Pulver komponente gemischt wird, der erhaltene Zement bei 20°C für mindestens 6 Minuten ab dem Vermischen der Komponenten eine Viskosität von weniger als 150 Pa · s besitzt und nach nicht mehr als 10 bis 11 Minuten ab dem Vermischen der Komponenten völlig hart geworden ist.

Im erfindungsgemäßen Acryl-Zement liegt das gleiche Ver hältnis von flüssiger zu pulverförmiger Komponente vor wie im ZIMMER® Standard 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 pulverförmige Komponente geben und erhält dann eine richtig dosierte Mischung.

Die flüssige Monomerenkomponente des erfindungsgemäßen niedrigviskosen Knochenzements entspricht der der flüssigen Komponente des ZIMMER® Knochenzements. Sie hat folgende Zusammensetzung:

96,2 bis 98,3 Vol.-% Methylmethacrylat-Monomeres, bevorzugt 97,25%;
2,5 bis 3,0 Vol.-% N,N-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 Polymerisat komponente) vermischt werden. Hydrochinon setzt man zu, um vorzeitige Polymerisation zu vermeiden, welche durch Ein wirkung von Hitze, Licht oder chemische Reagentien statt finden könnte. Die Formel für das Methylmethacrylat-Monomere ist:

Die Gesamtmengen in der erfindungsgemäßen pulverförmigen Polymerisat komponente ähneln im allgemeinen der Zusammensetzung des ZIMMER® Standard Knochenzementes. Die gesamte Pulver komponente umfaßt hierbei:

80 Gew.-% Polymethylmethacrylat, oder mehr, 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 Gew.-% Feuchtigkeitsgehalt.

Die erfindungsgemäße Pulverkomponente unterscheidet sich jedoch im Aufbau des Polymethylmethacrylat-Pulvers sowie durch den Zusatz von Graphitfasern.

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:

Das Polymethylmethacrylat-Pulver im ZIMMER® Standard Knochenzement besteht aus einer Mischung von 65 bis 70% Polymerisat körnchen mit einer maximalen Durchschnittsgröße von 0,025 mm (normale Körnchen) und 30 bis 35% Polymerisatkörnchen, welche gemahlen wurden oder auf eine Größe im Bereich von weniger als 0,013 bis 0,017 mm gesiebt wurden. Der erfindungsgemäße niedrigviskose Knochenzement enthält 85 bis 95%, vorzugsweise 90%, Polymerisatkörnchen mit einer Durchschnittsgröße von 0,025 mm und 5 bis 15%, vorzugsweise 10%, Körnchen, welche gemahlen wurden oder auf eine Größe von weniger als 0,013 bis 0,017 mm gesiebt wurden, was ihnen ähnliche Eigenschaften wie dem gemahlenen Material verleiht.

Verwendet man die geeignete Polymethylmethacrylat-Körnchen mischung für den modifizierten, niedrigviskosen Zement in der Polymerisatkomponente und mischt dann mit der Monomeren- Komponente, so erhält man einen Knochenzement, der bei etwa 20°C eine Viskosität von weniger als 150 Pa · s, und vorzugs weise weniger als 100 Pa · s bis zur sechsten oder siebten Minute nach Beginn des Vermischens von Pulver und Flüssigkeit hat.

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 Maschen weite von 0,425 mm fallen. Dann müssen alle normalen Körnchen auch durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,150 mm fallen. Diese Körnchen werden in der herkömmlichen (normalen) Körnchenmischung verwendet. Diejenigen Körnchen, welche durch das Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,425 mm, aber nicht durch ein Sieb von 0,150 mm fallen, werden für die gemahlene Körnchenmischung verwendet. Diesen Anteil an Körnchen gibt man in eine Mühle, welche die Körnchen oberfläche aufrauht und aufbricht. Dadurch erhält man eine größere Reaktionsoberfläche als bei im wesentlichen kugel förmigen Körnchen vergleichbarer Größe, die nicht gemahlen sind.

Ein typischer Größenbereich für die Körnchenfraktion, welche durch ein 0,425 mm und 0,150 mm Sieb fällt (normale Körnchen fraktion) ist wie folgt:

2,7% Körnchen kleiner als 0,150 mm, aber größer als 0,106 mm,
6,8% Körnchen kleiner als 0,106 mm aber größer als 0,075 mm,
17,3% Körnchen kleiner als 0,075 mm und größer als 0,045 mm,
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.

Ein typischer Größenbereich für eine gemahlene Körnchenfraktion ist beispielsweise:

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 0,075 mm 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 als 0,045 mm), so weist die gemahlene Fraktion insgesamt eine größere Oberfläche auf, da die Form und die Oberflächen struktur der Körnchen so unregelmäßig und aufgerauht ist durch das Mahlen, verglichen mit normalen Körnchen, die im wesent lichen 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 Fraktion, da auch bei dieser die Oberfläche größer ist.

Weiterhin enthält der erfindungsgemäße Knochenzement eine Dispersion von Graphitfasern mit einem hohen Modul in einem Anteil von 1,8 bis 2,2 Gew.-%, vorzugsweise 2 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der pulverförmigen Polymerisatkomponente. Das Verhältnis von flüssiger Komponente und Gesamtpulverkomponente ist 1 : 2 (Volumen/Gewicht), wobei das Volumen der Flüssigkeit in ml und das Gewicht des Pulvers in g gemessen werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der graphitver stärkten Pulverkomponente liegt ein Anteil von 90 bis 95% Polymerisatkörnchen mit einer maximalen Durchschnitts größe von 0,025 mm (normale Körnchen) und von 5 bis 10% Polymerisatkörnchen, welche gemahlen oder bis zu einer Größe von weniger als 0,013 bis 0,017 mm ausgesiebt wurden, vor.

Die Zusammensetzung einer bevorzugten, erfindungsgemäßen Pulverkomponente ist:

80 Gew.-% Polymethylmethacrylat oder mehr, vorzugsweise 87,25%,
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.

Somit stellen die Graphitfasern etwa 2% des Gesamtgewichts der Pulverkomponente dar. Der verwendete Kohlenstoff fasertyp trägt die Bezeichnung "Fortafil"; es können aber auch 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.

Die verstärkenden Kohlenstoff-Fasern werden in der trockenen Pulverkomponente vermischt. So können die Fasern vorgemischt und mit der Pulverkomponente verpackt werden. Dies steht im Gegensatz zum US-Patent 40 64 566, worin die flüssige und die pulverförmige Komponente zu einer Aufschlämmung gemischt und die verstärkenden Kohlenstoff-Fasern dann zu dieser Auf 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 Her stellung des Produkts in größerem Maßstab ist das Vormischen der Fasern in dem Pulver besser und wirkungsvoller.

Der mit Kohlenstoff verstärkte niedrigviskose Zement, ergibt einen Knochenzement, dessen Viskosität bei 20°C niedriger als 150 Pa · s bis zur sechsten oder siebten Minute nach dem Vermischen der Pulver- und Flüssigkeitskomponente ist, und vorzugsweise niedriger als 100 Pa · s bis zur sechsten oder siebten Minute nach dem Mischen ist. Dieser Zement wird zur Erhöhung der Festigkeit mit Kohlenstoffasern verstärkt und hat dennoch die Vorteile, daß er in die Trabekel der Knochen eindringt und die Verbindung von Knochen und Zement ver bessert und sich wirksam und leicht mit einer Injektions vorrichtung für Knochenzement während einer längeren Zeit handhaben läßt. Somit ist er speziell für eine Verarbeitung mit Injektionskanonen oder Spritzen geeignet.

Eine repräsentative Viskosität/Zeit-Kurve ist in Fig. 1 gezeigt und veranschaulicht die typischen Viskositätsverläufe für ZIMMER® Standard Knochenzement, SURGICAL SIMPLEX®P und die erfindungsgemäße, niedrigviskose Formulierung.

Die Messungen wurden bei 20 ±0,5°C 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 erfindungsgemäße Zement eine Viskosität von etwa 40 Pa · s hat. Nach der siebten Minuten ist die Viskosität immer noch weniger als 100 Pa · s, graphisch dargestellt bei etwa 75 Pa · s. ZIMMER® Standard-Zement hat bereits nach 6 Minuten 150 Pa · s erreicht und liegt nach sieben Minuten bei 200 Pa · s. 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 unter schiedliche Viskositätskurven haben, so haben alle bekannten Acryl-Knochenzemente, gemessen bei 20°C, sechs Minuten nach dem Mischen eine Viskosität größer als 150 Pa · s.

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 ZIMMER® Standard Knochenzement eine typische ASTM Anteigzeit von etwa 1½ bis 2 Minuten und eine OP-Anteigzeit von etwa 2½ bis 3 Minuten. Die ansonsten vorhandenen Knochenzemente haben eine vergleichbare oder sogar noch kürzere Anteigzeit.

Der erfindungsgemäß niedrigviskose Zement ist so formuliert, daß er eine ASTM Anteigzeit von etwa 4¾ Minuten, und somit unter typischen Operationsraum-Bedingungen eine OP-Anteigzeit von etwa 5¾ 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 4¾ 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 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 Einspritz vorrichtung anzuwenden und verlängert auch die Zeitspanne, während der der Zement in die Zwischenräume der Knochen trabekel eindringen kann.

Die Anteigzeit ist eine Funktion der Oberfläche des Polymerisat pulvers. Je größer der gesamte verfügbare Oberflächenbereich ist, um so kürzer ist die Anteigzeit. Deshalb hat ZIMMER® Standard Knochenzement eine kürzere Anteigzeit als der erfindungsgemäße 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 Zement mit niedrigerer Viskosität auch durch Verkleinerung der Gesamtoberfläche des Polymerisatpulvers oder durch Erhöhung der Durchschnittsgröße der Polymerisatkörnchen erreicht werden.

Bei der Formulierung eines niedriger viskosen Knochenzements ist es wichtig, daß der Knochenzement noch in einer ange 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 Einstellen der Katalysatormengen, wie beispielsweise des Benzoylperoxids, in der erfindungsgemäßen Pulverkomponente, kann dennoch eine angemessene Aushärtungszeit erreicht werden.

Sowohl ZIMMER® Standard Zement als auch der erfindungsgemäße, niedrigviskose Zement sind beide so formuliert, daß sie eine Härtungszeit von 7 bis 10½ Minuten nach Beginn des Vermischens haben. Deshalb müßte bei dem niedrigviskosen Zement die Prothese voraussichtlich nur weniger als eine Minute oder maximal 3 bis 4 Minuten an Ort und Stelle gehalten werden. Dies ist wichtig, denn bei der Herstellung eines Zements, der über eine längere Zeit eine niedrige Viskosität behält, ist es wahrscheinlich, daß bei einigen Formulierungsversuchen der Härtungsprozeß völlig verlangsamt und man einen fließenden Zement erhält, der nicht richtig 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 Gewichts verteilung und andere Beanspruchungen zwischen der Prothese und dem Knochen. Wird der Zement in niedrigem Viskositäts zustand 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 68,95 nPa, welche mit der anderer Zementsorten vergleichbar ist.

Claims

1. Abmischung zur Herstellung eines Acryl-Knochenzementes, enthaltend eine flüssige Methylmethacrylat-Monomer- Komponente und eine Pulverkomponente, die eine Methyl methacrylat-Polymer-Komponente und eine Faserkomponente umfaßt;
mit einem Verhältnis von flüssiger Komponente zu Pulver komponente von 1 : 2 (V/G) (flüssige Komponente in ml und Pulverkomponente in g), wobei
die Pulverkomponente zu mindestens 80 Gew.-% aus Methylmethacrylat-Polymerisatpulver besteht, wobei
mindestens 85 bis 95 Gew.-% der Methylmethacrylat- Polymerisatpulverkörnchen eine maximale Durchschnitts größe von 0,025 mm haben und 5 bis 15 Gew.-% der Methylmethacrylat-Polymerisatpulverkörnchen durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,425 mm, aber nicht durch ein Sieb mit einer lichten Maschen weite von 0,150 mm fallen und anschließend gemahlen worden sind, um die Oberfläche der Körnchen aufzurauhen und aufzubrechen; oder 5-15 Gew.-% der Methylmethacrylat- Polymerisatpulverkügelchen einen Durchmesser von weniger als 0,013 bis 0,017 mm aufweisen;
die Fasern Graphitfasern mit hohem Modul, einem Durch messer von 0,006 bis 0,015 mm und einer Länge von 0,79 bis 7,14 mm sind;
die Graphitfasern im Polymerisatpulver in einer Dispersion von 1,8 bis 2,2 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Pulverkomponente, vorliegen, und
die so gebildete Dispersion bei Gebrauch in der flüssigen Komponente aufgelöst wird,
wobei, wenn die flüssige Komponente mit der Pulver komponente gemischt wird, der erhaltene Zement bei 20°C für mindestens 6 Minuten ab dem Vermischen der Komponenten eine Viskosität von weniger als 150 Pa · s besitzt und nach nicht mehr als 10 bis 11 Minuten ab dem Vermischen der Komponenten völlig hart geworden ist.

2. Acrylzement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Monomer-Komponente 96,2 bis 98,3 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 0,5 bis 1,0 Gew.-% Benzoylperoxid enthält und einen Feuchtigkeitsgehalt von höchstens 1 Gew.-% aufweist.

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 für Röntgenstrahlen undurchlässig macht.