DE3617897A1

DE3617897A1 - Verfahren zur herstellung von prothesen als ersatz fuer gelenkknorpel und die so hergestellten prothesen

Info

Publication number: DE3617897A1
Application number: DE19863617897
Authority: DE
Inventors: Todd Corona Calif. Campbell; Aws Salim Costa Mesa Calif. Nashef
Original assignee: American Hospital Supply Corp
Current assignee: Baxter International Inc
Priority date: 1985-05-29
Filing date: 1986-05-28
Publication date: 1986-12-04
Also published as: CA1298935C; US4627853A; JPS6232965A; FR2582517A1; GB8613084D0; GB2175506A; FR2582517B1; GB2175506B

Description

Prothesen als Ersatz für Gelenkknorpel und die so hergestellten Prothesen

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Es werden bereits verschiedene Prothesen als Ersatz für Gelenke verwendet. Ein Ersatz ist erwünscht, wenn Gelenke durch Erkrankung (einschließlich der verschiedenen Formen der Arthritis und anderen Erkrankungen, die eine Degeneration des Knorpels in den Gelenken hervorrufen) oder durch Verletzung einschließlich des Bruchs des Knorpels geschädigt sind.

Einige Probleme, die nach der Implantation solcher Prothesen auftreten, werden verursacht durch die Bindemittel bzw. Klebemittel, die zum Befestigen der Prothese an dem Wirtsknochen verwendet werden. Die Bindemittel bzw. Klebemittel sind dafür bekannt, daß sie locker werden und damit die Prothese ggf. versagt. Das sich zersetzende Bindemittel (Klebemittel) kann auch in das Gelenk selbst wandern, wo es eine Entzündung hervorrufen kann. Die Bioinkompatibilität bestimmter Bindemittel bzw. Klebemittel hat auch zu einem "Umkapseln" der Pro~

these geführt, das heißt,es entsteht ein Fasergewebe zwischen dem Wirtsknochen und der Prothese, das die Verbindung ggf. schwächen kann.

Einige gebräuchliche Prothesen, insbesondere bestimmte Hüftgelenksersatzmittel, sind viel größer als das degenerative Gewebe, das ersetzt werden soll. Die überstehenden Teile des gesunden Knochens werden in der Regel entfernt, um die Prothese anzupassen.

Es besteht aber weiterhin ein Bedarf für Prothesen, die als Ersatz für Körperteile einschließlich des Gelenkknorpels geeignet sind und mit denen die bei den bekannten Prothesen auftretenden Probleme, wie vorstehend erläutert, vermieden werden.

Es wurde nun gefunden, daß eine differentielle Demineralisierung eines Knochensegments angewendet werden kann zur Herstellung einer Prothese, die als Ersatz für Gelenkknorpel verwendbar ist. Das Knochensegment wird zweckmäßig durch (maschinelle) Bearbeitung auf die gewünschte Größe und in die gewünschte Gestalt gebracht. Ein Abschnitt des Knochensegments wird demineralisiert (wodurch dieser eine "schwammartige" Struktur erhält) und dient als aktueller Knorpelersatz, während ein nichtdemineralisierter Abschnitt dem Wirtsknochen einverleibt wird, wodurch die Prothese an Ort und Stelle verankert wird. Dadurch wird die Verwendung von Bindemitteln bzw. Klebemitteln, um die Prothese an dem Wirtsknochen zu befestigen, vermieden. Der Knochen wird gebeizt, um ein biokompatibles, nicht-antigenes und stabilisiertes Material herzustellen.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die gc beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer differentiell demineralisierten Prothese, die in ein menschliches Synovial-Gelenk implantiert worden ist; und Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines differentiell demineralisierten Knochenpfropfens, der nach dem

erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt und in einen menschlichen Oberschenkelknochen implantiert worden ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Prothesen, die als Ersatz für Gelenkknorpel geeignet sind, sowie die so hergestellten Prothesen. Die erfindungsgemäßen Prothesen weisen mehrere Vorteile gegenüber denjenigen des Standes der Technik auf, wie z.B. die Tatsache, daß zur Verankerung derselben an Ort und Stelle kein Bindemittel bzw. Klebemittel erforderlich ist. Die Prothesen werden aus Knochen angefertigt, die auf die verschiedensten Größen und in die verschiedensten Formen (maschinell) bearbeitet werden können. Der Knochen wird gebeizt, wodurch man ein biokompatibles, nicht-antigenes und sterilisiertes Material erhält. Diese"und weitere Vorteile, Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nachstehend näher erläutert.

Die Prothesen weisen einen breiten Anwendungsbereich auf, sie sind geeignet als Ersatz für praktisch jeden beliebigen Gelenkknorpel, der an einem Knochen anliegt. Zu diesen Verwendungszwecken gehören der Ersatz des Knorpels

QQ in jedem beliebigen Gelenk (beispielsweise im Hüftgelenk, im Kniegelenk und im Ellbogengelenk, um nur einige wenige zu nennen) und als Scheiben in der Wirbelsäule. Im allgemeinen kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren jede beliebige Prothese hergestellt werden, die an einem

„κ Wirtsknochen befestigt werden muß und die eine stoßabsorbierende äußere Oberfläche mit "Schwamm-Struktur" haben muß.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Prothesen ist ein Mehrstufenverfahren, bei dem die Reihenfolge der Stufen variieren kann. Dieses Verfahren beginnt mit der Auswahl eines Knochenausgangsmaterials, aus dem die Prothese angefertigt werden kann. Da durch spätere Behandlung mit Glutaraldehyd der Knochen durch Vernetzung der Proteine nicht-antigen gemacht wird, kann der Knochen aus einer großen Vielzahl von xenogenen oder allogenen Quellen stammen einschließlich der leicht zugänglichen Quellen von Rinder-, Schaf-, Pferde- oder Schweineknochen, worauf die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Das Knochenausgangsmaterial ist vorzugsweise groß genug, so daß eine Prothese mit den gewünschten Dimensionen in einem Stück daraus hergestellt werden kann.

Das Knochenausgangsmaterial wird frisch gewonnen und der gewünschte Abschnitt wird durch irgendeine geeignete Einrichtung, beispielsweise durch Ausschneiden mit einer Säge, grob entfernt. Der Knochen wird zweckmäßig feucht und kühl gehalten (bei oder unterhalb der physiologischen Temperaturen, so daß das Knochenmaterial nicht denaturiert wird) durch häufiges Spülen in einer Flüssigkeit, wie z.B. in einer Salzlösung oder in destilliertem Wasser. Vorzugsweise wird das Knochenstück aus dem Kondylar-Abschnitt eines langen Knochens entnommen. Das damit verbundene Bindegewebe (Sehnen, Bänder und Pascien) wird entfernt. Ein kleineres Knochenstück, das sich den gewünschten Dimensionen der fertigen Prothese mehr nähert, kann erhalten werden durch Auskernen des Knochenstückes beispielsweise unter Verwendung einer Lochsäge. Das Knochenstück kann während des Sägens und danach zur Entfernung von Bruchstücken erneut mit einer Flüssigkeit gespült und gekühlt werden.

Zur Herstellung einer Prothese in der gewünschten Endgestalt aus dem Knochenstück kann irgendeine konventio-

nelle Vorrichtung zur maschinellen Bearbeitung von harten Materialien verwendet werden einschließlich der Verwendung von Bohrern, Drehbänken, Sägen und anderen Werkzeugen. Zweckmäßig entsprechen die Größe und Form der fertigen Prothese den Dimensionen des zu ersetzenden beschädigten Knorpels und sie weisen zusätzlich einen Abschnitt auf, der angrenzend an den Wirtsknochen eingesetzt werden soll, um die Prothese zu verankern. Dieser "Verankerungsabschnitt" kann eine solche Form haben, daß er in eine passende Vertiefung paßt, die während der Operation in den Wirtsknochen eingeschnitten wird. Das Verankerungsverfahren wird nachstehend beschrieben. Auf diese Weise können Prothesen, die genau den vorher festgelegten Dimensionen eines geschädigten oder degenerativen Bereichs, der ersetzt werden soll, entsprechen, hergestellt werden, so daß nur eine minimale Menge an benachbartem gesundem Knochen oder Knorpel vor dem Einsetzen der Prothese entfernt werden muß. Außerdem braucht der Chirurg die erfindungsgemäße Prothese nicht während der Operation zu formen oder anderweitig zu gestalten. Auf Wunsch des Chirurgen kann sie aber genaueren Dimensionen angepaßt werden. Im Gegensatz dazu müssen bei bestimmten derzeit gebräuchlichen Prothesen (beispielsweise bei bestimmten Hüftgelenksprothesen) große Abschnitte von gesundem Wirtsknochen vor dem Befestigen der Prothese entfernt werden.

Nach den vorstehend beschriebenen (maschinellen) Bearbeitungsstufen wird das Knochenstück einer Oberflächenreinigung unterzogen, um Maschinenöle und Bruckstücke zu entfernen. Es kann irgendein geeignetes Lösungsmittel verwendet werden und ein bevorzugtes Oberflächenreinigungsverfahren besteht darin, daß das Knochenstück in 100 %-iges Ethanol eingetaucht wird, woran sich SaIzlösungsspülungen anschließen. Das Ethanol entfettet auch die Oberfläche des Materials.

Abschnitte des geformten Knochenstückes werden in einer differentiellen Demineralisierungsstufe demineralisiert. Der zu demineralisierende Abschnitt ist der Prothesenabschnitt, der als Knorpelersatz mit "Schwammstruktur" oder als stoßabsorbierendes Polster dienen soll. Der übrige Abschnitt des Knochenstückes wird benachbart zu dem Wirtsknochen angeordnet oder in den ausgeschnittenen Wirtsknochen eingepaßt. Der Wirtsknochen wächst in diesen nicht-demineralisierten Abschnitt der Prothese ein, wodurch diese ohne Verwendung von Bindemitteln bzw. Klebemitteln an Ort und Stelle verankert wird. Drähte, Schrauben, äußere Fixiereinrichtungen oder andere geeignete Befestigungseinrichtungen können dazu verwendet werden, die Prothese in der richtigen Position zu halten, bis der Wirtsknochen in einem ausreichenden Ausmaß in den nicht-demineralisierten Abschnitt eingewachsen ist, um sie zu verankern. Die Drähte und/oder Schrauben können dann entfernt werden oder sie können an Ort und Stelle belassen werden.

Die differentielle Demineralisierung kann nach irgendeinem wirksamen Verfahren durchgeführt werden. So kann beispielsweise der den Knorpel ersetzende Abschnitt des Knochenstückes in irgendeine wirksame Demineralisierungslösung eingetaucht werden. Die Demineralisierungs lösung kann eine organische oder mineralische Säure enthalten, beispielsweise HCl und/oder einen geeigneten Ca -Chelatbildner, wie z.B. EDTA, die Erfindung ist darauf jedoch nicht beschränkt. Vorzugsweise besteht die Demineralisierungslösung aus etwa 0,1 bis 1,0N HCl, insbesondere 0,3N HCl. Die Demineralisierungslösung kann zweckmäßig aber auch bis zu 1 %, vorzugsweise 0,1 % EDTA enthalten. Der restliche Abschnitt des Knochenstückes wird in eine nicht-demineralisierende Lösung, wie z.B. eine physiologische Salzlösung, eingetaucht. Der Behälter, in dem das Knochenstück während dieser differentiellen Deminera-

lisierung aufbewahrt wird, kann in seiner Gestalt variieren entsprechend der Größe und Form der Prothese. Im allgemeinen weist der Behälter zwei Abteile auf, eines für die Demineralisierungslösung und ein anderes für die nicht-demineralisierende Lösung. Die Abteile können durch ein nicht-diffusionsfähiges Sperrmaterial (Stahl, Glas, Kunststoff und dgl.) voneinander getrennt sein. Das Knochenstück wird in einer Öffnung in dem Träger so befestigt, daß der geeignete Abschnitt des Knochen-Stückes in jede Lösung eintaucht. Ein hydrostatischer Druck (d.h. ein positiver Druck, der durch die in die Prothese diffundierende nicht-demineralisierende Lösung ausgeübt wird) verhindert, daß die Demineraiisierungslösung durch die gesamte Prothese diffundiert, so daß

J5 die Stelle der Demineralisierung begrenzt bleibt.

Das Ausmaß der Demineralisierung kann auf irgendeine geeignete Weise überwacht werden, beispielsweise durch Röntgenanalyse oder einfach durch Überprüfung des Anfühlens in regelmäßigen Zeitabständen, und sie wird gestoppt, wenn der gewünschte Abschnitt des Knochenstückes ausreichend demineralisiert ist (d.h. wenn er die gewünschte Konsistenz hat). Als Ergebnis erhält man ein Knochenstück mit sowohl einem im wesentlichen deminera-

_oc lisierten Abschnitt als auch mit einem nicht-demineralisierten Abschnitt. Außerdem kann an der Grenzfläche eine Zone einer mittleren Demineralisierung vorhanden sein.

Zweckmäßig weist die Prothese eine "Kompressionsachse" 30

auf, die parallel zur Sinusebene des Knochens verläuft, aus dem sie hergestellt ist. Der hier verwendete Ausdruck "Kompressionsachse" bezieht sich auf die Richtung, in der eine Kraft auf den demineralisierten Abschnitt

der Prothese ausgeübt wird, wenn sie einmal implantiert 35

ist. Der demineralisierte Abschnitt einer aus einem Knochen hergestellten Prothese in der gewünschten Orien-

tierung hat eine schwammartige Struktur, so daß er "rückfedert¹¹, wenn er komprimiert wird, und er weist somit stoßabsorbierende Eigenschaften auf. Prothesen, die in anderen Richtungen in bezug auf das Knochenausgangsmaterial (maschinell) bearbeitet worden sind, weisen deminerausierte Abschnitte auf, die schwammartig sind, jedoch beim Komprimieren zusammenbrechen können (anstatt rückzufedern).

Zweckmäßig wird das Knochenstück behandelt, um die Porosität der Matrix zu erhöhen und dadurch das Einwachsen des Wirtsknochens in den benachbarten "Verankerungsabschnitt" der Prothese weiter zu fördern. Diese Porosität kann dadurch erzielt werden, daß man das Knochenstück mit einem organischen Lösungsmittel, wie z.B.

Chloroform, 100%igem Ethanol, Chloroform:Methanol (1:1), Aceton oder ähnlichen Lösungsmitteln extrahiert und anschließend in einer physiologischen Salzlösung spült, um das organische Lösungsmittel zu entfernen. Zweckmäßig kann diese Stufe zur Erhöhung der Porosität eine Behandlung des Knochenstückes mit einer Protease, wie z.B. Pronase *& , Collagenase oder Hyalurenidase (alle im Handel erhältlich) umfassen. Vorzugsweise werden die Knochenstücke mit Pronase© und dann mit Chloroform:

Methanol (1:1) behandelt. In dieser Stufe wird die Porosität erhöht durch Entfernung der nicht Matrix-gebundenen Proteine.

Zweckmäßig werden alle diese Proteine entfernt. Wenn go alle nicht Matrix-gebundenen Proteine entfernt sind, kann die Porosität der Matrix um bis zu 10% erhöht werden. Diese Behandlung zur Erhöhung der Porosität kann vor oder nach der differentiellen Demineralisierungsstufe durchgeführt werden. Die Matrixintegrität, die Porosität und die gewünschte Kontur der Matrix können durch visuelle Inspektion geprüft werden und der Grad der Porosität kann durch Licht- oder Elektronenmikroskopie ermittelt werden.

Das Knochenstück wird gebeizt, um die Prothese nichtantigen und biokompatibel zu machen. Diese Beizstufe kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt während der Herstellung einer erfindungsgemäßen Prothese durchgeführt werden. Vorzugsweise wird die Beizstufe nach der differentiellen Demineralisierungsstufe durchgeführt. Es sind zahlreiche Beizverfahren bekannt und das Beizen mit Glutaraldehyd zur Herstellung der erfindungsgemäßen Prothese ist ,bevorzugt. Dieses Knochenstück wird mit einem 2Q beizenden Reagenz unter Beizbedingungen behandelt, bis es stabil, biokompatibel und nicht-antigen ist.

Zweckmäßig wird das Beizen durchgeführt durch Eintauchen für etwa 1 Monat oder mehr in eine Lösung, die etwa ,ε 0,2 bis 0,8%, vorzugsweise etwa 0,6% (Gew./Vol.) Glutaraldehyd in einem geeigneten Puffer, wie z.B. HEPES, mit einem pH-Wert von etwa 6,8 bis 7,5, enthält. Das Verfahren kann auf irgendeine geeignete Weise überwacht werden, beispielsweise mit einem kolorimetrischen Test, in dem beispielsweise eine Ninhydrin-Reaktion angewendet wird (ein kolor!metrischer Test für Aminogruppen, bei dem die Farbintensität abnimmt, wenn die Vernetzung zunimmt). Die Glutaraldehydbehandlung verleiht der Prothese viele erwünschte Eigenschaften. So wird beispielsweise durch

„_ die Vernetzung der Proteine durch Glutaraldehyd die Zo

Prothese nicht-antigen, so daß die Prothese in einen anderen Wirt implantiert werden kann als denjenigen, aus dem das Knochenausgangsmaterial zu ihrer Herstellung entnommen wurde.

Es wurde gefunden, daß ein mit Glutaraldehyd behandelter Knochen eine ausgezeichnete Biokompatibilität (biologische Verträglichkeit) aufweist. Wenn ein mit Glutaraldehyd behandelter, nicht-demineralisierter Knochen in

einen Wirtsknochen bei Säugetieren implantiert wird, 35

tritt im allgemeinen keine faserige Einkapselung, keine Zwischenschaltung eines Fasergewebes zwischen dem Wirts-

knochen und dem implantierten Knochen oder kein anderes Anzeichen für eine Wirtsabstoßung auf. Stattdessen wächst der Wirtsknochen in den angrenzenden implantierten Knochen. Dieses Hineinwachsen des Wirtsknochens wird als Osteoinvasion oder Osteokonduktion bezeichnet.

Ein mit Glutaraldehyd gebeizter und demineralisierter Knochen, der in einen Wirtsknochen in Säugetieren implantiert worden ist, bleibt weich und zeigt eine gute Biokompatibilität. Dagegen ist bekannt, daß bei Implantaten aus weniger biokompatiblen Materialien, wenn diese in Säugetiere eingeführt werden, eine Zwischenschaltung von Fasergewebe und eine Einkapselung auftritt.

Ein Problem, das mit der Verwendung einer Prothese einhergeht, ist die Degeneration der Prothese, die häufig einen Ersatz erforderlich macht. Das degenerierende Material kann auch wandern und Probleme, wie z.B. eine Entzündung, bei dem Wirt hervorrufen. Diese Probleme werden erfindungsgemäß durch die Langzeit-Stabilität gelöst, die den erfindungsgemäßen Prothesen durch die Glutaraldehyd-Beizung verliehen wird.

_.. Bekanntlich tritt eine Resorption des implantierten 2b

Knochenmaterials auf. Das resorbierte Material kann durch den Wirt ersetzt werden oder es kann nicht ersetzt werden. In einigen Fällen kann es erwünscht sein, eine Prothese zu implantieren, die resorbiert wird, da das

Wirtsgewebe sie ersetzt. In einem solchen Falle kann 30

die Glutaraldehyd-Beizstufe ersetzt werden durch ein Beizen mit anderen Agentien fwie z.B. Formaldehyd oder Alkoholen), die das Material resorbierbar machen. In den meisten Fällen ist es jedoch erwünscht, daß die

implantierten Prothesen oder Modelle ihre Gestalt be-35

halten und nicht resorbiert werden. Die Vernetzung, die während der Glutaraldehydbehandlung auftritt, ergibt

eine stabilisierte Collagen-Matrix in den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Prothesen und die Prothesen werden nicht resorbiert. Diese stabile Matrix (oder "Gerüst") ähnelt im allgemeinen strukturell der natürlichen Matrix des Wirtsknochens.

Nach der Glutaraldehyd-Beizung kann das Knochenstück auf irgendeine geeignete Weise weiter sterilisiert werden, beispielsweise durch Bestrahlung oder Eintauchen IQ in Ethanol oder eine bakterizide Lösung. Vorzugsweise wird ein gepuffertes Tensid/Formaldehyd/Ethanol-Sterilisierungsmittel verwendet, wie in der US-Patentanmeldung Nr. 669 735 (eingereicht am 8. November 1984) beschrieben.

Die Prothesen werden dann in einer geeigneten Lösung,

beispielsweise einer Lösung von 0,05% (Gew./Vol.) Glutaraldehyd in einem HEPES-Puffer in sterilen Behältern aufbewahrt, bis sie benötigt werden. Vor der Im- __ plantation werden die Prothesen mit einer Flüssigkeit, beispielsweise einer Salzlösung, gespült, bis die restlichen Glutaraldehyd-Gehalte (meßbar durch HPLC) auf einen nicht-toxischen Wert abgenommen haben.

Die chirurgische Implantation einer erfindungsgemäßen 25

Prothese umfaßt die Entfernung des geschädigten Abschnitts des Wirtsgewebes und das Ausschneiden des Wirtsknochens, um die Oberfläche freizulegen, auf die die Prothese aufgelegt werden soll. Der Wirtsknochen kann

ausgeschnitten werden unter Freilegung einer Oberfläche, 30

die der Oberfläche des nicht-demineralisierten Abschnitts der Prothese entspricht. Der "schwammartige" demineralisierte Abschnitt der Prothese befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite und wird nicht an dem

Wirtsknochen befestigt. Ggf. kann der Wirtsknochen so 35

ausgeschnitten werden, daß das geschädigte Gewebe entfernt wird und eine Vertiefung (beispielsweise in Form eines Kegels, eines Keils oder eines Zylinders) in den

darunterliegenden Knochen eingeschnitten wird. Dann wird eine Prothese, die so bearbeitet worden ist, daß der nicht-demineralisierte Abschnitt eine zu der Vertiefung komplementäre Gestalt hat, in den Wirtsknochen eingepaßt. Für den Fachmann ist klar, daß die verschiedensten Formen von Prothesen entworfen werden können, die zu dem ausgeschnittenen Knochen komplementär sind. Drähte, Schrauben, äußere Fixiereinrichtungen oder andere Befestigungseinrichtungen können zur anfänglichen

2Q Befestigung der Prothese an dem Wirtsknochen verwendet werden. Der Wirtsknochen wächst anschließend in den nicht-demineralisierten Abschnitt der Prothese (den Abschnitt, der mit dem Wirtsknochen in Kontakt steht) ein. Das Einwachsen des Wirtsknochens in den angrenzen-

-P- den implantierten Knochen, der nicht-demineralisiert, sondern mit Glutaraldehyd gebeizt und im übrigen wie vorstehend beschrieben bearbeitet wurde, wurde anhand von Tierversuchen, wie oben erläutert, gezeigt. Der gebeizte und demineralisierte Abschnitt der Prothese

steht nicht im direkten Kontakt mit dem Wirtsknochen 20

und der Wirtsknochen wächst auch nicht ein, sondern dieser Abschnitt behält seine weiche und "schwammartige" Struktur. Bei Tierversuchen behielt ein mit Glutaraldehyd gebeizter und demineralisierter Knochen, der in

einen Wirtsknochen implantiert worden war, seine weiche 25

Struktur bei.

Spezifische Anwendungen der erfindungsgemäßen Prothese sind in den Figuren 1 und 2 erläutert. Die Figur 1 zeigt

eine Querschnittsansicht eines menschlichen Synovial-30

gelenks, in das eine Prothese implantiert worden ist.

Die Prothese 1 wurde maschinell hergestellt aus einem Kondylarabschnitt eines Rinderknochens, so daß sie eine ebene Oberläche 7 und eine äußere konvexe Oberfläche 11

aufwies, die der Gestalt des zu ersetzenden Wirts-35

knochens entsprach. Die Prothese umfaßt einen nicht-demineralisierten Abschnitt 2 und einen demineralisierten Abschnitt 3, die den geschädigten oder erkrankten

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Gelenkknorpel des Wirts ersetzen, und sie bildet ein schwammartiges Polster, das mit dem Gelenkknorpel 5 der gegenüberliegenden Knochenoberfläche zusammenpaßt. Der Chirurg implantiert die Prothese durch Entfernung des Endes des Wirtsknochens 9, wobei eine ebene Oberfläche zurückbleibt, die der Oberfläche 7 der Prothese entspricht. Die Prothese wird zu Beginn mit dem Wirtsknochen 9 mit Hilfe von Operationsschrauben 10 verbunden. Nachdem der Wirtsknochen in den nicht-demineralisierten JO Abschnitt der Prothese eingewachsen und diesen verankert hat, können die Schrauben 10 gewünschtenfalls entfernt werden.

Die Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer anderen ,c Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prothese, die das vordere Ende eines menschlichen Oberschenkelknochens zeigt, in den eine Prothese 1 implantiert worden ist. Die Prothese wurde angefertigt aus einem Kondylarabschnitt eines Rinderknochens in Form eines Kegels mit einer äußeren konvexen Oberfläche, die der Gestalt des

zu ersetzenden Wirtsknochen-Gelenkknorpels entspricht. Die Prothese umfaßt einen nicht-demineralisierten Ab-r schnitt 2 und einen demineralisierten Abschnitt 3, wobei der zuletzt genannte Abschnitt den geschädigten oder

__ erkrankten Gelenkknorpel des Wirtsknochens ersetzt. Der Zo

Chirurg implantiert die Prothese nach dem Ausschneiden einer komplementären Kegelgestalt in den Wirtsknochen. Zur Befestigung der Prothese, bis der Wirtsknochen im wesentlichen eingewachsen ist, kann ein chirurgischer Stift oder eine chirurgische Schraube (nicht dargestellt) verwendet werden.

Änderungen der Bearbeitung des gebeizten Knochenmaterials liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung. So

kann das Knochenausgangsmaterial beispielsweise pulveri-35

siert, in einem formbaren Träger (beispielsweise in Gelatine oder Polysacchariden, worauf die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist) wieder suspendiert und durch Gie-

ßen oder Formen in die gewünschte Gestalt gebracht werden unter Anwendung bekannter Methoden anstatt aus einem einzigen Knochenstück gefertigt zu werden. Der resuspendierte pulverisierte Knochen kann beim (oder nach dem) Formen oder Gießen bis zu der gewünschten Konsistenz erstarren. Die fertige Prothese wird auf diese Weise geformt oder gegossen in Schichten aus zwei Typen von Materialien: einen pulverisierten und demineralisierten Knochen, der den "schwammartigen" Abschnitt bildet, und einen pulverisierten nicht-demineralisierten Knochen, der den "Verankerungsabschnitt" ergibt.

Viele der erwünschten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Prothese sind vorstehend beschrieben worden. Zusätzlich sei darauf hingewiesen, daß die Prothesen aus einem Material gefertigt werden, das nicht nur biokompatibel, sondern auch hart genug ist, um durch Standard-Maschinenbearbeitungsverfahren geformt zu werden auf alle gewünschten Spezifikationen. Der bearbeitete Knochen kann während des Rests der Bearbeitung komplizierte Formen (Gestalten) beibehalten. Der demineralisierte Abschnitt behält die gewünschte Gestalt auch dann bei, wenn er flexibel gemacht worden ist und eine "schwammartige" Struktur hat.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer

Prothese wird in dem folgenden Beispiel näher erläutert. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Erfindung keineswegs darauf beschränkt ist, sondern daß Abände-OQ rungen in bezug auf die Reihenfolge der Stufen, die Gestalt der Prothese und in bezug auf andere Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens und der damit hergestellten Prothesen möglich sind, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

Beispiel

Herstellung einer durch Bearbeitung aus einem Knochen gefertigten differentiell demineralisierten Prothese für die Verwendung zur Reparatur eines

Gelenkknorpels

Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung eines differentiell demineralisierten "Knochen-Pfropfens", beispielsweise eines solchen, wie er in Figur 2 dargestellt ist. Dieser kegelförmige Pfropfen kann in eine komplementäre Vertiefung eingepaßt werden, die in den Wirtsknochen (beispielsweise das vordere Ende des Oberschenkelknochens) eingeschnitten worden ist. Der deminerali- *° sierte Abschnitt des Pfropfens ersetzt einen Teil des Gelenkknorpels des Wirtsknochens in dem Bereich, der in die "Pfanne" des Iliums paßt zur Bildung des Hüftgelenks.

Aus frisch enthäuteten und von Hufen befreiten Rinderhinterläufen aus einem Schlachthof werden Knochenplatten ausgeschnitten..Die Knochenplatte wird vor dem Knöchel-Tibia-Gelenk in dem Bereich der Epiphysen—Platte, die sich etwa 3,81 bis 5,08 cm (1,5 bis 2 inches) vorher erstreckt, ausgeschnitten. Im allgemeinen ist etwas weicher Markbereich darin enthalten. Das damit verbundene Bindegewebe (Sehnen, Bänder und Fascien) wird vor der überführung in eine Maschinenwerkstatt entfernt, in der die Knochen

eingefroren werden

in der die Knochenplatten bis zur Bearbeitung bei O⁰C

Es wird eine Knochenplatte ausgewählt, die mindestens ein 1,91 cm ( 3/4 inch)-Knochenstück ergibt, das frei von der Epiphysen-Platte ist. Sie wird in einen Bohrständer so eingebaut, daß entweder das vordere oder das hintere Ende dem Bohrer gegenüberliegt. Der Knochen wird ausgebohrt unter Verwendung einer Lochsäge mit

einer länglichen 2,22 cm(7/8 inch)-Carbidspitze. Zum Kühlen und Spülen des Knochens beim Bohren wird destilliertes Wasser oder eine Salzlösung verwendet. Der Bohrer dreht sich mit 480 UpM und wird so vorwärts beweat, daß er den Knochen nicht verbrennt oder sich darin nicht festfrißt, wenn dieser gebohrt wird. Vorsicht ist anzuwenden, wenn man sich dem Epiphysenpiattenbereich nähert, damit der Knochenkern in diesem Bereich nicht bricht. Der Bohrer wird in diesem Bereich langsam vorwärts bewegt mit sehr großen Mengen an Wasser oder Salzlösung, um den Knochen kühl und gut umspült zu halten. Wenn einmal die gesamte Platte durchbohrt ist, wird die Hohlsäge entfernt und der Knochenkern wird mit einem Dorn herausgestochen. Die übrige Knochenplatte wird verworfen.

Die ausgewählten Knochenpfropfen werden vor der maschinellen Bearbeitung in einer 0,9%igen Salzlösung gespült. Das Abfall-Ende wird zum Einspannen in eine Drehbank verwendet. Unter Verwendung einer Drehbank, die mit dem Aerosol Iteon entfettet worden ist, wird der Kern bis zu der gewünschten Dimension verjüngt. Der Knochenpfropfen wird dann aus der Drehbank entnommen und in einer Schraubzwinge befestigt für die maschinelle Bearbeitung

or bis zur gewünschten Gelenk kontur. Der konisch verjüngte, maschinell bearbeitete Knochenpfropfen wird dann wieder in die Drehbank eingespannt und das bearbeitete Ende wird abgeschnitten.

ο« ^Zur Oberflächenreinigung der Knochenpfropfen wird Ethanol verwendet. Es werden 2 Liter 100%iges Ethanol für etwa 150 Knochenkerne verwendet. Die Pfropfen werden eine 1/2 Stunde lang in den Alkohol eingetaucht und nach der ersten halben Stunde wird der Alkohol für eine weitere 1/2 Stunde durch frisches 100%iges Ethanol ersetzt. Der Alkohol wird bei Raumtemperatur (etwa 25°C) gehalten. Die zweite Alkoholspülung wird abgegossen und dann werden die Knochenpfropfen in einer O,9%igen

normalen Salzlösung gespült. Am Anfang wird eine schnelle Spülung verwendet, um das Äußere der Pfropfen und den Behälter zu reinigen. Daran schließen sich zwei 30-Minuten-Spülungen in einer 0,9%igen Salzlösung an. Die Kerne werden in einer gepufferten Salzlösung oder in gefrorenem Zustand aufbewahrt, bis sie differentiell demineralisiert werden.

Das in Form des Gelenks konturierte Ende jedes Knochen-IQ pfropfens wird in eine Deminer aus ierungs lösung

(0,3 N HCl mit 0,1% EDTA) für eine Zeitspanne eingetaucht, die ausreicht, um diesen Abschnitt des Knochenpfropfens zu demineralisieren. Das Fortschreiten des Demineralisierungsprozesses kann durch Fühlen des gelenk-,c artig konturierten Endes zwischendurch überprüft werden, bis die gewünschte schwammartige Konsistenz erreicht ist. Der Grad der Demineralisierung kann durch Röntgenanalyse festgestellt werden. Der Decalcifizierungsgradient wird aufrechterhalten durch die Eintauchtiefe und den hydro-

__n statischen (positiven) Druck auf dem gegenüberliegenden ZU

Ende, das in eine nicht-decalcifizierende Lösung (eine gepufferte normale Salzlösung) eingetaucht ist. Wenn der gewünschte Abschnitt des Knochenpfropfens demineralisiert worden ist, wird er in einer gepufferten norma-

__c len Salzlösung gespült.
2b

Um die Porosität der Matrix durch Entfernen von NichtCollagen-Proteinen zu erhöhen, werden die Pfropfen anschließend in eine gepufferte Pronase®-Lösung 24 Stunden lang bei 37°C eingetaucht und dann in einer gepuffer-30

ten normalen Salzlösung gespült. Die Pfropfen werden dann 1 Stunde lang unter konstantem Rühren bei 25°G in Chloroform:Methanol (1:1) bei einem minimalen Volumenverhältnis von 20 ml/Pfropfen eingetaucht. Durch Spülen in einer gepufferten normalen Salzlösung wird dann das Lösungsmittel entfernt. Die Pfropfen werden visuell inspiziert in bezug auf die Integrität und Porosität

der Matrix und die gewünschten Dimensionen» Dann werden akzeptable Knochenpfropfen durch Eintauchen in eine Lösung von 0,625% (Gew./Vol.) Glutaraldehyd in einem HEPES-Puffer, pH 6,8 bis 7,4, für mindestens einen Monat gebeizt.

Dann werden die Pfropfen in einer Lösung von 4% Formaldehyd/22,5% Ethanol/1,2% Tween, die mit HEPES gepuffert ist, pH 7,4, mindestens 8 Stunden lang und höchstens 24 Stunden lang bei 37°C sterilisiert. Die sterilisierten Pfropfen werden gespült (vier 10-Minuten-Spülungen und eine 6-Stunden-Spülung) und in O,O5% (Gew./Vol.) HEPES-gepuffertem Glutaraldehyd aufbewahrt, bis sie verwendet werden. Vor der Implantation wird die

Ig Prothese mit normaler Salzlösung gespült, um die Glutaraldehyd-Gehalte auf nicht-toxische Werte herabzusetzen.

Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf spezifische bevorzugte Ausführungsformen näher er-2Q läutert, es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich, daß sie darauf keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Prothese als Ersatz für einen Gelenkknorpel, dadurch gekennzeichnet , daß es die folgenden Stufen umfaßt:

(a) (maschinelle) Bearbeitung eines Knochensegments, um es in die gewünschte Form zu bringen,

(b) differentielles Demineralisieren des Knochensegments zur Erzeugung sowohl eines demineralxsierten Abschnitts als auch eines nicht-demineralisierten Abschnitts des Knochensegments und

(c) Beizen des Knochensegments.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Knochensegment zusätzlich mit einem organischen Lösungsmittel extrahiert wird, um die Porosität der Matrix zu erhöhen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Knochensegment zusätzlich mit einer Protease behandelt wird, um die Porosität der Matrix zu erhöhen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Prothese außerdem einer Schlußsterxlxsxerung unterworfen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Knochensegment unter beizenden Bedingungen mit Glutaraldehyd gebeizt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Knochensegment differentiell demineralisiert wird durch

(a) Eintauchen eines Abschnitts des Knochensegments in eine Demineralisierungslösung und

(b) Eintauchen des restlichen Abschnitts in eine nichtdeminer alisierende Lösung, so daß der durch die Diffusion der nicht-demineralisierenden Lösung in das Knochensegment ausgeübte positive Druck die De mineralisierungslösung daran hindert, durch das ge samte Knochensegment zu diffundieren.

^q 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt des Knochensegments demineralisiert wird, indem man dieses Knochensegment mit einer Demineralisierungslösung in Kontakt bringt, die eine Säure enthält oder daraus besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Demineralisierungslösung zusätzlich EDTA enthält.

_₀ 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man das Knochensegment zusätzlich in Ethanol eintaucht, um seine Oberfläche, zu entfetten und um Maschinenöle und Bruchstücke zu entfernen.

_rt_ 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da-25

durch gekennzeichnet, daß das Knochensegment aus dem Kondylarbereich eines allogenen oder xenogenen Knochens, ausgewählt aus Rinder-, Schweine-, Schaf- und Pferdeknochen, stammt.

11. Prothese als Ersatz eines Gelenkknorpels, gekennzeichnet durch ein gebeiztes Knochensegment, das (maschinell) bearbeitet worden ist, um es in eine Form zu bringen, die dem Segment des zu ersetzenden Wirtsknochens entspricht· und das umfaßt einen nicht-deminerali-'

sierten Abschnitt, der implantiert werden soll benachbart zu und inkorporiert in den Wirtsknochen,und einen

demineralisierten Abschnitt mit schwammartiger Struktur, der als Knorpelersatz dienen soll.

12. Prothese nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie unter beizenden Bedingungen mit Glutaraldehyd gebeizt worden ist.

13. Prothese nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie sterilisiert worden ist.

14. Prothese nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Kompressionsachse aufweist, die parallel zur Sinusebene des Knochens verläuft, aus dem sie gefertigt ist.

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einem Säugetier, bei dem dieser Ersatz erforde^piich »ι (-froC' ist, dadurch gekennzeichnet, daß ^^*^"^ r^_rL J '}

(a) der Gelenkknorpel und ein Taüaes darunterliegen-

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den Knochens chirurgisjeir entfernt werden, um eine Knochenoberflächjpi^mxt einer vorgegebenen Gestalt freizulegen^und

(b) einej&äröthese nach einem der Ansprüche 11 bis 14

- implantiert w4rdy J-

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