DE69929589T2

DE69929589T2 - Bioaktive keramische beschichtung

Info

Publication number: DE69929589T2
Application number: DE69929589T
Authority: DE
Inventors: Panjian Mansfield LI
Original assignee: DePuy Products Inc
Current assignee: DePuy Products Inc
Priority date: 1998-03-11
Filing date: 1999-03-09
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2019-03-10
Also published as: US6569489B1; EP0984799A1; EP0984799B1; AU2991999A; JP2001525718A; DE69929589D1; US6139585A; WO1999045979A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft biologisch implantierbare Artikel, die eine bioaktive keramische Beschichtung aufweisen, die Knochenmineralien wieder zusammensetzt und Verfahren zur Herstellung solcher Beschichtungen auf implantierbare Artikel.
Es ist erstrebenswert, mineralisierte und/oder keramische Beschichtungen auf eine Vielzahl von Artikeln aufzutragen. Biologische Implantate, einschließlich Gelenkprothesen und Zahnimplantate, stellen eine Klasse von Artikeln dar, auf denen solche Beschichtungen regelmäßig aufgetragen werden. Das Substrat, auf das diese Beschichtungen aufgetragen werden, ist normalerweise Metall oder Plastik, aber diese Beschichtungen können auch auf andere Substrate, wie zum Beispiel Keramik oder Silicium aufgetragen werden.
Biologische Implantate, wie zum Beispiel Gelenk- und Zahnprothesen, müssen gewöhnlich fest innerhalb des Knochens befestigt oder verankert werden. In einigen Fällen ist es akzeptabel, einen Knochenzement zum Befestigen der Prothese innerhalb des Knochens zu verwenden. Im Fall vieler Gelenkprothesen ist es jetzt allerdings mehr gebräuchlich, die Gelenkprothese durch unterstützendes natürliches Knocheneinwachsen in und um die Prothese herum zu befestigen. Die Knochen-Implantat-Grenzflächen, die durch das natürliche Knocheneinwachsen resultieren, scheinen über die Zeit stärker und fester als Knochenzementprothesebindungen zu sein.
Das optimale Knocheneinwachsen setzt voraus, daß natürlicher Knochen in und um die Prothese herum einwächst, die implantiert wird. Das Knocheneinwachsen und die Prothesefixierung können durch Bereitstellen irregulär perlenförmige oder poröse Oberflächen auf dem Implantat verstärkt werden. Obwohl eine Vielzahl von Materialien, einschließlich Titanlegierungen, biokompatibel sind, sind sie nicht notwendigerweise bioaktiv, da sie weder die Knochenbildung einleiten noch chemische Bindungen mit dem Knochen ausbilden.
Folglich kann eine verstärkte Fixierung von Implantaten innerhalb eines Knochens durch Beschichten des Implantats mit einem bioaktiven, mineralisierten und/oder keramischen Materi al erreicht werden. Solche Beschichtungen haben gezeigt, ein schnelleres Knocheneinwachsen in und um die Prothese herum zu unterstützen.
Eine Vielzahl von Techniken werden verwendet, um mineralisierte und/oder keramische Beschichtungen auf biologisch implantierbare Träger aufzutragen. Diese Beschichtungen werden üblicherweise aus Keramiken hergestellt und neigen dazu, durch eine relativ große Kristallgröße gekennzeichnet zu sein. Diese Beschichtungen können durch eine Vielzahl von Techniken aufgetragen werden, einschließlich Plasmasprühen, Ionenimplantation und Sol-Gelverfahren. Diese Beschichtungsverfahren weisen, obwohl sie relativ viel benutzt werden, einige Nachteile auf. Zum Beispiel neigen die aufgetragenen Beschichtungen dazu, Mikroporen und Makroporen aufzuweisen, und sie können relativ dick und spröde sein. Diese Beschichtungen können auch chemische Nachteile aufweisen und sie haften nicht immer gut an das Substrat. Letztendlich werden solche Beschichtungen nicht gleichmäßig und einheitlich auf Oberflächen mit komplexen Geometrien aufgetragen, wie zum Beispiel poröse Oberflächen mit unterhöhlten Bereichen.
Es ist gut belegt, daß Kalziumphosphatkeramiken, vor allem Hydroxyapatit, Knochenbildung einleiten können. Hydroxyapatitkeramik wurde erfolgreich als eine Beschichtung auf zementlosen, metallischen Implantaten aufgetragen, um eine schnelle und starke Fixierung zu erhalten. Thermisches Plasmasprühen ist eines der mehr gebräuchlichen Verfahren, das verwendet wird, um Hydroxyapatit-Beschichtungen herzustellen. Allerdings ist die durch das Plasmasprühen resultierende Hydroxyapatit-Beschichtung von relativ geringer Dichte und nicht gleichmäßig in Struktur oder Zusammensetzung. Die Haftfähigkeit zwischen der Beschichtung und dem Substrat ist im allgemeinen nicht sehr stark, vor allem nach langer Exposition innerhalb des Körpers. Die Bildung von festen Keramikpartikeln, die durch den Abbau von durch thermisches Plasmasprühen hergestellten Beschichtung resultiert, und die Ablösung der Beschichtung, sind Hauptbedenken.
Es wurden auch nieder-Temperaturverfahren durchgeführt, um Hydroxyapatit-Keramikbeschichtungen mittels Wasser-basierenden Lösungen herzustellen. Da wäßrige Lösungen jede freie Fläche erreichen können, können diese nieder-Temperaturverfahren im Fall von Substraten mit komplexen Oberflächengeometrien effizient verwendet werden. Die Hydroxyapatit-Beschichtung, die durch diese Lösung hergestellt wird, kann biologisch verträglicher für Knochengewebe sein, als die durch Plasmasprühen aufgetragene Hydroxyapatit- Beschichtung, die durch ein hoch-Temperaturverfahren hergestellt worden ist. Allerdings setzen die zur Zeit bekannten nieder-Temperaturverfahren üblicherweise die Vorbehandlung des Substrates voraus.
Ein Beispiel von einer auf einem wäßrigen System basierenden Beschichtungstechnik ist im U.S. Patent Nr. 5,205,921 offenbart, in dem bioaktive keramische Beschichtungen auf ein Substrat elektrisch aufgetragen werden. Bunker et al., Science 264, 48–55 (1984) offenbart ein Verfahren zum Auftragen eines Oktakalziumphosphates auf ein Substrat durch Eintauchen des Substrates in eine Lösung, die Kalziumchlorid enthält, nach der Oberflächenbehandlung des Substrates mit einem Material, wie zum Beispiel Chlorsilan. Andere Verfahren, wie zum Beispiel in der japanischen Patentanmeldung Nr. 8-40711 offenbart, bilden eine Hydroxyapatit-Beschichtung durch Aussetzen des Substrates in Kalziumphosphat in einem Druckreaktor. Das U.S. Patent Nr. 5,188,670 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Hydroxyapatit-Beschichtung auf einem Substrat durch Vorbeiführen eines Flüssigkeitsstroms, der Hydroxyapatit-Partikel enthält, um eine faserige, kristalline Beschichtung von Hydroxyapatit aufzutragen.
Trotz der Existenz von Keramikbeschichtungen und einer Vielzahl von Verfahren zur Herstellung solcher Beschichtungen bleibt eine Notwendigkeit für verbesserte und zuverlässigere Verfahren bestehen, die zum Auftragen von bioaktiven keramischen Beschichtungen auf Substrate verwendet werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine dichte, im wesentlichen reine Keramikbeschichtung mit einer Kristallgröße von weniger als 1 Mikrometer bereit. Die Beschichtung bildet eine gute chemische Bindung mit dem Substrat aus, auf das sie aufgetragen wird. Die Beschichtung ist eine bioaktive, keramische Beschichtung in Form eines Knochenmineral-karbonierien nano-kristallinen Apatits mit chemisch absorbiertem Wasser, die eine Kristallgröße von weniger als ungefähr 1 Mikrometer aufweist. Die Beschichtung enthält Kalzium, Magnesium, Karbonat und Phosphat. Wahlweise schließt die Beschichtung auch Ionen oder ionische Gruppen ein, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Natrium, Chlor, Sulfat, Silikat und Gemischen davon. Vorzugsweise liegt das Verhältnis von Karbonatgruppen zu Phosphatgruppen in der Beschichtung im Bereich von ungefähr 1:100 bis 1:3. Des weiteren liegt das Atomverhältnis von Magnesium zu Kalzium im Bereich von ungefähr 1:100 bis 1:4.
Die Beschichtung kann auf eine Vielzahl von Substrate, einschließlich Silizium, Metalle, Keramiken und Polymeren, aufgetragen werden. Sie ist vor allem für das Auftragen auf biologisch implantierbare Substrate, wie zum Beispiel Knochen und Dentalprothesen nützlich. Die Beschichtung kann einheitlich auf Substratoberflächen aufgetragen werden, die komplexe Geometrien und Oberflächenmerkmale aufweisen, einschließlich porösen, perlenförmigen Substraten. Der Dickenbereich der Beschichtung kann von ungefähr 0,005 bis 50 Mikrometern variieren.
Die Beschichtung kann effektiv und effizient auf eine Vielzahl von Substraten aufgetragen werden. Entsprechend dem Verfahren der Erfindung, wie in Anspruch 10 definiert, wird zunächst eine wäßrige Lösung zur Verfügung gestellt, umfassend Kalzium, Magnesium, Phosphat und Karbonationen, mit einem pH-Wert im Bereich von ungefähr 5 bis 10 und einer Temperatur von weniger als ungefähr 100°C. Wahlweise kann die Lösung auch Ionen von Natrium, Kalium, Chlor, Sulfat, Silikat und Gemischen davon einschließen. Ein geeignetes Substrat wird anschließend wenigstens teilweise in die Lösung für eine bestimmte Zeit eingetaucht, die ausreichend ist, damit die Lösung mit dem Substrat reagiert, um eine Knochenmineral-keramische Beschichtung auszubilden und chemisches Binden der Beschichtung mit dem Substrat zu bewirken. Während des Verfahrens kann die Lösung einer kontrollierten Umgebung ausgesetzt werden, mit einer künstlichen Atmosphäre, die ungefähr 0,001 bis 10 Molprozent Kohlenstoffdioxid aufweist und einem Gleichgewicht von Gas oder Gasen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Wasserstoff, Wasserdampf, Ammoniale und Gemischen davon. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens der Erfindung ist, daß die Beschichtung bei Umgebungsdruck aufgetragen werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Mikroaufnahme bei einer 190× Vergrößerung, die eine Beschichtung nach der vorliegenden Erfindung zeigt, die auf einem Ti6A14V Perlenbestandteil einer Gelenkprothese, einschließlich Ti6A14V-Perlen, aufgetragen ist.
2 ist eine Mikroaufnahme der Beschichtung, die in 1 gezeigt wird, bei einer 3000× Vergrößerung.
3 ist eine Mikroaufnahme der Beschichtung, die in 1 gezeigt wird, bei 10000× Vergrößerung.
4 ist ein Querschnitt eines Substrats, das die Beschichtung der vorliegenden Erfindung trägt.
5 ist ein Fourier-Transformations-Infrarot-(FT-IR) Reflektionsspektrum, das für die Beschichtung, die in 4 gezeigt wird, erhalten wurde.
6 ist eine Spur, die durch Energiedispersionsröntgenstrahl (EDX)-Analyse der Beschichtung, die in 1-3 gezeigt wird, erhalten wurde.
7 ist eine schematische Ansicht eines Reaktorkessels, der geeignet ist, das Verfahren der Erfindung zu bewirken.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine im wesentlichen reine Keramikbeschichtung bereit, die chemisch mit einem Substrat verbunden ist. Die Beschichtung ist ein bioaktives, amorphes Kalziumphosphat, das apatitisch ist und das Karbonatgruppen und Magnesiumionen enthält. Wie hier verwendet, betrifft ein amorphes Kalziumphosphat eine Keramik und schließt diese ein, die nano-kristallin ist und eine Kristallgröße von weniger als ungefähr 1 Mikrometer aufweist.
Die Beschichtung ist vor allem für biologisch implantierbare Substrate, wie zum Beispiel Knochenprothesen oder Dentalimplantaten nützlich, indem die Beschichtung fest auf die Substratoberfläche in einer einheitlichen Art befestigt werden kann, ungeachtet der Oberflächengeometrie oder Oberflächentextur des Substrats. Des weiteren ist die Beschichtung dem natürlichen Knochenmineral ähnlich, ähnelt chemisch dem natürlichen Knochen, so daß es in der Lage ist, das effektive und schnelle Wachstum des natürlichen Knochens in und um das Substrat herum zu fördern, so daß das Substrat fest am Platz befestigt wird.
Die Beschichtung ist ein Knochenmineral-karboniertes nano-kristallines Apatit mit chemisch absorbiertem Wasser und weist eine Kristallgröße von weniger als ungefähr 1 Mikrometer auf. Ionen, die in der Beschichtung vorhanden sind, schließen Kalzium, Magnesium, Karbonat und Phosphat ein. Des weiteren schließt die Beschichtung wahlweise Natrium, Kalium, Chlor, Sulfat, Silikat und Gemische davon ein. Das Molarverhältnis von Karbonatgruppen zu Phosphatgruppen liegt im allgemeinen im Bereich von ungefähr 1:100 bis 1:3. Das Atomverhältnis von Magnesium zu Kalzium, das in der Beschichtung vorhanden ist, liegt im Bereich von ungefähr 1:100 bis 1:4.
Die Beschichtung ist durch ein Fehlen von Makroporen und Mikroporen gekennzeichnet und ist in der Zusammensetzung dem Knochen ähnlich. Die Kristallgröße ist weniger als ungefähr 1 Mikrometer und ist so klein, daß keramische Kristalle durch Dünnfilm-Röntgenstrahlbeugungstechniken, nicht detektiert werden können. Die kleine Kristallgröße und die Anwesenheit von Karbonatgruppen und Magnesiumionen tragen zu der Knochenmineral-ähnlichen Natur der Beschichtung bei. Die Knochenmineral-ähnlichen Eigenschaften der Beschichtung erhöhen auch das schnelle und effektive Knocheneinwachsen.
Die Beschichtung der Erfindung wird auch als dicht angesehen. Der Ausdruck „dicht", wie hier verwendet, bezieht sich auf eine Beschichtung, die im wesentlichen frei von sowohl Mikroporen als auch Makroporen ist.
Die 1-3 zeigen die Beschichtungsqualität und -einheitlichkeit, die entsprechend der vorliegenden Erfindung erhalten wurde. Die gezeigte Beschichtung ist die, die entsprechend des Beispiels VIII in den Tabellen 4 und 5 erhalten wurde. Die 1 zeigt ein Ti6A14V-Substrat 10 in der Form eines Bestandteils einer Gelenkprothese, die Ti6A14V-Perlen aufweist, die darauf angebracht wurden, um eine poröse Oberflächentextur bereitzustellen. Das Substrat und die Perlen werden mit einer Knochenmineral-ähnlichen Keramik 14 entsprechend der vorliegenden Erfindung beschichtet. Die 1-3 zeigen die glatte und gleichmäßige Natur der Beschichtung. Die amorphe und/oder nano-kristalline Natur der Beschichtung ist auch aus den Mikroaufnahmen der 1-3 ersichtlich.
Die 4 ist eine Querschnittsansicht eines Substrats 10, das die Knochenmineral-ähnliche Beschichtung 14 der Erfindung trägt. In der dargestellten Ausführungsform ist die Beschichtung in einer Dicke von ungefähr 0,7 Mikrometern vorhanden.
Die 5 ist ein FT-IR-Spektrum der Beschichtung, die in 4 gezeigt wird. Dieses bestätigt, daß das Kalziumphosphat innerhalb der Beschichtung ein wenig kristallines Apatit ist. Die Spitzen, die von 1350–1700 cm^–1 reichen, werden den Karbonatgruppen zugeordnet, was zeigt, daß Karbonatgruppen in dem Apatit eingeschlossen sind.
Die chemische Analyse der Keramikbeschichtung durch Auflösen in 0,002N HCl, die in 5 gezeigt ist, stellt die Ähnlichkeit der Beschichtung zu Knochenmineralien fest. Das molare Verhältnis von ausgewählten, funktionellen Gruppen, die in dieser Beschichtung vorhanden sind, wird in der unten stehenden Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1: molare Verhältnisse
6 ist eine EDX-Spur der Beschichtung, die in den 1-3 gezeigt wird. Diese Spur bestätigt die Anwesenheit von Kalziumphosphat und Magnesium in der keramischen Beschichtung.
Die chemische Bindung der Beschichtung an das Substrat gewährleistet die exzellente Anhaftung der Beschichtung an das Substrat. Die Beschichtung kann bei praktisch jeder Dicke, die durch die Verfahrenparameter, wie unten erklärt, festgelegt wird, aufgetragen werden. Die Dicke der Beschichtung ist im allgemeinen im Bereich von ungefähr 0,005–50 Mikrometern, weiter bevorzugt ungefähr 0,2 bis 5 Mikrometer.
Die Beschichtung der vorliegenden Erfindung kann auf eine Vielzahl von Substraten aufgetragen werden, einschließlich Silicium, Metallen, Keramiken und Polymeren. Beispielhafte Metallsubstrate schließen Titan, Titanlegierungen, Kobalt-Chrom-Legierungen, Tantal, Tantal-Legierungen und rostfreien Stahl ein. Die polymerischen Substrate schließen ultrahoch-Molekulargewichts-Polyethylen, Polyethylenoxid, Polymilchsäure, Polyglycolsäure und Co-Polymere von Milohsäure oder Polyglycolsäure ein.
Die Substrate, auf denen die Beschichtungen aufgetragen werden, können bei einer Vielzahl von Applikationen verwendet werden. Allerdings sind die Substrate vor allem für die Verwendung mit biologisch implantierbaren Substraten gut geeignet, wie zum Beispiel Knochenprothesen und Dentalimplantate. Beispielhafte Knochenprothesen schließen Bestandteile von künstlichen Gelenken, wie zum Beispiel Knie, Hüften, Schultern und Ellenbogen ein.
Die Beschichtung der vorliegenden Erfindung bietet eine Vielzahl von Vorteilen. Aufgrund ihrer chemischen Ähnlichkeit zu natürlichen Knochen besitzt die Beschichtung eine hohe Biokompatibilität und ist geeignet, ein schnelles Knocheneinwachsen zu fördern. Die Beschichtung ist auch geeignet, um in dünnen, gleichmäßigen Schichten aufgetragen zu werden. Demzufolge kann sie auf komplexen Oberflächengeometrien, wie zum Beispiel porösen, unterhöhlten und vertieften Oberflächen aufgetragen werden. Trotz der Anwendung in solchen Bereichen ändert die Beschichtung die Oberflächengeometrie des Substrats nicht.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein effizientes und effektives Verfahren zum Auftragen einer keramischen Knochenmineral-ähnlichen Beschichtung auf ein Substrat bereit. Entsprechend diesem Verfahren wird eine wäßrige Lösung bereitgestellt, die einen pH-Wert im Bereich von ungefähr 5–10 und weiter bevorzugt zwischen 6,5 und 8,5 aufweist. Die Beschichtung enthält wenigstens Kalzium, Magnesium, Phosphat und Karbonationen. Wahlweise kann die Lösung auch Ionen von Natrium, Kalium, Chlor, Sulfat, Silikat und Gemischen davon enthalten. Das Beschichtungsverfahren der Erfindung wird bei einer relativ niedrigen Temperatur durchgeführt, vorzugsweise weniger als 100°C und weiter bevorzugt im Bereich von ungefähr 30°C–40°C. Die am meisten bevorzugte Temperatur ist ungefähr 34°C bis 38°C.
Das Substrat oder ein Teil des Substrats wird in die Lösung für eine bestimmte Zeit eingetaucht, die ausreichend ist, die Reaktion der Lösung mit dem Substrat zu ermöglichen, um die Beschichtung darauf auszubilden. Das Substrat wird gewöhnlich für ungefähr 1 bis 7 Tage in die Lösung eingetaucht. Allerdings kann ein Fachmann abschätzen, daß eine Vielzahl von Faktoren, wie zum Beispiel Konzentration der Hauptbestandteile (zum Beispiel Kalzium, Phoophat, Magnesium und Hydrocarbonat), pH-Wert und die Umgebung in Kontakt mit der Lösung die Verfahrensdauer beeinflussen wird. Im allgemeinen steigt die Beschichtungsdicke mit der Eintauchzeit. Es wird geglaubt, daß die Substratoberfläche als Ergebnis des Eintauchens innerhalb der Lösung in das Kalziumphosphat-Beschichtungsmaterial konvertiert.
Eine geeignete Lösung wird durch die Zugabe der notwendigen Bestandteile zu deionisiertem Wasser hergestellt, um die gewünschten Ionen nach Dissoziation zu erhalten. In einer Ausführungsform, wie oben erwähnt, braucht die Lösung nur Kalziumionen, Magnesiumionen, Phosphationen und Karbonationen, vorzugsweise in dem Konzentrationsbereich wie unten in Tabelle 2 erwähnt, zu enthalten. Wahlweise können Natrium, Kalium, Chlor, Sulfat und Silikationen in der Lösung im Konzentrationsbereich wie in Tabelle 1 erwähnt vorhanden sein. Alternativ können Natrium, Kalium, Chlor und Sulfationen im Bereich von 100–200 mM, 4–8 mM, 100–250 mM bzw. 0–1,5 mM vorhanden sein.
Tris(hydroxymethyl)aminomethan kann zu der Lösung in einem Konzentrationsbereich von ungefähr 1-100 mM zugegeben werden, um den pH-Wert zu kontrollieren. Zusätzlich kann Wasserstoffperoxid bei 1–50 mM zugegeben werden, um die chemische Bindung zwischen dem Substrat und der Beschichtung zu erhöhen. Die Tabellen 2 und 3 stellen beispielhafte Bestandteile der Lösung und beispielhafte Verbindungen dar, die zu der Lösung zugegeben werden können, um die gewünschten Ionen zu erhalten.
Tabelle 2: Beispielhafte Bestandteile
Tabelle 3: Beispielhafte Lösungs-formende Verbindungen
In einer Ausführungsform wird die Lösung einer kontrollierten Umgebung ausgesetzt, die eine künstliche Atmosphäre einschließt, die ungefähr 0,001–10 Molprozent Kohlendioxid und weiter bevorzugt weniger als ungefähr 3 Molprozent Kohlendioxid enthält. Das Gleichgewicht der Atmosphäre schließt Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Wasserstoff, Wasserdampf, Ammoniak oder Gemische davon ein. Die künstliche Atmosphäre kann über die Lösung mit einer Flußrate im Bereich von 0 bis ungefähr 10 Liter pro Minute für jeden Liter pro Lösung strömen.
Die Interaktion zwischen der künstlichen Atmosphäre, der Lösung und dem Substrat führt zu der Umsetzung der Implantatoberfläche in eine Knochenmineral-ählichen Keramik. Diese Beschichtung wird auf allen Substratoberflächen ausgebildet, die der Lösung ausgesetzt werden, einschließlich denen, die vertieft, unterbrochen, flach, konkav, konvex oder jede andere gewünschte Form oder Orientierung aufweisen. Des weiteren ist die Lösung geeignet, um in kleinen Poren und Lücken in der Oberfläche im Material zu penetrieren, so daß eine Beschichtung auf ein Substrat aus praktisch jeder Oberflächengeometrie oder Oberflächentextur ausgebildet wird. Dadurch kann die Beschichtung auf Implantaten mit komplizierten geometrischen Merkmalen ausgebildet werden, einschließlich perlenförmigen Substraten, die eine poröse Oberfläche aufweisen, wie zum Beispiel solche, die für die biologische Befestigung konzipiert sind. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens der Erfindung ist, daß die Oberflächen von solchen Substraten, vor allem von solchen, die auf biologischen Implantaten vorhanden sind, dazu gedacht sind, das Knocheneinwachsen zu stimulieren und den Knochenaufbau erhöhen. Dadurch stellt das Verfahren eine effektive Technik bereit, um eine Knochenmineralähnliche Keramik mit einer porösen Oberfläche zu kombinieren, so daß eine schnelle und starke Fixierung mit dem Implantat erhalten werden kann. Die Anhaftungsstärke der Beschichtung auf einem polierten Substrat wird als mehr als 30 MPa vermutet.
7 zeigt ein Reaktorgefäßsystem 16, das geeignet ist, das Verfahren der Erfindung durchzuführen. Das Reaktorgefäß schließt eine Kammer 18 ein, die eine wäßrige Lösung 20 beinhaltet. Vorzugsweise wird die Kammer 18 durch eine doppelwandige Struktur 22 definiert, die einen Innenraum 24 zur Unterbringung einer Kühlflüssigkeit einschließt, wie zum Beispiel Wasser. In einer Ausführungsform kann die Kühlflüssigkeit bei einer Temperatur von ungefähr 37°C zirkulieren. Das Reaktorgefäß 16 schließt einen Kühlflüssigkeitseingangsanschluß 26 und einen Kühlflüssigkeitsausgangsanschluß 28 ein. Das Reaktorgefäß 16 schließt auch einen Gaseinlaßanschluß 30 ein, um eine künstliche Atmosphäre in das Reaktorgefäß zu lenken und mit der wäßrigen Lösung in Kontakt zu bringen. Ein Gasauslaßanschluß 32 ist ebenso vorhanden, um das Gas aus dem Gefäß zu leiten. In einer dargestellten Ausführungsform wird der Gasauslaßanschluß 32 von einer Kühlglocke 34 mit einem Kühleinlaß- und Kühlauslaßanschluß 36, 38 umgeben, um das Austrittgas zu kühlen. In einer Ausführungsform zirkuliert kaltes Wasser (zum Beispiel bei ungefähr 2°C) durch die Kühlglocke).
Wie oben erwähnt, kann die Zusammensetzung der wäßrigen Lösung innerhalb bestimmter Grenzen variieren. Die Tabelle 4 stellt Beispiele einer Vielzahl von geeigneten Zusammensetzungen der wäßrigen Lösung bereit. Tabelle 4: Zusammensetzung der wäßrigen Lösung

* Tris(hydroxymethyl)aminomethan

Tabelle 5 stellt eine Vielzahl von Parametern des Beschichtungsverfahrens dar, sowie eine Vielzahl von Substraten, die geeignet sind, entsprechend dem Verfahren der vorliegenden Erfindung beschichtet zu werden. Tabelle 5: Substrate und Parameter des Verfahrens

*a.a. = künstliche Atmosphäre
**c.p. = kommerzielle Reinheit

Claims

Implantierbarer Artikel, umfassend: ein biokompatibles Substrat eine bioaktive Oberflächenbeschichtung, die chemisch über mindestens einen Teil des Substrats an die Substratoberfläche gebunden ist, wobei die Beschichtung Kalzium, Magnesium, Karbonatgruppen und Phosphatgruppen umfasst, und ein Knochenmineral-karboniertes nano-kristallines Apatit mit chemisch adsorbiertem Wasser ist, das eine Kristallgröße von weniger als ungefähr 1 μm aufweist.
Artikel nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung eine Dicke im Bereich von 0,005 bis 50 μm aufweist.
Artikel nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beschichtung eine karbonierte Kalziumphosphat-Keramik ist, worin das Molarverhältnis von Karbonatgruppen zu Phosphatgruppen im Bereich von 1:100 bis 1:3 liegt.
Artikel nach Anspruch 3, wobei die Beschichtung Natrium, Kalzium, Magnesium, Sulfat, Silikat oder Chlor-Ionen oder Gemische davon enthält.
Artikel nach Anspruch 4, wobei das Atomverhältnis von Magnesium zu Kalzium, das in der Beschichtung vorhanden ist, im Bereich von 1:100 bis 1:4 ist.
Artikel nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Silicium, ein Metall, eine Keramik oder ein Polymer ist.
Artikel nach Anspruch 6, wobei das Substrat Titan, eine Titanlegierung, eine Kobalt-Chromlegierung, Tantal, eine Tantallegierung oder rostfreier Stahl ist.
Artikel nach Anspruch 6, wobei das Substrat ultrahoch-Molekulargewichts-Polyethylen, Polyethylenoxid, Polymilchsäure, Polyglycolsäure oder ein Co-Polymer von Polymilchsäure und Polyglycolsäure ist.
Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Substrat eine Komponente einer Gelenksprothese ist.
Verfahren zur Herstellung eines implantierbaren Artikels nach Anspruch 1, umfassend die Schritte von: zur Verfügung stellen eines Substrats; zur Verfügung stellen einer wässrigen Lösung, umfassend Kalziumionen, Phosphationen, Magnesiumionen und Karbonationen, die einen pH im Bereich von 5 bis 10 und eine Temperatur von weniger als oder gleich zu 100°C aufweist; und eintauchen zumindest eines Teils des Substrats in die wässrige Lösung für eine Zeitdauer, die ausreichend ist, eine Knochenmineral-ähnliche keramische Beschichtung zu bilden und die chemische Bindung der Beschichtung an das Substrat zu bewirken., wobei die Kalziumionen bei einer Konzentration im Bereich von 1 bis 5 mM vorhanden sind, die Magnesiumionen sind bei 0,5 bis 3 mM vorhanden, die Phosphationen sind bei einer Konzentration im Bereich von 0,50 bis 3,5 mM vorhanden und die Karbonationen sind im Bereich von 1 bis 50 mM vorhanden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die wässrige Lösung in einer kontrollierten Umgebung einer künstlichen Atmosphäre mit 0,001 bis 10 Mol % Kohlendioxyd und einer Balance von Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Wasserstoff, Wasser, Dampf, Ammonium oder einem Gemisch davon ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die wässrige Lösung weiterhin Natrium-, Kalium-, Magnesium-, Chlor-, Sulfat- oder Silikationen oder ein Gemisch davon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Natriumionen bei 100 bis 200 mM vorhanden sind, die Kaliumionen sind bei 4 bis 8 mM vorhanden, die Chlorionen sind bei 100 bis 250 mM vorhanden und die Sulfationen sind bei 0 bis 1,5 mM vorhanden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Knochenmineral-ähnliche Keramik eine dichte Beschichtung ist, die eine Kristallgröße von weniger als ungefähr 1 μm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Knochenmineral-ähnliche keramische Beschichtung ein karboniertes nano-kristallines Apatit einschließt, das chemisch adsorbiertes Wasser aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei eine Oberflächentextur und eine Oberflächengeometrie beibehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei der pH der wässrigen Lösung im Bereich von 6,5 bis 8,5 ist und die Temperatur der wässrigen Lösung im Bereich von 30°C bis 40°C ist.