DE3527136C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Körperimplantats nach dem Oberbegriff das Patentanspruchs 1.

Körperimplantate, wie Knochenplatten, Nägel, Stifte, Schrauben und Gelenkprothesen, werden seit vielen Jahren in die Skelette von Menschen und Tieren implantiert, um die Teile eines gebrochenen Knochens miteinander zu verbinden oder um fehlende oder be­ schädigte Skeletteile zu ersetzen. Es ist dabei oft beabsichtigt, daß diese Teile zu einem permanenten Teil des Körpers werden. In solchen Fällen ist es wichtig, daß die Teile fest und permanent am Knochen­ skelett fixiert werden.

Es ist seit mehr als 10 Jahren bekannt, daß eine feste permanente Fixierung durch die Verwendung einer po­ rösen Fläche am gesamten Implantat oder an einem Abschnitt des Implantates erreicht werden kann, wenn die mittlere Porengröße etwa 50 µm überschreitet. Dabei stellen die älteren Verfahren der Knochenfixierung, in erster Linie mit Hilfe von Reibungspassung oder mit Methyl­ methacrylat, noch die am häufigsten verwendeten Ver­ fahren zur Fixierung dar, und zwar trotz der Tatsache, daß das Lösen von mittels Reibung und Zement fixierten Prothesenteilen im Laufe der Zeit ein signifikantes medizinisches Problem darstellt. Dies ist darauf zu­ rückzuführen, daß zur Erzielung einer guten Fixierung mit Hilfe des Einwachsens des Knochens der Patient keine Kraft oder Last auf das Skelett im Implantat aufbringen darf, bis das Knochenwachstum aufgetreten ist, während bei einer Verbindung über Reibung oder Zement nahezu sofort eine Belastung stattfinden kann.

In der nachfolgenden Beschreibung bedeuten die Worte bioabsorbierbar und resorbierbar, daß die Substanz, auf die sich diese Worte beziehen, abgebaut, ab­ sorbiert oder in anderer Weise von der Chemie des Wirtkörpers in Mengen entfernt wird, die ausreichen, um den physikalischen Aufbau des Abschnittes des Implantates, der bioabsorbierbar ist, innerhalb einer Zeitspanne zu verändern, die geringer ist als die Zeitspanne, die zur vollständigen Genesung von Knochen erforderlich ist. Es versteht sich, daß sämt­ liche Materialien, sogar Stahl, von der Chemie des Körpers geringfügig absorbiert werden; derartige geringfügige Absorptionen, die den physikalischen Auf­ bau der bioabsorbierbaren Vorrichtung über die Zeit­ spanne der Knochenheilung nicht verändern, sind je­ doch nicht in den Begriffen bioabsorbierbar und resorbierbar eingeschlossen. Es versteht sich fer­ ner, daß, obwohl ein Material bioabsorbierbar ist, eine geringfügige Menge desselben im Körper über längere Zeitspannen zurückbleiben kann.

Ein Verfahren zum Fördern des Knochenein­ wachsens in poröse Flächen von Implantaten besteht im Beschichten von porösen Metallfasern mit Hydroxyapatit durch Eintauchen der Faser in ei­ nen Wasserschlamm von Hydroxyapatit und anschließendes Trocknen. Hydroxyapatit wird nicht im allgemeinen als resorbierbar im menschlichen Körper angesehen. Es wurde festgestellt, daß Hydroxyapatit ein schnelleres Ein­ wachsen des Knochens in die porösen Metallflächen über eine Zeitspanne von bis zu vier Wochen nach der Im­ plantation fördert, daß der erreichte Effekt jedoch nur kurzzeitig war, da die Menge des Knochengewebes inner­ halb der Poren nach dieser Periode von vier Wochen ab­ fiel (P. Ducheyne et al "Effect of Hydroxyapatite Impregnation on Skeletal Bonding of Porous Coated Implants", Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 14, 225-237 (1980)). Zusätzlich zu der Tatsache, daß das gesteigerte Einwachsen nicht permanent war, wurde festgestellt, daß Hydroxyapatit mehr das Faser­ wachstum als das Knochengewebewachstum an der Fixierungsstelle über längere Zeiträume fördert, was zu einem Lösen der Prothese führen kann. Darüber hinaus wird der Hydroxyapatitüberzug in dem vorstehend ge­ nannten Artikel als relativ zerbrechlich bezeichnet und kann bei einer normalen Handhabung für kommerziell erhältliche Produkte leicht brechen, so daß dies zu keiner weitgestreuten kommerziellen Verwendung geführt hat.

In der US-PS 36 05 123 ist das Plasmaspritzverfahren einer metallischen porösen Fläche auf eine Prothese beschrieben. In den US-PS 38 92 648 und 38 92 649 wird die galvanische Abscheidung von Knochengewebe und Collagen auf Implantate oder in ein Kunststoffsieb auf Implantaten, um hierdurch die Befestigung des Knochengewebes am Implantat anzu­ regen, erläutert.

Die US-PS 39 19 723 betrifft das Einbetten von Calzium- und Phosphatatomen in die Oberfläche eines keramischen Implantates durch Erhitzen des Implantates und Ein­ betten desselben in eine Schmelze von Calziumphosphat. Es ist dabei speziell darauf hingewiesen, daß Tempe­ raturen über 1300°C nicht verwendet werden sollten, da sich das Calziumphosphat bei höheren Temperaturen zersetzt. Diese Zersetzung bei höheren Temperaturen ist charakteristisch für Materialien auf der Basis von Calziumphosphat (siehe hierzu E. Hayek und H. Newesely, Inorganic Synthesis 7 (1963) 63-65).

In der US-PS 42 02 055 ist die Kombination eines bioabsorbieren, bioaktiven Calziumphosphatmaterials mit einem Polymerisat auf der Oberfläche einer Prothese, um hierdurch ein Einwachsen des Knochens in das Polymerisat zu bewirken, beschrieben. Die US-PS 43 65 357 und 43 73 217 erläutern die Kombination eines absorbierbaren Tricalziumphosphatmaterials mit Knochenzement, um ein Knochenwachstum in den Ze­ ment zu erzielen. Jede dieser Veröffentlichungen bezieht sich auf die Einarbeitung des absorbierbaren Materials in das Material, aus dem die Fläche besteht, und schlägt vor, daß die poröse Fläche durch Absorption des absorbierbaren Materials erzeugt wird, wodurch Poren in der Fläche an der Stelle des Leerraumes verbleiben, der durch die Absorption des absorbier­ baren Materiales erzeugt wird. Keines dieser Veröffentlichungen betrifft jedoch die Beschichtung einer bereits porenhaltigen Fläche mit einem absorbierbaren Material, um dadurch das Knochenwachstum zu fördern.

In der US-PS 43 38 926 wird die Hinzufügung einer 0,1 bis 1 mm dicken bioabsorbierbaren Schicht auf eine Implantatfläche beschrieben. Hierdurch will man ein Lösen des Implantates erzeugen, wenn das Material absorbiert wird. Die Prothese, auf der die absorbier­ bare Schicht angeordnet wird, ist porenfrei, da man ein Knocheneinwachsen verhindern will.

Des weiteren ist es aus der DE-OS 20 08 010 bekannt, zum Herstellen von Dentalimplantaten auf einen Kern, der aus einem Material wie Metall, Keramik oder einem Kunststoff besteht, einen Überzug aus einem Eutektoid aus Tricalziumphosphat und Tetracalciumphosphat heiß aufzuspritzen, wobei als Eutektoid Knochenasche verwendet wird. Zur Herstellung des Implantates wird eine eutek­ tische Mischung aus Tricalciumphosphat und Tetra­ calciumphosphat bei etwa 1560°C geschmolzen. Nach dem Abkühlen der Schmelze bildet sich ein Glas. Dieses Glas wird zermahlen und mit Hilfe einer Flamm- oder Plasmaspritzvorrichtung auf eine metallische oder nicht metallische Unterlage, die im wesentlichen die Form des zu ersetzenden Zahnteils aufweist, aufgetragen. Anschließend wird wenigstens die aus diesem Überzug bestehende Oberfläche bei etwa 1000°C in einer wasser­ dampfhaltigen Atmosphäre geglüht und damit in Hydroxyapatit zurückgeführt.

Ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbe­ griffs des Patentanspruchs 1 ist aus der DE-OS 27 55 751 bekannt. In dieser Veröffentlichung ist die Herstellung eines Implantates für Knochen, Gelenke oder Zahnwurzeln beschrieben, das aus einem geformten Keramikkern und einer darauf thermisch aufgedampften Schicht aus einem Gemisch von einem keramischen Material und Hydroxyapatit besteht. Die Schicht aus dem Gemisch aus keramischen Material und Hydroxyapatit kann durch ein thermisches Aufdampfverfahren aufgebracht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der angegebenen Art zu schaffen, mit dem sich ein Körperimplantat herstellen läßt, das besonders gute Einwachs- und Fixierungs­ eigenschaften besitzt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der an­ gegebenen Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von dem vorstehend genannten bekannten Verfahren im wesentlichen dadurch, daß erfindungs­ gemäß das Überzugsmaterial beim Aufbringen auf eine Temperatur über 1350°C erhitzt wird und daß als Überzugsmaterial neben Hydroxyapatit β-Tricalciumphosphat verwendet wird, so daß sich das Material bei seiner Aufbringung haupt­ sächlich in absorbierbares α-Tricalciumphosphat umwandelt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird gezielt ein Basiselement mit einem Knochen­ befestigungsbereich mit poröser Oberfläche herge­ stellt. Hierdurch wird ein besonders schnelles und starkes Knocheneinwachsen sichergestellt. Das Einwachsen wird permanent angeregt, und es wird ein Knochenmaterial anstelle eines faserigen, schwachen Gewebes gebildet, das bei reinen Hydroxy­ apatit-Überzügen auftritt.

Die Hochtemperaturbehandlung des Überzuges führt zu einem solchen, der sowohl absorbierbar ist als auch eine besonders große Adhäsionskraft besitzt. Die Implantate können somit verpackt, sterilisiert und allgemein für Implantationszwecke gehandhabt werden, ohne daß sich dieser Überzug vom Basis­ element löst.

Die Erfindung wird nachfolgend von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen er­ läutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Körperim­ plantates;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform des Implantates;

Fig. 3 die zeichnerische Wiedergabe einer Fotografie einer beschichteten porö­ sen Oberfläche des bei der Aus­ führungsform der Fig. 1 verwendeten Typs, etwa 20fach vergrößert;

Fig. 4 die zeichnerische Wiedergabe eines metallografischen Bereiches des Mikro­ bildes eines Rasterelektronenmikros­ kopes, und zwar des Materiales der Fig. 3 mit 63, 5facher Vergrößerung, wobei sich die Oberfläche der Probe unten rechts in der Figur befindet; und

Fig. 5 die zeichnerische Wiedergabe einer Fotografie eines Abschnittes wie in Fig. 4, jedoch 948fach vergrößert, wobei nur ein Abschnitt von einem der Metalldrähte dargestellt ist, der die poröse Fläche und den Überzug des Drahtes bildet.

In Fig. 1 ist ein prothetisches Teil dargestellt, das als Körperimplantat verwendet werden soll. Bei dem speziellen gezeigten Teil handelt es sich um eine Hüft­ prothese. Derartige Prothesen umfassen üblicherweise einen glatten, kugelförmigen Kopf 10, der eine Ober­ fläche eines Hüftgelenks bildet und der sich in einer Hüftpfanne drehen kann, einen Hals 14 und ein Basis­ element oder Schaft 15. Der Schaft 15 dient zur Ver­ ankerung im Femur des Menschen oder Tieres. Um die Fixierung des Schaftes 15 im Femur zu verbessern, ist ein Bereich 16 der Oberfläche des Schaftes 15 porös. Bei der Ausführungsform der Fig. 1 umfaßt der poröse Bereich 16 des Schaftes eine Matte, die sich aus komprimierten kurzen Metallfasern zusammensetzt. Dieses Metallfasersieb 17 ist mit ei­ nem absorbierbaren Material beschichtet, wie nach­ folgend im einzelnen beschrieben wird.

Fig. 2 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungs­ form eines Körperimplantates. Das zu implantierende Teil 20 ist eine Acetabular-Hüftprothese, die üblicherweise als Hüftbecher bezeichnet wird. Dieser Hüftbecher 20 besitzt eine glatte, sphärische Oberfläche 21, die die andere Oberfläche eines Hüftgelenks bildet und die sphärische Fläche 10 der Prothese der Fig. 1 aufnehmen soll. Die Außenfläche 23 des Hüftbechers 20 soll in das Acetabulum implantiert werden und ist durch Plasmaspritzen mit einer porösen metallischen Oberflächenschicht 24 bedeckt. Die poröse Schicht umfaßt ein absorbierbares Material auf mindestens einem Abschnitt seiner Fläche, das das permanente Knochen­ einwachsen in den porösen Bereich fördert. Ein anderer häufig eingesetzter poröser Überzug ist ein ge­ sinterter Überzug aus Metallpartikeln.

Die vorstehend beschriebenen Typen von porösen Flächen dienen nur als Beispiele. Es versteht sich, daß irgend­ einer aus einer Vielzahl von Typen von porösen Flächen, die für die Fixierung von in den Körper implantierten Teilen verwendet werden, Anwendung finden kann.

In Fig. 3 ist eine Gitterstruktur mit poröser Ober­ fläche, wie beispielsweise die Matte 17, etwa 20fach vergrößert dargestellt. Die Gitterstruktur 17 besteht aus kurzen Metallfasern 18, die komprimiert sind, und ist mit einem absorbierbaren Material 19 beschichtet, bei dem es sich bei der dargestellten Ausführungsform primär um α-Tricalciumphosphat handelt.

Ein Abschnitt der Gitterstruktur 17, der durchge­ schnitten und mittels eines Rasterelektronenmikroskops untersucht worden ist, ist in Fig. 4 dargestellt. Die Oberfläche der Gitterstruktur (die aus dem Mikro­ bild der Fig. 3 herausweisende Richtung) zeigt zur unteren rechten Ecke der Fig. 4. Das Mikrobild des entspechenden Abschnittes ist 63,5fach vergrößert.

Typische Schnitte durch die Drähte sind bei 31 und 32 dargestellt. Die Verlängerungen der Drahtabschnitte, wie bei 32 gezeigt, sind auf die Tatsache zurückzu­ führen, daß die Schnittebene mit dem Drahtdurchmesser einen schiefen Winkel bildet. Partikel, die lose er­ scheinen, wie bei 33 gezeigt, sind tatsächlich nicht lose, sondern stellen nur Partikel dar, die außerhalb der Schnittebene verbunden sind. Die Flächen 34, 35, 37 der Drähte sind mit dem α-Tricalcium­ phosphat 33, 36 und 38 beschichtet. Bei der darge­ stellten Ausführungsform beträgt die maximale Über­ zugsdicke etwa 30 µm, mit einer durchschnittlichen Dicke von 20 µm an den Außenflächen, wie bei 37, der Außendrähte der Gitterstruktur. Der Überzug dringt etwa 500 µm in die Gitterstruktur ein, wobei die Kontinuität des Überzuges von der Außenseite zur Innenseite hin abnimmt. Fig. 5 zeigt eine andere An­ sicht der Ausführungsform der Fig. 4, die 948fach vergrößert ist.

Die in den Fig. 1, 3, 4 und 5 dargestellten be­ schichteten Fasermetallteile werden in der folgenden Weise hergestellt. Im Handel erhältlicher reiner Draht wird zu Kissen geformt auf der Stelle des Implantats gesintert. Die Gitterstruktur wird dann mit einem Material plasma­ bespritzt, das nach dem Spritzen und Abkühlen absorbierbar ist. In entsprechender Weise können die in Fig. 2 dargestellten beschichteten Teile 20 her­ gestellt werden, indem zuerst die Metallfläche auf das Basiselement (unter der Fläche 24) plasmagespritzt wird, und dann auf die entstehende poröse Fläche ein Überzug einer Substanz plasmagespritzt wird, die zu einem bioabsorbierbaren Material abkühlt.

Nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren wurden Me­ tallzylinder hergestellt. Bei dem verwendeten Draht handelte es sich um im Handel erhältliches reines Titan mit einem Durchmesser von etwa 0,254 mm, das in Längen von etwa 25,4 mm zerschnitten wurde. Das Gitter besaß eine Dicke von etwa 2 mm und wurde auf einen mittleren Titanstab gesintert, der einen Gewindeab­ schnitt besaß, um eine Befestigung an einer mechanischen Testvorrichtung zu ermöglichen. Die Zy­ linder besaßen einen Durchmesser von 9,5 mm und eine Länge von 50 mm. Die Fasergitterzylinder wurden dann mit einem Material, das etwa 50% Hydroxyapatit und 50% β-Tricalciumphosphat enthielt, plasmabespritzt. Dabei fand ein übliches Plasmaspritzverfahren Anwendung. Die nachfolgende Analyse des plasmabespritzten Materials durch Röntgenstrahlbeugung ergab, daß sich das 50/50 Hydroxyapatit - β-Tricalciumphosphat-Material primär in α-Tricalciumphosphat umgewandelt hatte. Es verblieb etwas β-Tricalciumphosphat und Hydroxy­ apatit. Die Beugungsanalysendaten zeigten ferner einige Linien, die noch nicht identifiziert wurden, von denen jedoch angenommen wird, daß es sich um Hochtemperatur-Calciumphosphat handelt. Die Beugungs­ linienbreite zeigte an, daß die Kristallit-Größe geringer war als die bei einer herkömmlichen Keramik.

Die Zylinder wurden zusammen mit ähnlichen Zylindern, die mit einer Reihe von anderen Materialien behandelt worden waren, nämlich in der Literatur als osteogenisch beschriebenen Materialien, wie beispielsweise β-Tri­ calciumphosphat, entmineralisiertem Knochenpulver und autogenem Knochen und Mark, in die Oberschenkelknochen von Hunden implantiert. Nach einer Zeitdauer von zwei Wochen bis sechs Wochen wurden die Tiere getötet, und die Proben wurden aus den Oberschenkelknochen her­ ausgezogen. Die nach dem angegebenen Verfahren hergestellten Proben besaßen die höchste Festigkeit gegenüber Herausziehen. Dies zeigt offensichtlich die stärkste Fixierung an und wird allgemein als verbessertes Knocheneinwachsen interpretiert. Diese Proben konnten hinsichtlich Verpackung und Implantation in den Tieren ohne jegliche Qualitätsverschlechterung normal gehandhabt werden.

Es wird angenommen, daß die Umwandlung des Hydroapatit/ β-Tricalciumphosphat-Materials in α-Tricalcium­ phosphat auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß das Material durch das Plasmaspritzverfahren Umwandlungs­ energie erhält. Aufgrund dieser Tatsache können auch andere Verfahren zur Aufbringung des Materials, die Energie für die Umwandlung zur Verfügung stellen, eingesetzt werden, um den Überzug aufzubringen, wie beispielsweise Bedampfungsverfahren, Elektrophorese, elektrostatische Sprühverfahren etc.

Die nach dem angegebenen Verfahren beschichtete poröse Fläche kann auch in Kombination mit vielen Arten von anderen implantierbaren Fixatoren als beschrieben verwendet werden, beispielsweise mit Knieprothesen, Knochenplatten, Intramedularstäben etc. Es können auch andere Dicken als vor­ stehend beschrieben Anwendung finden. Das Basiselement des Implantats und/oder die poröse Schicht können auch aus Metallen bestehen, beispielsweise Kobalt-Chrom- Stahllegierungen, Edelstahl etc. und anderen Materialien, die für die Implantation im Körper geeignet sind.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung eines Körperimplantats mit folgenden Schritten:

• - Herstellen eines Basiselementes, das einen Knochen­ befestigungsbereich mit poröser Oberfläche aufweist;
• - Herstellen eines Überzugsmateriales; und
• - Aufbringen des Überzugsmateriales auf mindestens ei­ nen Abschnitt des Knochenbefestigungsbereiches unter Zuführung von thermischer Energie,

dadurch gekennzeich­ net, daß als Überzugsmaterial Hydroxyapatit und Beta- Tricalziumphosphat verwendet, beim Aufbringen auf ei­ ne Temperatur über 1350°C erhitzt und dabei in ab­ sorbierbares Alpha-Tricalziumphosphat umgewandelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Überzugsmaterial durch Plasmaspritzen aufge­ bracht wird.