DD249632A1 - IMPLANT - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Implantat, das als Hemi- oder Endoprothese Verwendung findet. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Implantat zu schaffen, das trotz Bioaktivitaet und dadurch bedingter Auslaugung eine hohe mechanische Stabilitaet behaelt und das verbleibende Implantatgeruest das Einwachsen von biologischem Gewebe beguenstigt. Die Aufgabe wird geloest durch einen Formkoerper aus Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid und gegebenenfalls Anteilen bioaktiver Materialien. Der poroese Formkoerper weist eine Koernung von 20 bis 100 Mikrometer und eine Porositaet von 10 bis 30% auf. In und auf diesem Formkoerper sind Wachstumsstimulatoren eingelagert und/oder bioaktive Glaskeramiken und/oder Bioglas mit einem substratspezifischen Stuetzgeruest aufgebracht.The invention relates to an implant which finds use as hemi or endoprosthesis. The object of the invention is to provide an implant which, despite bioactivity and consequent leaching, maintains a high mechanical stability and the remaining implant framework favors the ingrowth of biological tissue. The object is achieved by a molding made of silicon nitride or silicon carbide and optionally proportions of bioactive materials. The porous molding has a particle size of 20 to 100 microns and a porosity of 10 to 30%. In and on this form of growth growth stimulators are stored and / or applied bioactive glass ceramics and / or bioglass with a substrate-specific Stuetzgeruest.

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Implantat für die Verwendung als Hemi- und Endoprothesen.The invention relates to an implant for use as hemi and endoprostheses.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Es ist bekannt, als Implantatmaterialien je nach Verwendungszweck Kohlenstoff bzw. -fasern (DE-OS 2142820, DE-OS 2157139, DE-OS 2224614), Tantal (DE-OS 2142820), Titan oder-legierungen (DE-PS 2628284, DE-OS 2925371), Aluminiumoxidkeramiken (DE-OS 2259313, DE-OS 2134316), Glaskeramiken (DE-OS 2326100, DE-OS 2836152), Tricalciumphosphatkeramiken (DE-OS 2905647), Kobalt-Chrom-Legierungen, organische Kunststoffe (DE-OS 2603456) u.a. einzusetzen.It is known, as implant materials, depending on the application carbon or fibers (DE-OS 2142820, DE-OS 2157139, DE-OS 2224614), tantalum (DE-OS 2142820), titanium or alloys (DE-PS 2628284, DE -OS 2925371), alumina ceramics (DE-OS 2259313, DE-OS 2134316), glass ceramics (DE-OS 2326100, DE-OS 2836152), tricalcium phosphate ceramics (DE-OS 2905647), cobalt-chromium alloys, organic plastics (DE-OS OS 2603456) and others use.

In mehreren komplizierten Verfahrensschritten wird versucht, die Oberflächen der Implantate gezielt gewebefreundlich durch Aufrauhen, Aufsintern, Aufdampfen u.a. zu bearbeiten. Trotz hohen Aufwandes entspricht die erreichte Qualität der gewebefreundlichen aufgerauhten Oberflächen nicht den medizinischen Erfordernissen, da diese Implantate nach geraumer Zeit vom Körper wieder abgestoßen werden. Um diesem Vorgang im bestimmten Maße entgegenzuwirken, werden zum Steuern der Gewebereaktion und zur Stimulation des Aufwachsens des Gewebes in die aufgebrachte Schicht des Implantates bestimmte Ionen wie Li, B, C, F, Na, Mg, Si, P, K, Ca eingebracht, wie es z. B. für Sinterkeramik in DE-OS 2324867 beschrieben wird. Da die Schicht sehr dünn ist, werden diese Ionen schnell verbraucht. In DD 202613 und DE-OS 2838759 wird versucht, diese physiologisch aktiven Stoffe, z. B. CaF₂, auf eine passivierende Schicht wie Siliciumnitrid mittels aufwendiger vakuumtechnischer Beschichtungsverfahren aufzubringen. Bei dieser Variante ist eine geringe Verbundstabilität vorhanden. Die Geschlossenheit der dünnen Schicht ist nicht gewährleistet, so daß Diffusionsprozesse auf dem Substratmaterial die Biokompatibilität negativ beeinflussen. Eine Bioaktivität wird nicht erreicht.In several complicated process steps an attempt is made to process the surfaces of the implants in a targeted tissue-friendly manner by roughening, sintering, vapor deposition and others. Despite high expenditure, the achieved quality of the tissue-friendly roughened surfaces does not meet the medical requirements, since these implants are repelled after some time by the body again. To counteract this process to a certain extent, certain ions such as Li, B, C, F, Na, Mg, Si, P, K, Ca are introduced for controlling the tissue reaction and for stimulating the growth of the tissue into the applied layer of the implant. as it is z. B. for sintered ceramic in DE-OS 2324867 is described. Since the layer is very thin, these ions are consumed quickly. In DD 202613 and DE-OS 2838759 it is attempted to use these physiologically active substances, for. As CaF ₂ , applied to a passivating layer such as silicon nitride by means of expensive vacuum coating method. In this variant, a low composite stability is present. The closure of the thin layer is not guaranteed, so that diffusion processes on the substrate material adversely affect biocompatibility. Bioactivity is not achieved.

Konventionelle Implantate aus Aluminiumoxidkeramik haben den Nachteil, daß sie eine ungenügende Schlag-Biegefestigkeit besitzen (Lit. Petzold „Anorganische Nichtmetallsiche Werkstoffe" VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig 1981) und die dafür nötigen Ausgangsstoffe kostenintensiv, hochrein erzeugt werden müssen.Conventional implants made of alumina ceramic have the disadvantage that they have an insufficient impact resistance to bending (Ref. Petzold "inorganic non-metallic materials" VEB German publishing house for basic industry Leipzig 1981) and the necessary raw materials costly, high purity must be produced.

Ein weiterer Nachteil für viele medizinische Anwendungen als Implantat ist die geringe Porosität der gesinterten Aluminiumoxidkeramik. In DE-OS 2733394 wird ein Kunstzahn beschrieben, der als Kern ein Metallgerüst besitzt, worauf eine biostabile Polymerschicht aufgebracht ist, deren Oberfläche mit resorbierbaren bioreaktiven gesinterten Calciumphosphat dotiert ist. Diese erfindungsgemäße Lösung hat den Nachteil, daß die Verbundstabilität gering ist.Another disadvantage for many medical applications as an implant is the low porosity of the sintered alumina ceramic. In DE-OS 2733394 an artificial tooth is described, which has a metal framework as the core, whereupon a biostable polymer layer is applied, the surface of which is doped with resorbable bioreactive sintered calcium phosphate. This solution according to the invention has the disadvantage that the composite stability is low.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ein Implantat einfach mit geringem Kostenaufwand zu schaffen, das sich durch hohe Stabilität und lange Funktionsdauer auszeichnet.The aim of the invention is to provide an implant simply with low cost, which is characterized by high stability and long service life.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Implantat zu schaffen, das trotz Bioaktivität und dadurch bedingter Auslaugung eine hohe mechanische Stabilität behält und das verbleibende Implantatgerüst das Einwachsen von biologischem Gewebe begünstigt.The object of the invention is to provide an implant which retains a high mechanical stability despite bioactivity and consequent leaching and the remaining implant framework favors the ingrowth of biological tissue.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Formkörper aus Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid besteht und gegebenenfalls Anteile bioaktiver Materialien enthält.According to the invention the object is achieved in that the shaped body consists of silicon nitride or silicon carbide and optionally contains proportions of bioactive materials.

In weiterer Ausbildung des erfindungsgemäßen Implantates ist es günstig, daß die bioaktiven Anteile Wachstumsstimulatoren, wie Calcium- oder Phosphationen, eine Glaskeramik, Biogläser oder Hydroxylapatit sind.In a further embodiment of the implant according to the invention, it is favorable that the bioactive components are growth stimulators, such as calcium or phosphate ions, a glass ceramic, bioglasses or hydroxyapatite.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Formkörper aus Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid von einer Körnung von 20 bis 100 Mikrometer besteht. Die Porenöffnungen des Formkörpers betragen bis zu 400 Mikrometer. Die Porosität beträgt vorzugsweise von 10 bis 30%.Furthermore, it is advantageous if the shaped body consists of silicon nitride or silicon carbide of a grain size of 20 to 100 micrometers. The pore openings of the molding are up to 400 microns. The porosity is preferably from 10 to 30%.

Die bioaktiven Bestandteile sind erfindungsgemäß in einem substratspezifischen Stützgerüst mit einer Schichtdicke von vorzugsweise bis zu 1 mm aufgebracht. Sie liegen in einer Konzentratin bis zu 60% vor. Sie können auch einen Konzentrationsgradienten aufweisen und vom Inneren zur Oberfläche des Formkörpers zunehmen.The bioactive constituents are applied according to the invention in a substrate-specific scaffold having a layer thickness of preferably up to 1 mm. They are present in a concentrate up to 60%. They may also have a concentration gradient and increase from the interior to the surface of the molding.

Derartige Implantate werden hergestellt, indem das Silicium pulver mit einer Körnung von 20 bis 100 Mikrometer zu einem Implantatkörper durch konventionelle Verfahren wie Kalt- oder Heißpressen, Schlickervergießen geformt und einer Nachbehandlung in einer stickstoff- oder kohlenstoffhaltigen Reaktionsgasatmosphäre unterzogen wird, so daß ein Si3N₄-oder SiC-Formkörper mit hoher Porosität von 10 bis 30% entsteht. Dieser Formkörper wird auch direkt durch Heißpressen von S13N4 oder SiC mit entsprechender Körnung erzeugt.Such implants are made by molding the silicon powder having a grain size of 20 to 100 microns into an implant body by conventional methods such as cold or hot pressing, slip casting and subjecting to a post-treatment in a nitrogen or carbon containing reaction gas atmosphere such that a Si 3 N ₄ - or SiC molded body with high porosity of 10 to 30% is formed. This shaped body is also produced directly by hot pressing of S13N4 or SiC with appropriate grain size.

Die Porenöffnungen haben Durchmesser bis 400 Mikrometer, um das Einwachsen des Gewebes oder des Knochens zu ermöglichen. In den so geschaffenen, mechanisch stabilen Formkörper werden bioaktive Glaskeramiken und/oder Wachstumsstimulatoren in Form von anorganischen Salzen wie CaF₂, Ca₃(PO₄I₂ eingelagert. Das erfolgt durch Tauchen in den entsprechenden Suspensionen oder in siliciumhaltigen Schlicker mit den jeweiligen entsprechenden Komponenten, die bis zu 60% vorhanden sind. Der präparierte Formkörper wird einer Nachbehandlung bei 1100 bis 1 400⁰C unterzogen, wobei bei Verwendung von Schlicker die entsprechende Reaktionsgasatmosphäre gewählt wird. Dadurch bildet sich auf einem mechanisch stabilen Kern eine bis zu 1 mm dicke bioaktive Schicht aus, die Ca3(PO₄)₂ und/oder CaF₂ und/oder Glaskeramiken und/oder Biogas mit im Reaktionsgas umgesetzten Silicium als Stützgerüst enthält.The pore openings have diameters up to 400 microns to allow ingrowth of the tissue or bone. Bioactive glass ceramics and / or growth stimulators are incorporated in the mechanically stable shaped bodies thus created in the form of inorganic salts such as CaF ₂ , Ca ₃ (PO ₄ I ₂₎ by dipping in the corresponding suspensions or in silicon-containing slip with the respective corresponding components that are up to 60% available. the prepared formed body is subjected to a post-treatment at 1100-1400 ⁰ C, the corresponding reaction gas atmosphere is selected with the use of slurry This is up to 1 mm is formed thick bioactive on a mechanically stable core. Layer containing Ca3 (PO ₄ ) ₂ and / or CaF ₂ and / or glass ceramics and / or biogas with reacted in the reaction gas silicon as a scaffold.

Das Stützgerüst kompensiert die inneren mechanischen Spannungen und erhöht die Verbundstabilität des kompakten Implantates. Das hohe Angebot an resorbierbaren Glaskeramiken, Biogläsern und/oder Wachstumsstimulatoren hat eine hohe Funktionsdauer des Implantates zur Folge.The scaffold compensates for the internal mechanical stresses and increases the composite stability of the compact implant. The high range of resorbable glass-ceramics, bioglasses and / or growth stimulators results in a high functional life of the implant.

Die Erfindung soll an zwei Ausführungsbeispielen beschrieben werden.The invention will be described with reference to two embodiments.

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

Gemahlenes polykristallines Silicium aus Abfällen der Mikroelektronik mit einer durchschnittlichen Körnung von 50 Mikrometer wird durch eine Säure- und anschließende Laugenbehandlung so gereinigt, daß die Verunreinigungen von Cr, Mo, V, Mn, Co und SiO₂ insgesamt unter 1 % liegen.Milled polycrystalline silicon from microelectronic waste with an average grain size of 50 microns is cleaned by an acid and subsequent alkali treatment so that the impurities of Cr, Mo, V, Mn, Co and SiO _{2 are} less than 1% in total.

Das so gereinigte und getrocknete Material wird isostatisch zu einem Dentalimplantat bei 1100⁰C gepreßt und anschließend in einem Strömungsreaktor in einer NH₃-Reaktionsgasatmosphäre bei Temperaturen von 1 220⁰C 4 Stunden nitridiert. Nach Abkühlung hat der Formkörper eine Porosität von 20% bei Porenöffnungen von 310 Mikrometer.The thus cleaned and dried material is isostatically pressed to a dental implant at 1100 ⁰ C and then nitrided in a flow reactor in an NH ₃ -reaction gas atmosphere at temperatures of 1 220 ⁰ C for 4 hours. After cooling, the molded body has a porosity of 20% with pore openings of 310 microns.

Dieser Formkörper wird in einer wäßrigen Suspension von Ca3(PO₄)₂ und CaF₂ jeweils 10g/100 ml Lösung unter Vakuum behandelt, anschließend getrocknet und bei einer Temperatur von 1 000⁰C 2 Stunden thermisch nachbehandelt.This shaped body is treated in an aqueous suspension of Ca 3 (PO ₄ ) ₂ and CaF _{2 in} each case 10 g / 100 ml of solution under vacuum, then dried and thermally post-treated at a temperature of 1000 ⁰ C for 2 hours.

Das so hergestellte Implantat zeigt bei Implantation am oder im Knochen einen um ca. 15% erhöhten Anteil an direkten Knochenkontakten gegenüber herkömmlichen Implantaten.When implanted on or in the bone, the implant produced in this way shows an approximately 15% higher proportion of direct bone contacts compared to conventional implants.

Ausführungsbeispie! 2 _ Ausführungsbeispie! 2 _

Der Formkörper wird in einen siliciumhaltigeri Schlicker, der 30% bioaktive Glaskeramik enthält, getaucht und unter Vakuum in die Poren von ca. 300 Mikrometer eingebracht. Der so behandelte Formkörper wird getrocknet und anschließend thermisch in H₂-Strom bei 51O⁰C 4 Stunden zur Umwandlung des Schlickers behandelt. In einer Argon-Stickstoff-Reaktionsgasatmosphäre erfolgt die Nitridierung bei 1 22O⁰C 2 Stunden, wobei eine 0,8mm dicke bioaktive Schicht mit Si3N₄-Stützgerüst entsteht. Die Porosität liegt bei 20% bei mittleren Porendurchmessern von 180 Mikrometer. Das Implantat zeigt bei Implantation am oder im Knochen bis zu 25% mehr Knochenkontakte gegenüber herkömmlichen Implantaten.The shaped body is immersed in a silicon-containing slurry containing 30% bioactive glass ceramic and placed under vacuum in the pores of about 300 microns. The thus treated shaped body is dried and then treated thermally in H ₂ stream at 51O ⁰ C for 4 hours to convert the slurry. In an argon-nitrogen reaction gas atmosphere, the nitridation is carried out at 1 22O ⁰ C 2 hours, with a 0.8mm thick bioactive layer is formed with Si3N ₄ -Stützgerüst. The porosity is 20% with average pore diameters of 180 microns. When implanted on or in bone, the implant shows up to 25% more bone contact over conventional implants.

Claims (11)

1. Implantat zur Verwendung als Hemi- oder Endoprothese, gekennzeichnet dadurch, daß der Formkörper aus Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid besteht und gegebenenfalls Anteile bioaktiver Materialien enthält.1. implant for use as hemi-or endoprosthesis, characterized in that the shaped body made of silicon nitride or silicon carbide and optionally contains proportions of bioactive materials. 2. Implantat nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die bioaktiven Anteile Wachstumsstimulatoren wie Calcium- oder Phosphationen sind,2. Implant according to item 1, characterized in that the bioactive components are growth stimulators such as calcium or phosphate ions, 3. Implantat nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß dieser bioaktive Anteil eine Glaskeramik ist.3. implant according to item 1 and 2, characterized in that this bioactive component is a glass ceramic. 4. Implantat nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die bioaktiven Anteile Biogläser sind.4. Implant according to item 1, characterized in that the bioactive components are bioglasses. 5. Implantat nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der bioaktive Anteil Hydroxylapatit ist.5. Implant according to item 1, characterized in that the bioactive component is hydroxyapatite. 6. Implantat nach Punkt 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Formkörper aus Si₃N₄ oder SiC von einer Körnung von 20 bis 100 Mikrometer besteht.6. implant according to item 1 to 5, characterized in that the shaped body consists of Si ₃ N ₄ or SiC of a grain size of 20 to 100 microns. 7. Implantat nach Punkt 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß der Formkörper Porenöffnungen von bis zu 400 Mikrometer besitzt.7. implant according to item 1 to 6, characterized in that the shaped body has pore openings of up to 400 microns. 8. Implantat nach Punkt 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß eine Porosität von 10 bis 30% vorliegt.8. Implant according to item 1 to 7, characterized in that a porosity of 10 to 30% is present. 9. Implantat nach Punkt 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die bioaktiven Bestandteile in einem substratspezifischen Stützgerüst mit einer Schichtdicke vorzugsweise bis zu 1 mm aufgebracht sind.9. implant according to item 1 to 8, characterized in that the bioactive constituents are applied in a substrate-specific scaffold with a layer thickness preferably up to 1 mm. 10. Implantat nach Punkt 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die bioaktiven Bestandteile in einer Konzentration bis zu 60% vorhanden sind.10. Implant according to item 1 to 9, characterized in that the bioactive constituents are present in a concentration up to 60%. 11. Implantat nach Punkt 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die bioaktiven Bestandteile einen KoTTzmTtraTToTTsgradienten aufweisen und vom Inneren zur Oberfläche des Formkörpers zunehmen.11. Implant according to items 1 to 9, characterized in that the bioactive constituents have a KoTTzmTtraTToTTsgradienten and increase from the inside to the surface of the molding.