DE2447787C2 - Gebrannter Keramikkörper für ein Knochenimplantat - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem gebrannten Keramikkörper gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie er aus der GB-PS10 83 769 bekannt ist

Für Knochenimplantate, insbesondere für Gelenkprothesen, werden in zunehmendem Maße Keramikmaterialien verwendet da diese besser verträglich sind und eine geringere Korrosionsanfälligkeit aufweisen als die früher gewöhnlich verwendeten Metallimplantate.

So ist aus der GB-PS 1083 769 ein keramisches Implantatmaterial bekannt das aus mindestens 99,5% AI₂O₃ und Spuren von Cr₂O₃ und gegebenenfalls kleinen Mengen an Bindemitteln, wie Mo, TiC, Mo₂C, SiO₂ und MgO oder im wesentlichen aus BeO, MgO oder ZrO₂, besteht Darüber hinaus wird dort darauf hingewiesen, daß an Stelle von Al₂O₃ auch die Oxide BeO, MgO oder ZrO₂ als Hauptbestandteil in hochreiner Form eingesetzt werden können. Die erhaltenen Knochenimplantate werden als für Kiefernknochen besonders geeignet bezeichnet. Die Frage des Röntgenkontrasts wird nicht berührt.

Aus der DE-OS 22 38 263 ist ein keramischer Knochenersatz bekannt, der 75 bis 90 Gewichtsprozent Al₂O₃, 8 bis 23 Gewichtsprozent SiO₂, 0,2 bis 0,4 Gewichtsprozent Erdalkalien, 0,4 bis 0,6 Gewichtsprozent Alkalien, 0,0 bis 0,5 Gewichtsprozent Fe₂O₃ und Spuren TiO₂ enthält. Dieser Knochenersatz soll sehr dicht sein und eine hohe Abriebfestigkeit, eine hohe Festigkeit und eine gute Gewebeverträglichkeit aufweisen. Die Frage des Röntgenkontrasts wird nicht berührt.

Aus der US-PS 33 14 420 sind Hüftkopfprothesen aus Keramikmaterial bekannt, das etwa 51 —66% Al₂O₃ und 11 -26% SiO₂ sowie 18-28% Alkali- und Erdalkalioxide enthält Als Ausgangsmaterial wird Kaolin verwendet, das außer Al₂O₃ und SiO₂ stets auch sehr kleine Mengen an K₂O, Na₂O, CaO, MgO, TiO₂ und Fe₂O₃ enthält. Diese Keramikprothese ist ein poröser Keramikkörper mit einer Vielzahl von untereinander verbundenen, offenen Zellen, die an der Oberfläche in Mikroporen enden. Diese poröse, offenporige Struktur wird dadurch erreicht, daß während des Brennens Kohlendioxid aus im Rohkörper enthaltenen Carbonaten freigesetzt wird. Die danach erhaltenen Keramikprothesen sind mechanisch fest und verträglich gegenüber Körperflüssigkeiten und -geweben. Die Frage des Röntgenkontrasts ist hier nicht angesprochen.

Aus der Zeitschrift »Chirurgische Zahnheilkunde«, Heft 6, Juni 1970, Seite 19-21, Referat Nr. 4123, ist ein Aufsatz mit dem Titel »Enossale Implantation von Porzellankörpern« bekannt Dort werden Porzellankörper ids Retentionsanker für prothetische Konstruktionen empfohlen, insbesondere wegen ihrer Gewebefreundlichkeit, ihrer Korrosionsbeständigkeit ihrer glatten und homogenen Oberfläche, ihrer Härte und wegen ihrer elektro-neutralen Reaktion, auch im sauren Mundmilieu und den Metallen gegenüber. An anderer Stelle wird erwähnt, daß eine bestimmte neue Porzellankeramikmasse keinen guten Röntgenkontrast ergäbe; aber ein Weg zur Beseitigung dieses Nachteils wird nicht aufgezeigt

Aus der DE-AS 14 91 042 ist ein Dentalmaterial zur Herstellung von keramischen Zahnersatz- und Zahnporzellanen bekannt Dieses Material ist ein Gemisch aus 20 bis 75 Gewichtsprozent Al₂O₃, TiO₂ und/oder ZrO₂ und einem aus Feldspat Borsilikatglas oder Dentalporzellan bestehendem matrixbildenden Material. Zur Herstellung der Zahnporzellane wird das Gemisch so gebrannt, daß praktisch keine Beeinflussung des Verstärkungsmaterials, nämlich der Oxide, erfolgt, d.h. ein eventuelles Anlösen oder eine chemische Reaktion bleibt lediglich auf die Grenzflächen beschränkt Das erhaltene Produkt ist ein brauchbares Zahnporzellan mit den dafür zu fordernden besonderen Eigenschaften hinsichtlich der Härte, der mechanischen Festigkeit, des Wärmeausdehnungskoeffizienten und des Aussehens. Die Frage der Annahme durch das tierische oder menschliche Gewebe spielt bei Zahnporzellanen eine andere Rolle als bei Knochenimplantaten und ist dementsprechend anders behandelt Die Frage des Röntgenkontrasts ist hier nicht angesprochen.
Aus einer Veröffentlichung des Vortrags »Derzeitiger Stand orthopädischer Implantate« von D. Hohmann, auf der Tagung der deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik, Erlangen 1973, S. 38—54, ist es bekannt zur Fixierung von Gelenkendoprothesen einen Knochenzement auf der Basis von Methylmethacrylat zu verwenden, der aus Polymerpulver, dem Röntgenkontrastmittel Bariumsulfat oder Zirkonoxid, einer Monomerflüssigkeit und eventuell einem Antibiotikazusatz besteht Es handelt sich dort nicht um einen Knochenersatz, sondern um ein Mehrkomponentenmittel zur Verankerung einer Gelenkprothese, insbesondere einer Hüftgelenkendoprothese, an einem Knochen in einem Menschen oder Tier. Das beschriebene Mittel auf der Basis von Methylmethacrylat das auch als Knochenzement bezeichnet wird, enthält BaSO₄ oder ZrO₂ als Röntgenkontrastmittel. Dieser Knochenzement auf Methylmethacrylatbasis unterscheidet sich ganz wesentlich in Zusammensetzung, Herstellung, Funktion und in den Eigenschaften von einem keramischen Knochenersatz.

Die bekannten keramischen Knochenimplantate

haben neben vielen Vorteilen allerdings den Nachteil daß sie auf Röntgenaufnahmen unzureichende Röntgenkontraste, die eine Beurteilung durch den Arzt erschweren oder gar unmöglich machen, ergeben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen als Knochenimplantat geeigneten Keramikkörper zu schaffen, der nicht nur die sehr guten mechanischen

und physiologischen Eigenschaften der bekannten, als Knochenimplantate geeigneten Keramikkörper aufweist, sondern darüber hinaus einen erheblich verbesserten Röntgenkontrast abgibt

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Keramikkörper für Knochenimplantate bis zu 95 Gewichtsprozent Al₂O₃, ferner 5—50 Gewichtsprozent Y₂O₃ und 0 bis 10 Gewichtsprozent weitere Keramikzusätze enthält

Gegenstand der Unteransprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen des gebrannten Kerainikkörpers gemäß der Erfindung.

Die gebrannten Keramikkörper gemäß der Erfindung sind in jeder Hinsicht stabil und liefern in Röntgen-Negativen klare, wei3e Schatten, so daß die Lage des Implantats im Körper, z. B. in Kiefernknochen od. dgl., leicht und sicher bestimmt werden kann. Das im Keramikkörper enthaltene Y2O3 bringt außerdem den Vorteil, daß es das Sintern der Keramik während des Brenners fördert

Die aus erfindungsgemäßen Keramikkörpern hergestellten Implantate zeigen ein hydrophiles Verhalten und sind mit den Zellen, der Weichgewebe- und Knochensubstanz gut verträglich, so daß diese zum Haften an der Keramikoberfläche neigen und das Implantat dicht mit der es umgebenden Körpersubstanz integriert wird. Das Implantat ist außerdem frei von irritierenden, toxischen und kanzerogenen Stoffen, die das umgebende Gewebe schädigen könnten; die Gefahr von postoperativen Krankheiten wird dadurch vermieden.

Die erfindungsgemäßen Keramikkörper eignen sich nicht nur sehr gut als Knochenersatz in der Dentalmedizin, sondern auch für sonstige Knochenersätze, z.B. Schienen und implantierte Prothesen (z. B. Hüftkopfprothesen), wie sie in der orthopädischen Chirurgie benötigt werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Fotografien 1-4 näher erläutert; die Röntgenaufnahmen verschiedener keramischer Implantatkörper zeigen:

— die Aufnahme 1 bezieht sich auf eine Ausführungsform der Erfindung,

— die Aufnahmen 2 und 3 sind Aufnahmen von Zusammensetzungen, die außerhalb der erfindungsgemäßen Bereichsgrenzen, jedoch nahe bei diesem liegen, und

— die Aufnahme 4 zeigt zum Vergleich eine Röntgenaufnahme eines Körpers aus reiner Aluminiumoxidkeramik.

Die gebrannten Keramikkörper für Implantationszwecke gemäß der Erfindung bestehen im endgültigen Zustand nach dem Brennen aus bis zu 95 Gewichtsprozent aus AI2O3 und 5 bis 50 Gewichtsprozent Y2O3. Al₂O₃ hat unter allen Keramikmaterialien die größte mechanische Festigkeit bezüglich Druck-, Biege- und Zugbeanspruchungen und vermag diesen Beanspruchungen in einem für Implantate ausreichenden Maße standzuhalten, insbesondere hat es die Festigkeit und Widerstandsfähigkeit, wie sie für Kieferimplantate im Hinblick auf die Beanspruchungen beim Kauen gefordert werden. Außerdem ist Al₂O₃ chemisch, physikalisch und biologisch sehr stabil. Da das Implantat gemte der Erfindung AI2O3 als Hauptbestandteil enthllt, hat es eine ausreichende mechanische, physikalische und chemische Stabilität, und Festigkeit Ein ausschließlich aus Al₂Os bestehendes Keramikmaterial würde jedoch für Röntgenstrahlungen im wesentlichen transparent sein. Die Al₂O3-Keramik gemäß der Erfindung enthält daher Y₂O₃ als Röntgenstrahlung absorbierenden Bestandteil Ein Teil des Y₂O₃ kann durch ZrO₂ ersetzt werden. Das Metalloxid Y₂O₃ bzw. das bevorzugte Metalloxidgemisch Y₂O₃ZZrO₂ kann mit Al₂O₃-Keramikmasse durch die chemischen Hochtemperaturreaktionen, die beim Brennen von Al₂O₃ zu Keramik eintreten, zu homogenen Keramikkörpern zusammengesintert werden. Die Grenzen für die Anteilsbereiche der Hauptkeramik aus Al₂O₃ und der für Röntgenstrahlung undurchlässigen Keramik aus Al₂O₃ und Y₂O₃ bzw. Y₂O3/ZrO₂ sind deswegen in der oben angegebenen Weise festgelegt worden, weil bei einer Verringerung des Al₂O₃-Gehaltes unter 50% die mechanische Festigkeit verringert und das Keramikmaterial spröde wird, während bei einem unter 5% liegenden Anteil an den die Röntgenstrahlung stärker absorbierenden Keramikteilen die Röntgenstrahlungsabsorption für kontrastreiche Röntgenaufnahmen nicht mehr ausreicht. Der bevorzugte Bereich ist 80—90 Gewichtsprozent Al₂O₃ und 10—20 Gewichtsprozent der beiden Oxide Y3O3 und ZrO₂ zusammen.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Keramikkörpers werden Al₂O₃ und Y₂O₃ sowie nach einer bevorzugen Ausführungsform zusätzlich ZrO₂ (oder Verbindungen, die diese Materialien beim Brennen liefern) in einem solchen stöchiometrischen Verhältnis gemischt, daß sich nach dem Brennen eine Zusammensetzung in den angegebenen Bereichen ergibt. Die Mischung wird dann zu einem Implantat geformt, das die Form einer Schraube, einer Klinge oder eines Stiftes und dergleichen aufweist und wird bei etwa 1600⁰C zu Keramik gebrannt Die Rohmasse kann einen Flußmittel-, Brenn- oder Sinterungsbeschleuniger für Al₂O₃ enthalten, wie BaO, CaO und/oder MgO. Die Menge dieser Zusätze soll so bemessen werden, daß ihr Anteil in der gebrannten Keramikmasse unter 10 Gewichtsprozent liegt Wenn der Anteil solcher Zusätze 10 Gewichtsprozent übersteigt, können die mechanische Festigkeit und die Röntgenabsorption des Keramikmaterials leiden. Die oben für die vorliegende Keramik angegebenen Zusammensetzungen können 0 bis zu 10 Gewichtsprozent solcher Keramikzusätze enthalten.

Die erfindungsgemäßen Keramikkörper bzw. Implantate haben, insbesondere als Knochenimplantate die folgenden Vorteile:

Das implantierte Teil läßt sich durch eine Röntgenuntersuchung leicht ermitteln, da es für die Röntgenstrahlung opak ist und daher z. B. im Kiefernknochen leicht festgestellt werden kann.
Änderungen der das Implantat umgebenden Knochensubstanz, die sich mit der Zeit ergeben können, lassen sich auf Röntgennegativen und bei visueller Röntgenuntersuchung des betreffenden Bereichs zu beliebigen Zeiten nach der Implantation bequem durchführen.

Im folgenden werden einige Beispiele von Materialien gemäß der Erfindung und Vergleichsmaterialien beschrieben. Aus den Materialien wurden flache, rechteckige Probestücke mit Abmessungen von 18x4x1 mm hergestellt und von den Probenstücken

(,5 wurden mit einem medizinischen Röntgengerät für Durchleuchtungszwecke die beiliegenden Aufnahmen gemacht. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Probenstück Typ

Zusammensetzung (Gew.-%)

Aufnahme

Erfindung Vergleich Vergleich Vergleich

Al₂O₃ 80% + Y₂O₃ 20% Al₂O₃ 97% + ZrO₂ 3%
AIjO₁ 96% + Y₂O., 4%
AI₂O₃ 100%

In den beiliegenden Aufnahmen entspricht eine helle ι ο Fläche starker Röntgenstrahlungsabsorption, während dunkle Flächen eine starke Durchlässigkeit vor Röntgenstrahlung bedeuten.

Das Probestück 4 aus reiner Aluminiumoxidkeramik absorbiert die Röntgenstrahlung praktisch nicht, wie die Aufnahme 4 zeigt Die Probenstücke 2 und 3 sind verschlechterte Ausführungsrormen, deren Zusammensetzung bezüglich des Gehalts an ZrO₂ und Y2O3 außerhalb, jedoch nahe bei den für die Erfindung angegebenen Bereichen liegt, absorbieren wegen ihres Gehalts an Z1O2 und Y2O3 die Röntgenstrahlung zwar etwas stärker als das Probestück 4, das Absorptionsvermögen ist jedoch noch ungenügend, wie die graue Farbe der Aufnahmen 2 und 3 zeigt Im Gegensatz dazu ist das Probestück aus einem Keramikmaterial mit einer Zusammensetzung gemäß der Erfindung für die Röntgenstrahlung undurchlässiger und liefert ein klares, praktisch weißes Bild, wie die Aufnahme 1 zeigt. Wenn ein implantat aus dem erfindungsgernäßen Keramikmaterial in den Kiefer implantiert worden ist läßt sich der Ort des implantierten Teiles daher leicht und sicher durch eine Röntgen-Aufnahme oder -Durchleuchtung feststellen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Gebrannter Keramikkörper für ein Knochenimplantat aus mindestens 50 Gewichtsprozent Al₂Os und weiteren Oxidmaterialien, dadurch gekennzeichnet, daß er bis zu 95 Gewichtsprozent Al₂O₃, ferner 5 bis 50 Gewichtsprozent Y₂O₃ und O bis zu 10 Gewichtsprozent weitere Keramikzusätze enthält

2. Gebrannter Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er 80 bis 90 Gewichtsprozent Al₂O₃ und 10 bis 20 Gewichtsprozent Y₂O₃ enthält

3. Gebrannter Keramikkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß ein Teil des Y₂O₃ durch ZrO₂ ersetzt ist

4. Gebrannter Keramikkörper nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß der Keramikzusatz aus BaO, CaO und/oder MgO besteht

5. Gebrannter Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus 80 Gewichtsprozent Al₂O₃ und 20 Gewichtsprozent Y₂O₃ besteht