DE2620891A1

DE2620891A1 - Resorbierbarer knochenersatz-, knochenverbund- oder prothesenverankerungswerkstoff

Info

Publication number: DE2620891A1
Application number: DE19762620891
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Deibig; Helmut Dr Heide; Kari Dr Koester; Roland Dr Reiner
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1976-05-12
Filing date: 1976-05-12
Publication date: 1977-11-17
Also published as: DE2620891C3; DE2620891B2

Description

Resorbierbarer Knochenersatz-,
Knochenverbund- oder Prothesenverankerungswerkstcff Die Erfindung bezieht sich auf einen resorbierbaren Knochenersatz-, Knochenverbund- oder Prothesenverankerungswerkstoff auf der Basis von gesinterten Kalziumphosphaten.
Als Knochenersatz- und Prothesenmaterial dienen derzeit entweder Knochentransplantate oder implantierbare Teile aus Metall, Metallverbindungen, Kunststoff oder Keramiken. Alle diese Materialien sind jedoch für den hier angesprochenen Zweck mit Nachteilen behaftet. Die Verwendung von autologen Spänen bedeutet für den Patienten eine operative Doppelbelastung und ist mit beträchtlichen postoperativen Schmerzen verbunden. Homoiologe und heterologe Späne, Metalle, Kunststoffe sowie Aluminiumoxidkeramik werden häufig von Bindegewebe eingekapselt, das dann die Bildung einer knöcheren Verbundzone zwischen Implantat und Lagerknochen verhindert und dadurch einer Lockerung des Implantates Vorschub leistet.
Weitere, materialbedingte Reaktionen sind Infektionen und Fremdkörperreaktionen. Darüber hinaus ist bei den vorgenannten Materialien und auch bei Glaskeramik wegen der Struktur der Materialien nicht möglich, resorbierbare Phasen einzulagern, obwohl dies wünschenswert wäre, weil dadurch die Oberfläche der Verbundzone vergrößert und somit ein haltbarer Verbund zwischen Implantat und dem Knochengewebe zu erwarten wäre. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß eine Nachbearbeitung der Prothesenteile während der Operation praktisch nicht möglich ist.
Die Kalziunphosphatkeramik erfüllt zwar die Forderung nach einer knöchernen Verbundbildung zwischen Prothese und Lagerknochen bzw. dem angrenzenden Knochengewebe sowie nach der Resorbierbarkeit des Materials, doch ist solche Keramik mechanisch nicht ausreichend belastbar und läßt sich nur in sehr beschränkt ei Maße nachbearbeiten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile zu überwinden und einen resorbierbaren, implantierbaren Werkstoff auf der Basis von gesinterten Kalziumphosphaten zu schaffen, der zu einem hochbelastbaren Verbund zwischen dem Implantat und dem implantierten Teil führt und der außerdem eine Nachbearbeitung und Anpassung des Ersatzstückes an die individuellen Gegebenheiten während der Operation gestattet.
Es hat sich nun gezeigt, daß sich diese Aufgabe mit Hilfe des im beigefügten Anspruch 1 beschriebenen Werkstoffes in sehr fortschrittlicher Weise lösen läßt.
Aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff wird das Ersatz- bzw.
Prothesenteil als Block oder Prothesenrohling geformt und von dem Chirurgen oder dessen Gehilfen während der Operation durch Sägen, Schneiden, Bohren oder Fräsen den jeweiligen Gegebenheiten optimal angepaßt. Sowohl die anorganischen als auch die organischen Bestandteile dieses erfindungsgemäßen Werkstoffes sind resorbierbar und werden daher allmählich vom körpereigenen Knochengewebe ersetzt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung werden zumindest im Grenzbereich zwischen dem Implantat und dem Knochengewebe untereinander verbundene Poren oder Porengänge mit einer mittleren Weite zwischen 0,6 und 2 mm vorgesehen.
Durch diese definiert offene Makroporenstruktur des Implantates wird eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen dem Knochen und dem Implantat und dadurch eine Erweiterung des Verbundbereiches erreicht. Dies unterstützt die Durchdringung des Werkr stoffes mit Knochengewebe und führt zu einer zügigen Resorption des gesamten Prothesenwerkstoffes, der dabei gleichzeitig durch das Knochengewebe ersetzt wird.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffes wird gemäß einer Ausführungsart der Erfindung Kalziumphosphat mit einer Porosität von 15 bis 30 Vol.% verwendet und dessen Poren durch Tränken mit dem Polymermaterial gefüllt. Die Verfestigung des Polymeren in den Poren läßt sich entweder durch Polymerisation des Materials in den Poren des Kalziumphosphates oder durch Verdunstung des Lösungsmittels herbeiführen.
Des weiteren ist es erfindungsgemäß möglich, das Kalziumphosphat in Pulverform mit der Schmelze oder Lösung eines Polymeren oder mit noch flüssigen Vorstufen des Polymeren zu vermischen, danach das Gemisch in die gewünschte Form zu bringen und dann durch Erkalten, Lösungsmittelverdunsten oder Polymerisation die Aushärtung herbeizuführen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der nachstehenden Darlegung weiterer Einzelheiten anhand spezieller Beispiele hervor, die das Herstellungsverfahren und die Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Werkstoffes zeigen.
Beispiel 1: Ein Block aus Kalziumphosphat mit den Abmessungen 8x8x3,5 cm wurde in einem Exsikkator mit 500 ml X -Cyanoacrylsäurebutylester überschichtet und durch dreimaliges Evakuieren und Belüften mit den Monomeren getränkt. Nach der Polymerisation des Cyanacrylesters wurde gravimetrisch festgestellt, daß ungefähr 9,3 9C, bezogen auf die Gesamtmasse, aus Polymer bestehen. Zur Vermeidung einer zu raschen Polymerisation ist bei diesem Verfahren von sehr trockenem anorganischen Material auszugehen.
Es ist auch möglich, den Kalziumphosphatblock durch Durchsaugen des Cyanacrylats zu tränken und zu einem Composit zu polyzerisieren. Dabei wird das Kalziumphosphatblock zwischen zwei Glaskörper eingespannt, wovon einer mit Monomerlösung gefüllt und der andere unter Vakuum gesetzt wird.
Beispiel 2s Ein Block aus Kalziumphosphat mit den Abmessungen 8x8x3,5 cm wurde in einem Autoklaven zusammen mit 400 g Glykolidpulver, das 0,1 % Zinkchlorid enthielt, evakuiert, dann auf 200 OC erhitzt und anschließend unter einem Stickstoffdruck von 50 at 3 Stunden lang bei dieser Temperatur gehalten.
Bei diesem Vorgehen wird der Block mit dem Glykolid gut durchtränkt und durch Polymçvrssation des Glykolid zum Polyglykolid ein gut rearbeitbarer Verbundstoff erhalten. Der Polymeranteil dieses Verbundstoffes lag bei 8 X.
Beispiel 3: Eine innige Mischung von 65 % feingemahlenem Kalziumphosphat und 35 % Poly-l-lactid wurde in einer Preßform von 6 cm Höhe und 3 cm Durchmesser bei 200 0C unter einer Preßkraft von 5 to zu einem zylindrischen Formkörper verpreßt. Dabei kann sowohl die Korngröße des Kalziumphosphats als auch das Kalziumphosphat/ Polymerverhältnis in relativ breiten Grenzen variiert werden.
Bei dem gewählten relativ hohen Polymeranteil unterscheidet sich dieser Werkstoff von dem nach Beispiel 1 oder 2 hergestellten Material dadurch, daß das Kalziumphosphat im in-vitro-Versuch durch Säurelösung weniger leicht und schnell aus der Polymerphase herauseluiert werden kann.
Beispiel 4: Zur Deckung eines Schädelkalottendefektes wurde ein nach Beispiel 2 hergestellter Werkstoff der erfindungsgemäßen Art unter den üblichen Bedingungen autoklaviert. Sodann wurde auf einem zylindrischen Rohling aus diesem Werkstoff eine konische Scheibe gedreht und diese im Operaticnsraum mit dem Skapell an den ScMdeldefekt angepaßt. Dieses Teil wurde anschließend mit mäßigem Druck eingefügt und darüber das Periost und die Kopfschwarte vernäht.
Nach drei Wochen war osteoides Gewebe in den oberflächlichen Poren des Implantates eingewachsen. Die Resorption des Kalziumphosphats hatte bereits begonnen, dagegen nocn nicht die Resorption des Polyglykolids. Das Knochenwachstum und die Materialresorption verliefen simultan. Das polymere Material und das Kalziumphosphat waren gewebeverträglich; Fremdkörperreaktionen wurden nicht beobachtet.
Die Zeitdauer der Resorption und der Durchdringung der Gesamtprothese mit Knochengewebe ist abhängig von der Größe des Implantates sowie von ihrer Makroporosität.
Außer den bereits genannten Eigenschaften des erfindungsgemäßen Werkstoffes, wie Gewebeverträglichkeit, Resorbierbarkeit, mechanische Belastbarkeit und Bearbeitbarkeit, ist es noch von Vorteil, daß das Material den Knochen zum Wachstum auf der Oberfläche der Keramik anregt. Da der Prothese bei der Herstellung eine den physiologischen Anforderungen angepaßte Makroporenstruktur und -richtung gegeben werden kann, läßt sich das Knochenwachstum in eine gewünschte Vorzugsrichtung lenken.

Claims

Patentansprüche 1. Resorbierbarer Knochenersatz-, Knochenverbund- oder Prothesenverankerungswerkstoff auf der Basis von ges in terten Kalziumphosphaten, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus einem Gemisch von Kalziumphosphaten, die aus CaO und P205 im Mengenverhältnis von 2:1 bis 4:1 zusammengesetzt sind, mit biodegradablen Polymeren besteht und als fester Körper implantierbar ist.
2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser im Grenzbereich zwischen dem Implantat und dem Knochengewebe Poren bzw. Porengänge besitzt, die untereinander verbunden sind und eine mittlere Weite von 0,6 bis 2 mm aufweisen.
3. Verfahren zur Herstellung des Werkstoffes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kalziumphosphat mit einer Porosität von 15 bis 30 Vol.% verwendet wird und daß dessen Poren durch Tränken mit Polymermaterial gefüllt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigung des Polymeren durch Polymerisation in den Poren des Kalziumphosphates herbeigeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigung des Polymeren durch Verdunstung eines Lösungsmittels herbeigeführt wird.
6. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalziumphosphat in Pulverform mit der Schmelze oder Lösung eines Polymeren oder mit noch flüssigen Vorstufen des Polymeren vermischt wird, danach in die gewünschte Form gebracht und durch Erkalten, Lösungsmittelverdunsten oder Polymerisation ausgehärtet wird.