DE2857621C2

DE2857621C2 -

Info

Publication number: DE2857621C2
Application number: DE19782857621
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr. 6233 Kelkheim De Heide; Eva Dr. 6231 Altenhain De Poeschel; Ulrich Ing.(Grad.) 6100 Darmstadt De Roth
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1978-06-23
Filing date: 1978-06-23
Publication date: 1988-03-31

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Knochenersatzwerkstoff auf der Basis von vollständig oder teilweise resorbier baren, in einem Matrix-Material aus gewebeverträglichem Ma terial eingelagerten Partikeln aus bioaktiver, gesinterter Calciumphosphat-Keramik im Konzentrationsbereich CaO: P₂O₅ zwischen 3 : 1 und 4 : 1. Ein Verfahren zur Herstellung des Knochenersatzwerkstoffes gehört ebenfalls zur Erfindung.The invention relates to a bone substitute material on the basis of completely or partially resorbable, embedded in a matrix material made of tissue-compatible Ma material from bioactive, sintered calcium phosphate ceramic in the concentration range CaO: P ₂ O ₅ between 3: 1 and 4: 1. A method for producing the bone replacement material is also part of the invention.

Implantate aus massiven oder porösen, gewebeverträglichen Metallen oder Metallverbindungen sind bereits bekannt, ebenso Knochenersatzwerkstoffe, die aus einer Kunststoff- Matrix mit eingelagerten Calciumphosphatpartikeln bestehen; (vgl. DE-OS 26 20 890, DE-OS 26 20 891). Aus der DE-OS 26 20 907 ist bekannt, ein Prothesenwerkstück mit einer Träger schicht zu versehen, die aus Calciumphosphatpartikeln und polymeren Kunststoffen besteht.Implants made of solid or porous, tissue compatible Metals or metal compounds are already known also bone substitute materials made from a plastic Consist of matrix with embedded calcium phosphate particles; (see DE-OS 26 20 890, DE-OS 26 20 891). From DE-OS 26 20 907 is known, a prosthesis workpiece with a carrier to provide layer consisting of calcium phosphate particles and polymeric plastics.

Die heute gebräuchlichen Verfahren und Werkstoffe zur Erzeugung eines belastbaren Prothesen-Knochenverbundes be ruhen vorwiegend von der Methodik her gesehen auf rein me chanischen Verankerungen, nämlich Verschraubungen und Nage lungen, oder auf rein mechanisch wirksamer Zementierung, z. B. eines Prothesenschaftes in einer künstlich erzeugten Höhlung des Knochens. Diese mechanisch wirksamen Veranke rungsmethoden führen im Knochenlager oft zu unzulässig hohen unphysiologischen Spannungszuständen, die zur Atrophie der betroffenen Knochenregion und somit zur späteren Lockerung der Prothese führen (Spannungsatrophie).The processes and materials used today for Generation of a resilient prosthesis-bone composite mainly based on the methodology, they are based on rein me Chan anchorages, namely screw connections and nage lungs, or on purely mechanically effective cementation, e.g. B. a prosthetic socket in an artificially created Hollow bone. This mechanically effective anchoring Methods of formation often lead to impermissibly high levels in the bone bed unphysiological states of tension leading to atrophy of the affected bone region and thus for later loosening of the prosthesis (tension atrophy).

Die Stabilität der Prothesenverankerung wird außer von diesen rein mechanischen Phänomenen auch vom Chemismus der verwendeten Materialien beeinflußt. Die heute verwendeten gewebeverträglichen Metalle sowie die biostabilen Oxidkera miken und die chemisch weitgehend stabilen, gewebeneutralen Polymerwerkstoffe werden vom Knochen ausnahmslos als Fremd körper erkannt und bleiben als solche gewebig abgekapselt. Diese als eine erste Stufe der Abstoßung zu wertende Er scheinung führt im Falle von dauernd belasteten Prothesen teilen im Knochenimplantatübergangsbereich zur Ausweitung der bindegewebigen Membrane und zur Lockerung und späteren Abstoßung des implantierten Knochenersatzwerkstoffes.The stability of the prosthesis anchorage is not limited to these purely mechanical phenomena also from the chemistry of used materials influenced. The used today tissue compatible metals as well as the biostable oxide ceramics like and chemically largely stable, tissue-neutral Without exception, polymer materials are foreign to the bone body recognized and as such remain tissue-encapsulated. This Er, which is to be regarded as a first stage of rejection Appearance leads in the case of permanently loaded prostheses divide in the bone implant transition area for expansion the connective tissue membrane and for loosening and later Rejection of the implanted bone substitute.

Ein völlig andersartiges physiologisches Verhalten zeigen die bioaktiven Implantationsmaterialien, z. B. die bioak tiven Calciumphosphat-Keramiken, die je nach Zusammensetzung mehr oder weniger biodegradabel bzw. resorbierbar sind. Sie geben im Zuge ihres chemischen Abbaues an das umliegende Ge webe Stoffe ab, die die Knochenbildung nicht stören, sondern im Gegenteil eine Calcifizierung des Knochengewebes un mittelbar auf der alloplastischen Oberfläche zulassen oder sogar stimulieren.Show a completely different physiological behavior the bioactive implant materials, e.g. B. the bioak tive calcium phosphate ceramics, depending on the composition are more or less biodegradable or absorbable. they give in the course of their chemical degradation to the surrounding Ge weave substances that do not interfere with bone formation, but on the contrary a calcification of the bone tissue un allow indirectly on the alloplastic surface or even stimulate.

Der Begriff "bioaktiv" beinhaltet also per definitionem eine gewisse chemische Reaktion des Werkstoffes mit den Knochen zellen. So wünschenswert diese Eigenschaften für eine direk te Knochenimplantatverbundbildung ist, so schließt sich doch eine alleinige Verwendung dieser Werkstoffe für ein Dauer implantat aus. Ein weiterer Nachteil dieser bioaktiven Ke ramik ist ihre relativ geringe mechanische Festigkeit, die ebenfalls einer alleinigen Verwendung für hochbelastete Endoprothesen entgegensteht. Daher wurden die eingangs er wähnten Knochenersatzwerkstoffe entwickelt, die aus einer nicht resorbierbaren Kunststoff-Matrix bestehen, in die Partikel aus Biokeramik eingelagert sind. Für viele Anwen dungsfälle läßt jedoch die mechanische Festigkeit dieses Werkstoffes, insbesondere nach Resorption des Keramikan teils, immer noch zu wünschen übrig.The term "bioactive" therefore includes one by definition certain chemical reaction of the material with the bones cells. So desirable these properties for a direct te bone implant composite formation, so it closes sole use of these materials for a period of time implant out. Another disadvantage of this bioactive Ke ramic is its relatively low mechanical strength, which also a sole use for highly stressed Endoprosthesis opposes. Therefore, he was the beginning mentioned bone replacement materials developed from a non-absorbable plastic matrix exist in the Particles from bioceramics are embedded. For many users However, the mechanical strength leaves this case Material, especially after resorption of the ceramic partly, still to be desired.

Aus der DE-OS 25 46 824 ist es auch bereits bekannt, ein metallisches Prothesenstück mit bioaktiven Substanzen zu beschichten, indem das Prothesenwerkstück mit mindestens einer Emaille- oder emailleähnlichen Trägerschicht überzogen wird, in die dann die bioaktiven Substanzen eingebracht werden. Dabei nimmt man zur Erreichung einer ausreichenden Haftfestigkeit den schwerwiegenden Nachteil der Verwendung einer Emailleschicht in Kauf, die mit der Biokeramik inkom patibel ist und unvermeidlich zu gewebefeindlichen Zerset zungsprodukten führt. Es wurde nicht erkannt, daß sich eine stabile Verbindung zwischen Biokeramik und Metall auch bei Verzicht auf Emaille oder emailleähnlichen Zwischenschichten erreichen läßt. Bisher ging man davon aus, daß ein Verbundwerkstoff aus Biokeramik mit anderen Materialien als Polymerwerkstoffe entweder als Knochenersatzwerkstoff un geeignet ist oder nicht hergestellt werden kann.From DE-OS 25 46 824 it is also known a metallic prosthesis piece with bioactive substances coat the prosthesis workpiece with at least coated with an enamel or enamel-like carrier layer into which the bioactive substances are then introduced will. Thereby one takes to achieve a sufficient Adhesion strength the serious disadvantage of use an enamel layer that is compatible with the bioceramic ink is patible and inevitable to tissue-hostile decomposition leads products. It was not recognized that a stable connection between bioceramics and metal also at No enamel or enamel-like intermediate layers can be achieved. So far it was assumed that a Bioceramic composite with materials other than Polymer materials either as bone substitute and un is suitable or cannot be produced.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen im plantierbaren Knochenersatzwerkstoff zu schaffen, der die Bioaktivität von Calciumphosphat-Keramiken besitzt und außerdem eine im Vergleich zu den bekannten Implantaten wesentlich höhere mechanische Festigkeit und chemische Sta bilität, insbesondere chemische Langzeitstabilität auf weist.The invention is based on the object in to create implantable bone substitute material that the Possesses bioactivity of calcium phosphate ceramics and also one in comparison to the known implants much higher mechanical strength and chemical sta stability, especially long-term chemical stability points.

Es hat sich gezeigt, daß diese Aufgabe durch einen Knochenersatzwerkstoff gelöst ist, bei dem die Calcium phosphat-Keramik in Form von gleichmäßig verteilten Parti keln der Größenordnung zwischen 20 und 100 µm in einer Me tallmatrix eingelagert ist, wobei der Volumenanteil an Cal ciumphosphat-Keramik in dem Metall zwischen 10 und 30% liegt. Auf einen bevorzugten Weg zur Herstellung solcher Knochenersatzwerkstoffe weist der Unteranspruch 2 hin.It has been shown that this task by a Bone replacement material is dissolved in which the calcium phosphate ceramic in the form of evenly distributed parts of the order of magnitude between 20 and 100 µm in one measurement tallmatrix is embedded, the volume fraction of Cal ciumphosphate ceramic in the metal between 10 and 30% lies. In a preferred way to manufacture such Sub-claim 2 indicates bone substitute materials.

Der erfindungsgemäße Knochenersatzwerkstoff nützt die che mische und mechanische Stabilität der gewebeverträglichen Metalle, z. B. des Titans, und kombiniert diese erwünschten Eigenschaften mit der für die Knochenneubildung und Bildung des Knochenverbundes so wichtigen Bioaktivität von gesinter ten Calciumphosphat-Keramiken. Durch Mischung oder Kombina tion verschiedener Calciumphosphat-Keramiken läßt sich sogar eine abgestufte Resorbierbarkeit erzeugen.The bone replacement material according to the invention uses the che mix and mechanical stability of the tissue compatible Metals, e.g. B. of titanium, and combines these desired Properties with those for new bone formation and formation of the bone composite so important bioactivity of sintered calcium phosphate ceramics. By mixing or combining tion of various calcium phosphate ceramics can even create a graded absorbability.

Der erfindungsgemäße Knochenersatzwerkstoff läßt sich durch entsprechende Formgebung für vielfältige Anwendungsgebiete auf dem Gebiet der Implantologie, z. B. als Knochendefekt überbrückungsmaterial, als Befestigungs- und Verschraubungs element zur Verankerung belasteter Gelenkendoprothesen oder implantierbarer Zähne usw. verwenden. Insbesondere zeigt sich der mit dem er findungsgemäßen Werkstoff gegebene technische Fortschritt in denjenigen Anwendungsfällen, bei denen hohe örtliche Belastun gen auftreten.The bone replacement material according to the invention can be appropriate design for a wide range of applications in the field of implantology, e.g. B. as a bone defect bridging material, as fastening and screwing element for anchoring loaded joint endoprostheses or implantable Use teeth, etc. In particular, the one with which he shows up material according to the invention given technical progress those applications in which high local loads gene occur.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Er findung gehen aus derOther features, advantages and possible uses of the Er go out of the

Fig. 1 hervor, in der die Metall-Matrix 1 in gleichmäßiger Verteilung feinpartikuläre Einlagerungen 2 aus gesinterter Calciumphosphat-Keramik enthält. Fig. 1 shows in which the metal matrix 1 contains in a uniform distribution fine particulate inclusions 2 made of sintered calcium phosphate ceramic.

Fig. 2 zeigt eine viskoelastische Form zur Herstellung des er findungsgemäßen Werkstoffs durch isostatisches Pressen und an schließendes Sintern oder durch isostatisches Heißpressen. Fig. 2 shows a viscoelastic form for producing the material according to the invention by isostatic pressing and subsequent sintering or by hot isostatic pressing.

Gegenüber der bekannten Verwendung poröser Titanimplantate be sitzt der erfindungsgemäße Knochenersatzwerkstoff u. a. die ent scheidenden Vorteile,Compared to the known use of porous titanium implants sits the bone replacement material according to the invention u. a. the ent outgoing benefits,

- daß die Primärfixierung durch die bioaktiven Anteile in sehr kurzer Zeit erfolgt (je nach Implantationsort, Alter des Pa tienten usw. in wenigen Tagen)
- daß die bei porösen Werkstoffen der bekannten Art gefürchtete Penetration von Blut in dem Implantatkörper, die die Einspros sung von Knochengewebe verhindert, hier nicht eintreten kann
- daß die Bildung von calcifiziertem Gewebe (Knochen) auch in den tieferliegenden Implantatbereichen erfolgt.- That the primary fixation by the bioactive components takes place in a very short time (depending on the implantation site, age of the patient, etc. in a few days)
- That the dreaded penetration of blood in the implant body, which prevents the ingress of bone tissue, cannot occur here in the case of porous materials of the known type
- That the formation of calcified tissue (bone) also takes place in the lower implant areas.

Die Calciumphosphat-Keramik besteht in dem hier beschriebenen Beispiel aus einer Mischung von Tri- und Tetracalciumphosphat, die eine abgestufte Resorbierbarkeit besitzt, weil die Tri calciumphosphatkomponente vollständig, die Tetracalciumphosphat komponente dagegen kaum resorbierbar ist. Durch diese Maßnahmen behält der Knochenersatzwerkstoff auf Dauer seine bioaktiven Eigenschaften. Diese Werkstoffart stimuliert den Knochen zu einer direkten Verwachsung mit dem Implantat. Obwohl hier keine der besseren Verzahnung dienenden Hohlräume vorliegen, dürfte diese Ausführungsart der Erfindung überall dort Einsatz finden, wo aus rein geometrischen Gründen grobpartikuläre Einlagerungen in den Randzonen nicht möglich sind; das gilt insbesondere für Klein prothesen, z. B. Zahnimplantate, Fingerprothesen usw. Wichtig ist diese Variante der Erfindung auch zur Herstellung von im plantierbaren Schrauben und Nägeln, die zur Dauerfixierung dienen. Größere Poren sind bei solchen Werkstücken, z. B. im Bereich der Gewindeflanken, aus Funktionsgründen nicht zulässig.The calcium phosphate ceramic consists of the one described here Example from a mixture of tri- and tetracalcium phosphate, which has a graded absorbability because the tri calcium phosphate component completely, the tetracalcium phosphate Component, however, is hardly absorbable. Through these measures the bone replacement material retains its bioactive properties in the long term Properties. This type of material stimulates the bone into one direct adhesion to the implant. Although none of the here cavities that serve better interlocking should be present Embodiment of the invention can be used wherever for purely geometrical reasons, coarse particulate deposits in the Marginal zones are not possible; this is especially true for small prostheses, e.g. B. Dental implants, finger prostheses, etc. Important is this variant of the invention for the production of in Plantable screws and nails, which are used for permanent fixation. Larger pores are in such workpieces, eg. B. in the field of Thread flanks, not permitted for functional reasons.

Der Herstellungsweg wird im folgenden anhand Fig. 2 beschrieben. Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Knochenersatzwerkstoffes wird eine Form 3 aus viskoelastischem Kunststoff verwendet, bei spielsweise aus Silikonkautschuk. In diese Form 3 wird dann eine Mischung aus Metallpulver und feinpartikulärem Tricalciumphosphat pulver 2, eventuell gemischt mit Tetracalciumphosphatpulver, ein gebracht und sodann das Pulver durch isostatisches Pressen ver dichtet. Zur Erzielung der notwendigen Stabilität des Implantat werkstoffes wird der Preßling anschließend in einer Inertgas atmosphäre, beispielsweise in Argon, bei 800 bis 1000°C dicht gesintert. Der so verdichtete Preßling wird dann mechanisch nach bearbeitet, um das Implantat auf das erforderliche Maß zu bringen.The production route is described below with reference to FIG. 2. A mold 3 made of viscoelastic plastic, for example made of silicone rubber, is used to produce a bone replacement material according to the invention. In this form 3 , a mixture of metal powder and fine particulate tricalcium phosphate powder 2 , possibly mixed with tetracalcium phosphate powder, is brought in and then the powder is sealed by isostatic pressing. To achieve the necessary stability of the implant material, the compact is then densely sintered in an inert gas atmosphere, for example in argon, at 800 to 1000 ° C. The compact thus compacted is then mechanically processed in order to bring the implant to the required level.

Als weitere pulvermetallurgische Verfahren können das Heißpres sen und das isostatische Heißpressen (HIP) für die Herstellung von Prothesenteilen aus dem erfindungsgemäßen implantierbaren Knochenersatzwerkstoff herangezogen werden.As a further powder metallurgical process, the hot pressing and isostatic hot pressing (HIP) for manufacturing of prosthesis parts from the implantable according to the invention Bone replacement material can be used.

Beim isostatischen Heißpressen z. B. wird vorteilhafterweise eine Form aus einer dünnen Stahlfolie gebildet. In diese Form wird ein Gemisch aus Metallpulver und feinpartikulärem Calcium phosphat eingefüllt, die Form wird evakuiert und zugeschweißt. Bei erhöhter Temperatur wird die Form einem hohen Gasdruck aus gesetzt, der die Verdichtung des eingefüllten Pulvers zu einem kompakten Bauteil bewirkt. Anschließend wird die Folie abgelöst.When hot isostatic pressing z. B. will be advantageous a shape formed from a thin steel foil. In this form becomes a mixture of metal powder and fine particulate calcium Poured in phosphate, the mold is evacuated and sealed. At elevated temperature, the mold becomes subject to high gas pressure set, the compression of the filled powder into one compact component causes. The film is then removed.

Die an sich bekannten Verfahren des Heißpressens und des iso statischen Heißpressens lassen sich zur Herstellung der erfin dungsgemäßen Werkstoffe auch in folgender Weise ausführen:The known methods of hot pressing and iso Static hot pressing can be used to manufacture the inventions Execute materials according to the invention in the following way:

Zunächst wird der Kern aus massivem Metall, z. B. Titan, mit feinpartikulären Einlagerungen hergestellt, sodann schließt sich als nächster Arbeitsgang das Verdichten des Pulvers in der zuvor beschriebenen Weise an.First the core is made of solid metal, e.g. B. titanium with finely particulate deposits, then closes the next step is to compact the powder in the previous one described way.

Claims

1. Implantierbarer Knochenersatzwerkstoff auf der Basis von vollständig oder teilweise resorbierbaren, in einem Ma trixmaterial aus gewebeverträglichem Material eingelager ten Partikeln aus bioaktiver, gesinterter Calciumphos phat-Keramik der Zusammensetzung CaO: P₂O₅ zwischen 3 : 1 und 4 : 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Calcium-Phos phat-Keramik in Form von gleichmäßig verteilten Parti keln (2) der Größenordnung zwischen 20 und 100 µm in einer Metallmatrix eingelagert ist, wobei das Volumen an Calciumphosphat-Keramik in dem Metall zwischen 10 und 30% liegt.1. Implantable bone substitute material on the basis of completely or partially resorbable particles in a matrix material made of tissue-compatible material made of bioactive, sintered calcium phosphate ceramic of the composition CaO: P ₂ O ₅ between 3: 1 and 4: 1, characterized in that the calcium-Phos phosphate ceramic angles in the form of uniformly distributed Parti (2) the order of magnitude between 20 and 100 microns is incorporated into a metal matrix, wherein the volume of calcium phosphate ceramic in the metal is between 10 and 30% is located.

2. Verfahren zur Herstellung von Knochenersatzwerkstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine feindisperse Mischung aus Metallpulver mit feinpartiku lärem Calciumphosphat durch Heißpressen oder isostati sches Heißpressen verdichtet wird und der Preßling an schließend in einer Inertgasathmosphäre bei 800 bis 1000°C dicht gesintert wird.2. Process for the production of bone substitute materials according to claim 1, characterized in that a finely dispersed mixture of metal powder with fine particles calcium phosphate by hot pressing or isostati hot pressing is compacted and the compact closing in an inert gas atmosphere at 800 to 1000 ° C is densely sintered.