DE3814467A1

DE3814467A1 - Knochenfuellmaterial aus hydroxylapatit

Info

Publication number: DE3814467A1
Application number: DE3814467A
Authority: DE
Inventors: Kiminori Atsumi
Original assignee: Dental Chemical Co Ltd
Current assignee: Dental Chemical Co Ltd
Priority date: 1987-08-26
Filing date: 1988-04-28
Publication date: 1989-03-09
Also published as: IT1217575B; JPS6456056A; GB2209000A; IT8820552A0; FR2619720A1; JPH0362104B2; GB2209000B; US4960426A; CA1300028C; FR2619720B1; DE3814467C2; GB8806936D0

Description

Die Erfindung betrifft säulenförmigen, gesinterten Hydroxyl apatit, der mindestens eine Kapillare aufweist, die in senk rechter Richtung durch den säulenförmigen, gesinterten Hydro xylapatit hindurchgeht, und für die Verwendung als Knochen füllmaterial bestimmt ist.

Biomaterialien, die für künstliche Knochen und Zähne verwen det werden, müssen Bioaffinität und eine geeignete mechani sche Festigkeit besitzen. In den letzten Jahren kam es zur Verwendung von keramischen Werkstoffen wie z.B. Aluminiumoxid, Porzellan und Hydroxylapatit als Füllmaterialien für künstli che Zahnwurzeln und Knochenverletzungen bzw. -wunden. Der un ter diesen Materialien erwähnte Hydroxylapatit, der den Haupt bestandteil der Knochen darstellt, ist ein in hohem Maße ge eignetes Material, weil er dadurch gekennzeichnet ist, daß er sich direkt mit Knochen verbindet und sich an lebende Gewebe anpaßt. Wenn beispielsweise eine Knochenwunde mit porösen Hy droxylapatitkörnchen gefüllt wird, die durch Formen von mit wäßrigem Wasserstoffperoxid wärmebehandeltem Hydroxylapatit und Sintern des Formkörpers bei 1200°C erhalten worden sind, wird über dem gesamten Bereich der eingefüllten porösen Hydro xylapatitkörnchen sowie in ihren Mikroporen neugebildeter Kno chen beobachtet. Andererseits ist berichtet worden, daß Knochenneubildung nur im Randbereich des Füllgebiets eintritt und in seinem mittleren Bereich kein neugebildeter Knochen gefunden wird, wenn verdichtete Hydroxylapatitkörnchen an Ort und Stelle eingefüllt werden. Dies zeigt, daß der poröse Hy droxylapatit dem verdichteten Hydroxylapatit hinsichtlich der Knochenneubildung überlegen ist. Es ist auch erkannt worden, daß dasselbe für Hydroxylapatitblöcke gilt. Es ist jedoch be richtet worden, daß die verwendeten Hydroxylapatitblöcke ei ne mechanische Festigkeit (Druckfestigkeit) von 1,698 kN/cm² (bei einem 55% betragenden relativen Mikroporenvolumen) bzw. von 3,078 kN/cm² (bei einem 35% betragenden relativen Mikro porenvolumen) hatten. Demzufolge ist die mechanische Festig keit niedrig. Es ist allgemein bekannt, daß Sintern die me chanische Festigkeit von Pulveraggregaten erhöht, jedoch ih re wirksame Gesamtoberfläche, ihr relatives Mikroporenvolumen und ihre Wasseraufnahmefähigkeit vermindert. Wenn Hydroxyl apatit, ein Material mit hoher Bioaffinität, bei erhöhten Tem peraturen gesintert wird, um eine ausreichende mechanische Festigkeit zu erzielen, geht seine Bioaffinität wegen einer Abnahme des relativen Mikroporenvolumens verloren. Bei der Entwicklung von Knochenfüllmaterialien aus Hydroxylapatit ist es folglich eine schwierige Aufgabe, einen Sinterkörper zu er halten, der eine hervorragende Bioaffinität und eine ausge zeichnete mechanische Festigkeit hat. Zur Lösung dieser Auf gabe sind verschiedene Untersuchungen durchgeführt worden. Diese Untersuchungen befaßten sich mit Verbesserungen eines Sinterverfahrens, bei dem das Sintern durch isotropes Heiß pressen nach einem Vorsintern bei Normaldruck durchgeführt wird; mit dem Zusatz von Bindemitteln wie z.B. Phosphaten von Strontium, Calcium und Barium, bioaktivem Glas und stickstoff haltigem Glas zur Herabsetzung der Sintertemperatur; mit der Verwendung von gesinterten Substraten wie z.B. gesinterten Ti tan/Apatit-Kombinationen, Forsterit, verdichtetem Apatit und Zirkoniumdioxid, auf deren Oberflächen Hydroxylapatit aufge bracht wird; mit dem Tränken von porösen keramischen Werkstof fen mit Calcium- und Phosphationen sowie mit dem Sintern von gefülltem Hydroxylapatit. Selbst jetzt werden jedoch in Ab hängigkeit von dem besonderen Zweck selektiv verdichtete und poröse Hydroxylapatite verwendet, und zwar wird verdichteter Hydroxylapatit als Knochenfüllmaterial für Stellen verwendet, auf die eine Kraft ausgeübt wird, während man porösen Hydro xylapatit als Knochenfüllmaterial für Stellen verwendet, auf die keine Kraft ausgeübt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, porösen Hydroxyl apatit bereitzustellen, der eine höhere mechanische Festig keit hat als der gebräuchliche poröse Hydroxylapatit und als Füllmaterial für Knochenwunden verwendet werden kann, ohne daß die auf den Knochen ausgeübte Kraft berücksichtigt wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als Knochenfüllmateri al säulenförmiger, gesinterter Hydroxylapatit verwendet wird, der mindestens eine Kapillare (mindestens ein Kapillarrohr) aufweist, die (das) in senkrechter Richtung durch den säulen förmigen, gesinterten Hydroxylapatit hindurchgeht.

Eine Strangpresse ist an ihrem Auslaß mit einer zylindrischen Form ausgestattet, und es wird dafür gesorgt, daß sich Kapil laren in beliebiger Zahl und in beliebiger Größe durch eine Sieb- oder Brechplatte erstrecken, die zwischen der Strang presse und der Form angeordnet ist. Feinpulverisierter Hydro xylapatit wird mit Wasser mit oder ohne Bindemittel geknetet, bis eine geeignete Härte erzielt worden ist, und in die Strangpresse eingefüllt, durch die der Hydroxylapatit unter Erhitzen und hohem Druck extrudiert wird. Das Extrudat wird mit einem Ziehgerät mit derselben Geschwindigkeit gezogen, mit der es extrudiert wird, und wird während der Abkühlung in eine festgelegte Länge geschnitten, wodurch leicht eine Hy droxylapatitsäule mit einer beliebigen Zahl von Kapillaren, die sich in senkrechter Richtung durch die Hydroxylapatitsäu le hindurch erstrecken, erhalten wird. Der säulenförmige Hy droxylapatit wird bei 800°C bis 1500°C und vorzugsweise bei 1000°C bis 1200°C gesintert, wodurch er porös gemacht wird und eine auf 9,807 kN/cm² oder einen größeren Wert erhöhte mechanische Festigkeit erhält. Es wurde festgestellt, daß die ser Hydroxylapatit für die Verwendung als Knochenfüllmaterial geeignet ist. Das relative Mikroporenvolumen eines bestimmten Körpers wird durch V ₁/V ₂ ausgedrückt, worin V ₁ das gesamte Po renvolumen des Körpers und V ₂ das Gesamtvolumen des Körpers einschließlich der Mikroporen ist. Folglich wird angenommen, daß das relative Mikroporenvolumen des gesinterten und ge formten Hydroxylapatits, der im Rahmen der Erfindung verwendet wird, hauptsächlich durch den Durchmesser und die Zahl der sich in senkrechter Richtung erstreckenden Kapillaren und die geformte Säule festgelegt wird, während seine mechanische Fe stigkeit durch die Sintertemperatur und das relative Porenvo lumen festgelegt wird. Wenn gesinterte und geformte Säulen mit demselben relativen Mikroporenvolumen als Knochenfüllma terialien verwendet werden, wird jedoch festgestellt, daß sie in Abhängigkeit von den Durchmessern der sich in senkrechter Richtung erstreckenden Kapillaren verschiedene Wirkungen auf die Knochenneubildung haben, weil um den Randbereich des ein gefüllten Hydroxylapatits herum sowie in seinen Mikroporen eine Neubildung von Knochen eintritt. Die Sintertemperatur, das relative Mikroporenvolumen und die Durchmesser der Kapil laren, die sich durch den säulenförmigen Hydroxylapatit hin durch erstrecken sollen, können folglich in Abhängigkeit von der gewünschten Beschaffenheit des Knochenfüllmaterials ge wählt werden. Wenn das Sintern mit einer Hydroxylapatitsäule, die eine Höhe von 3 mm und einen Durchmesser von 3 mm hat und in senkrechter Richtung 90 Durchgangslöcher mit einem Durch messer von 150 µm aufweist, bei 1000°C oder 1200°C durchge führt wird, haben die Sinterkörper beispielsweise ein re latives Mikroporenvolumen von 0,22 und eine mechanische Fe stigkeit von nicht weniger als 9,807 kN/cm² bzw. 19,61 kN/cm². Diese Zahlenwerte zeigen, daß der erhaltene Hydroxylapatit eine viel höhere mechanische Festigkeit hat als der vorste hend erwähnte Hydroxylapatit, der mit wäßrigem Wasserstoff peroxid behandelt worden ist. Wenn der säulenförmige, gesin terte Hydroxylapatitkörper einen Durchmesser von mehr als 100 µm und eine Höhe von mehr als 10 µm hat und Kapillaren mit einem Durchmesser von mindestens 10 µm aufweist, die sich in senkrechter Richtung durch den Hydroxylapatitkörper hindurch erstrecken, kann er dann durch mechanisches Formen in ge wünschter Weise verarbeitet werden. Folglich können die Größe des Formkörpers, der Durchmesser und die Zahl der Kapillaren und die Sintertemperatur in Abhängigkeit von der Gestalt des Knochens, auf den das Füllmaterial aufgebracht bzw. angewen det wird, und in Abhängigkeit von dem besonderen Zweck ge wählt werden. Die in dieser Weise hergestellten gesinterten Hydroxylapatitkörper können in Knochenwunden eingefüllt wer den, ohne daß die Beanspruchung, der der Knochen ausgesetzt ist, berücksichtigt wird, weil sie trotz ihrer Mikroporosität eine hohe mechanische Festigkeit besitzen und eine wirksame Knochenneubildung gestatten. Sie können folglich auf eine be liebige Knochenstelle als Knochenfüllmaterialien aufgebracht bzw. angewandt werden.

Den Hydroxylapatitkörpern, die durch Sintern und Formen von säulenförmigen Körpern mit einer beliebigen bzw. irgendeiner Zahl von Kapillaren, die sich durch die Körper hindurch er strecken, erhalten werden, werden durch die Auswahl des Durch messers und der Zahl der Kapillaren und der Sintertemperatur eine gewünschte mechanische Festigkeit und eine gewünschte Mi kroporosität bzw. ein gewünschtes relatives Mikroporenvolumen verliehen. Es ist auf diese Weise leicht möglich, einen Hy droxylapatit zu erhalten, der mikroporös ist und eine hohe me chanische Festigkeit hat. Dieser Hydroxylapatit dient als Kno chenfüllmaterial mit hoher mechanischer Festigkeit und verbes serter Bioaffinität.

Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachste hend durch ein Beispiel näher erläutert.

Beispiel

Eine Hydroxylapatitsäule mit einem Durchmesser von 1 mm und einer Höhe von 1 mm, durch die sich 550 Kapillarrohre mit ei nem Durchmesser von 20 µm erstreckten, wurde bei 1000°C ge sintert, wobei gesinterte Hydroxylapatitkörnchen mit einer mechanischen Festigkeit von 9,807 bis 14,71 kN/cm² erhalten wurden. Die gesinterten Hydroxylapatitkörnchen wurden dann zu Prüfzwecken in eine Bohrung eingefüllt, die im Kieferknochen eines Hundes gebildet worden war. Zur Kontrolle wurden Hydro xylapatitkörnchen, die durch Sintern kapillarfreier Hydroxyl apatitsäulen mit einem Durchmesser von 1 mm und einer Höhe von 1 mm bei 1000°C erhalten worden waren, in gleicher Weise an Ort und Stelle eingefüllt. Nach Ablauf von drei Monaten wurden beide Füllstellen unter einem Elektronenmikroskop be trachtet. Es wurde festgestellt, daß sich innerhalb der Füll stelle bei dem Prüfversuch viel mehr Knochen neu gebildet hat te als bei dem Kontrollversuch.

Durch das Verfahren, bei dem säulenförmige, gesinterte Hydro xylapatitkörper mit mindestens einer Kapillare, die sich durch den Hydroxylapatitkörper hindurch erstreckt, als Kno chenfüllmaterialien verwendet werden, ist es möglich, die me chanische Festigkeit und die Mikroporosität bzw. das relative Mikroporenvolumen der Knochenfüllmaterialien, die leicht her gestellt werden können,beliebig zu wählen. Außerdem haben die erhaltenen Sinterkörper trotz ihrer Mikroporosität eine hohe mechanische Festigkeit und können als Knochenfüllmateri alien mit verbesserter Bioaffinität auf eine beliebige Kno chenstelle aufgebracht bzw. angewandt werden.

Claims

Knochenfüllmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem säulenförmigen, gesinterten Hydroxylapatit und mindestens ei ner Kapillare besteht, die in senkrechter Richtung durch den säulenförmigen, gesinterten Hydroxylapatit hindurchgeht.