DE4040850A1 - Verfahren zur festhaftenden beschichtung von titan-implantaten mit bioglaskeramiken - Google Patents
Verfahren zur festhaftenden beschichtung von titan-implantaten mit bioglaskeramikenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur festhaftenden Beschich
tung von Titan-Implantaten mit Bioglaskeramiken, welche die Her
stellung von bioaktiven und zugleich mechanisch hochstabilen
Implantaten für den Knochenersatz auf verschiedenen chirurgischen
bzw. orthopädischen Gebieten gestattet. Die Anwendung derartiger
Implantate erstreckt sich auch auf spezielle Bereiche der Stoma
tologie und Traumatologie. Zur Anwendung kommen das sich vielfach
bewährte Titan als metallischer Grundkörper und verschiedene,
handelsübliche, d. h. medizinisch getestete, bioaktive Silicat-Glas
keramiken.
Es sind verschiedene Lösungsansätze bekannt, um die hohe mechani
sche Stabilität von bioinerten Metallen mit den Vorzügen von
biokombatiblen bzw. bioaktiven Oxidmaterialien in Form eines
langzeitlich beständigen, aber auch biologisch aktivierenden Im
plantats zu kombinieren und so für den lebenden Knochen die
Voraussetzung für eine wahre Verbundosteogenese zu schaffen.
Die bekannten Materialkombinationen und/oder ihre technologischen
Verfahren zur Realisierung des Materialverbundes sind jedoch
durch verschiedene z. T. entscheidende Nachteile gekennzeichnet,
so daß sie in der implantologischen Praxis als unbefriedigend
angesehen werden müssen oder ihr medizinisches Einsatzfeld
äußerst begrenzt ist.
So sind z. B. aufwendige Klebetechniken für das Verbinden von
kompakten Glaskeramik-Stücken mit metallischen Implantat-Grund
körpern bekannt, die einerseits in medizinischer Hinsicht nicht
unbedenkliche organische Kleber verwenden bzw. andererseits in
der beliebigen geometrischen Ausformung des Implantatkörpers
gemäß dem beabsichtigten Einsatz gewissen technischen Einschrän
kungen unterliegen (DD-PS 2 82 179). Zum Teil werden auch
zusätzlich technologisch aufwendige Preßformen verwendet (DE-PS
34 03 589). In der Patentschrift DE-PS 38 47 583 wird das iso
statische Heißpressen von Hydroxylapatit auf einen Titan-Kern
vorgeschlagen, wobei durch einen anschließenden Ionenbeschuß
eine partielle Entwässerung erzielt wird. Hydroxylapatit ist
jedoch eine Substanz, die resorbiert wird, so daß im medizini
schen Einsatz nach kurzer Zeit jedoch nachteilig wieder das bio
inerte Titan an den lebenden Knochen angrenzt.
In Patenten werden auch apparativ komplizierte und in der geomet
rischen Ausformung des Implantatkörpers stark eingeschränkte und
nur schwer reproduzierbare Schleudertechniken beschrieben (Er
starren von Materialkombinationen unter der Wirkung von Flieh
kräften, wobei z. T. auch Komposite mit Appatitteilchen Verwen
dung finden; JP-P 62 795-83).
Darüber hinaus existieren auch Lösungsansätze, die durch extrem
aufwendige Mehrschritt-Technologien mit Multischichtfolgen zur
Materialparameter-Anpassung (DE-PS 35 16 411) bzw. mit kompli
zierten Drahthilfsgeflechten (DE-PS 36 29 813) zur Schaffung einer
haftfesten Verbindung gekennzeichnet sind.
Zur Beschichtung von in der Prothetik üblichen Metallen sind auch
verschiedene Abscheidungsverfahren aus Gas- bzw. Dampfphase be
schrieben. So entspricht es dem Stand der Technik, daß das zeit
aufwendige Sputtern wohl das Aufbringen gut haftender Schichten
erlaubt, deren Dicke jedoch nur im nm-Bereich liegt. Die Plasma-Sprüh
technik gestattet einerseits das Auftragen von einigen um
starken Oxidschichten (DÖRRE, Biomedizin. Techn. 34 (1989) 46),
andererseits stellt sich jedoch nur bedingt eine hinreichende
Stoß- und Haftfestigkeit ein.
Bisher wurden nur wenige Beschichtungstechniken beschrieben, die
einen weitgehenden Erhalt der chemischen Zusammensetzung und des
gewünschten Phasenbestandes des oxidischen Ausgangsmaterials ge
währleisten (JP-P 1 69 547-86, DE-PS 37 11 426). Diese Verfahren
sind jedoch nur auf den quasieinphasigen, von lebendem Gewebe re
sorbierbaren und damit nur zeitlich begrenzt wirksamen Hydroxyl
apatit beschränkt.
Als bisher ungelöst muß eine technologisch einfache Erstellung
eines Verbundimplantats aus einem Titan-Kernkörper und einer
festhaftenden, allseitigen, zugleich gleichmäßigen und langzeit
stabilen Bedeckung (optimale Dicke: 50-200 µm) aus bioaktiven,
z. T. vielkomponentigen bzw. mehrphasigen Silicat-Glaskeramiken
im Sinne optimierter Kompositmaterialien wie ilmaplant ® L1
(THIEME et. al. Med. aktuell 14 (1988) 304; Information für Ärzte
u. Apotheker; Werk für Techn. Glas Ilmenau) oder BIOVERIT ® I
(DD-PS 2 37 728, Messeinformation, Jenaer Glas), aber auch
Bioglas ® (DE-OS 28 18 630) bzw. Ceravital ® (DE-AS 23 26 100) an
gesehen werden (s. u.a. ONDRACEK et al. CERAMIKA ACTA, Bologna 0
(1989) 7).
Ziel der Erfindung ist es, für die medizinische Prothetik ein
Verfahren zu entwickeln, welches auf technologisch einfache Weise
die allseitige Belegung von Titan-Implantatkörpern mit festhaf
tender bioaktiver Glaskeramik ermöglicht. Durch eine neuartige
Eigenschaftskombination von Bioaktivität, mechanischer und biolo
gischer Langzeitstabilität einschließlich haftfester Verbindung
Metall-Keramik und merklich erhöhter Anpassung der Implantatform
an den medizinischen Einsatz sollen völlig neue Anwendungsgebiete
für die plastische und prothetische Chirurgie erschlossen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein bioaktives und mechanisch
hochbelastbares medizinisches Implantat mit optimal an den Ein
satzzweck angepaßter Form zu erzeugen, welches sich durch einen
haftfesten, feuchtestabilen und zugleich biologisch beständigen
Verbund von dem vielfach bewährten Titan als Grundkörpermetall
und bioaktiven Glaskeramiken mit Langzeitstabilität auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß auf der
Titanoberfläche des Implantat-Grundkörpers aus einer nichtwäßri
gen Suspension der gepulverten Bioglaskeramik eine spezifisch
gewachsene Schicht elektrophoretisch abgeschieden und einer ther
mischen Nachbehandlung unter definiertem Sauerstoffpartialdruck
unterzogen wird. Unter derartigen Bedingungen bildet sich uner
wartet aus dem mit Suspensionsträger-Flüssigkeit durchtränkten
porösen Belag eine in sich stabile Glaskeramik-Schicht mit
festhaftendem Verbund zum Titan-Grundkörper heraus.
Zu diesem Zweck wird zunächst aus dem glaskeramischen Material
ein Pulver mit einer Körnung von vorzugsweise etwa 1 bis 8 µm
hergestellt und daraus mit einer hinreichend hochohmigen organi
schen Flüssigkeit eine stabile Suspension erzeugt, welche dann im
elektrophoretischen Abscheidungsprozeß eingesetzt wird. Unerwar
tet gewährleistet das Verfahren der elektrophoretischen Schicht
bildung und/oder elektrochemischen Entladung an der Titan-Elek
trode aus nichtwäßrigen Suspensionen mit einer speziellen thermi
schen Nachbehandlung einen hochfesten Verbund von Titan-Grundkör
per und mechanisch stabiler, bioaktiver Glaskeramik-Schicht.
Offensichtlich ergeben sich nur durch die Material-Kombination
Titan/Silicat-Glaskeramik in Verbindung mit der Mehrschritt-Techno
logie elektrophoretische Abscheidung/thermische Behandlung
unter Sauerstoff die vorteilhaften Eigenschaften des Glaskeramik-
Metall-Verbundes, wie mechanische Stabilität bzw. Haftfestigkeit
und langzeitliche Bioaktivität der 50 bis 200 µm starken Bio
glaskeramik-Schicht. Vorteilhaft erlaubt das Verfahren die Ver
wendung von Glaskeramiken mit recht unterschiedlichen Komponenten
und auch deutlich verschiedenen Volumenanteilen an Glasphase,
was ebenso eine auf den speziellen Glaskeramik-Typ abgestimmte
thermische Nachbehandlung der Schicht ermöglicht. Bei der
elektrophoretischen Abscheidung bzw. thermischen Nachbehandlung
sind jedoch erfindungsgemäß gewisse Grenzparameter etwa wie
elektrische Mindestspannungen oder Maximalstromdichten bzw.
Temperatur-und Sauerstoffpartialdruck-Bereiche zu beachten.
Das Wesen der Erfindung soll an den in Tab. 1 zusammengestellten
Ausführungsbeispielen erläutert werden. Zur Abscheidung auf Titan
als Kernkörpermaterial werden die bioaktiven, langzeitstabilen
Silicat-Glaskeramiken vom Mehrphasentyp wie z. B. ilmaplant ® L1
und BIOVERIT ® I ausgewählt. Beide Bioglaskeramiken enthalten
SiO2 und Al2O3 bzw. auch MgO.
Zunächst wird die Bioglaskeramik bis auf Korngrößen < 63 µm
zerstoßen und zerrieben. Anschließend erfolgt ein Aufmahlen in
einer Achatkugelmühle (1-2 h), wobei Korngrößen zwischen 1 und
25 µm erreicht werden.
Für die elektrophoretische Abscheidung werden die Titanoberflä
chen vorzugsweise gesandelt oder mit Korund-Schleifpapier gerei
nigt bzw. aktiviert. Der Elektrodenabstand liegt vorzugsweise im
Bereich von wenigen Zentimetern (Ausführungsbeispiele: 2,0 ± 0,5 cm).
Als Gegenelektrode dient rostfreier Stahl (V2A). Die organische
Suspensionsträger-Flüssigkeit sollte in der Versuchsanordnung
keine Stromdichte über 1 µA/cm² an der Titanelektrode zulassen.
Titan kann als Elektrode für die elektrophoretische Abscheidung
sowohl anodisch als auch katodisch geschaltet werden.
Zur Optimierung der Gefügestruktur bzw.- morphologie kann die
thermische Nachbehandlung hinsichtlich der Verfahrensparameter
des Temperatur-Zeitprogramms entsprechend der Zusammensetzung der
Bioglaskeramik spezifisch gestaltet werden. Aufheiz- u. Abkühl
geschwindigkeit sollen nicht größer als 100 K/h sein.
An der getemperten Schicht des Ausführungsbeispieles 5 wurde
mittels Röntgen-Beugungsdiagnostik der gleiche Phasenabstand wie
in der Ausgangskeramik festgestellt.
Claims (7)
1. Verfahren zur festhaftenden Beschichtung von medizinischen
Titan-Implantaten oder einem beliebigen für den implantologi
schen Einsatz geeigneten, titanüberzogenen Grundkörper mit
einer bioaktiven, langzeitstabilen Silicat-Glaskeramik, da
durch gekennzeichnet, daß auf der Titanoberfläche des Implan
tat-Grundkörpers aus einer nichtwäßrigen Suspension der ge
pulverten Bioglaskeramik eine spezifisch gewachsene Schicht
elektrophoretisch abgeschieden und einer speziellen thermi
schen Nachbehandlung unter definiertem Sauerstoffpartialdruck
unterzogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Glasanteile in der Bioglaskeramik von 1 bis 100 Vol.-% be
tragen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim
Aufmahlen der Bioglaskeramik bis zu 5 ma.-% eine aromatische
oder aliphatische Säure zugesetzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als
nichtwäßriger Suspensionsträger eine hochohmige organische
Flüssigkeit hinreichender Viskosität, vorzugsweise
iso-Amylalkohol verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
bei der elektrophoretischen Abscheidung mit elektrischen
Spannungen im Bereich von 40 bis 450 V gearbeitet wird, wobei
die Stromdichten am Titan 2 mA/cm2 nicht übersteigen sollte.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Suspension vor oder auch während des elektrophoretischen Ab
scheidungsprozesses zusätzlich mittels Ultraschallbehandlung
stabilisiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
thermische Nachbehandlung zur Schichtverfestigung bei einer
Temperatur erfolgt, die im Bereich zwischen der Glastransfor
mationstemperatur (Tg) der Glaskomponente der Bioglaskeramik
und 950°C liegt, und unter einem Sauerstoffpartialdruck von
0,5 bis 20 kPa vorgenommen wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4040850A DE4040850A1 (de) | 1990-12-20 | 1990-12-20 | Verfahren zur festhaftenden beschichtung von titan-implantaten mit bioglaskeramiken |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4040850A DE4040850A1 (de) | 1990-12-20 | 1990-12-20 | Verfahren zur festhaftenden beschichtung von titan-implantaten mit bioglaskeramiken |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4040850A1 true DE4040850A1 (de) | 1992-06-25 |
Family
ID=6420823
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4040850A Withdrawn DE4040850A1 (de) | 1990-12-20 | 1990-12-20 | Verfahren zur festhaftenden beschichtung von titan-implantaten mit bioglaskeramiken |
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DE (1) | DE4040850A1 (de) |
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