DE4332082C2

DE4332082C2 - Mit bioaktiver Keramik beschichtetes chirurgisches Implantat

Info

Publication number: DE4332082C2
Application number: DE4332082A
Authority: DE
Inventors: Yuusuke Arima; Shinich Miyamoto; Kensho Sahira
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1992-09-22
Filing date: 1993-09-21
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2013-09-22
Also published as: US5480438A; JPH06105900A; DE4332082A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein chirurgisches Implantat, das eine metalli sche Implantatbasis und eine bioaktive Keramik-Überzugsschicht hat, die gute Adhäsion an die metallische Implantatbasis zeigt.

Im allgemeinen sind mit bioaktiver Keramik beschichtete Implantate für chi rurgische Zwecke bekannt, bei denen zur Verbesserung der Affinität an Knochen eine metallische Implantatbasis, wie aus rostfreiem Stahl, Co-Cr-Legierung, Ti oder einer Ti-Legierung, mit einer Schicht aus Keramik beschichtet ist, die aus Hydroxyapatit oder Calciumphosphat mit oder ohne einer kleinen Menge von Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Titandioxid gebildet ist (diese Art von Keramik wird als "bioaktive Keramik" bezeichnet).

Unter der bioaktiven Keramik wird am öftesten Hydroxyapatit verwendet, da diese Substanz ausgezeichnete Affinität an Knochen zeigt, da es eine Haupt komponente von Knochen und Zähnen von Lebewesen ist.

Hydroxyapatit kann z. B. aus einem Naßsystem hergestellt werden, in welchem CaHPO₄ und Ammoniumhydrogenphosphat gemischt werden, um miteinander zu reagieren, oder einem Trockenprozeß, bei welchem Ca₃(PO₄)₂ mit CaO in einer Dampfatmosphäre bei hoher Temperatur von nicht weniger als 900°C zur Umsetzung gebracht wird, oder durch einen biologischen Prozeß, bei dem organisches Material aus den Knochen eines Rindes oder eines Pferdes durch Verbrennen oder mittels eines chemischen Mittels entfernt wird. Das so her gestellte Pulver von Hydroxyapatit wird an der Oberfläche eines metallischen Implantats durch Aufsprühen oder Sintern befestigt, so daß es eine poröse Hydroxyapatitschicht auf der metallischen Implantatbasis bildet. Ein chirurgi sches Implantat, das durch diese Arbeitsweise gebildet ist, ist beispielsweise in der japanischen Patentpublikation Nr. 58-39533 gezeigt.

Wenn diese Art von Implantat verwendet wird, wandert Knochenstruktur in die Poren der porösen Hydroxyapatitschicht und vermehrt sich darin, so daß sie einen Verankerungseffekt zeigt und dadurch das Implantat mit dem ursprüng lichen Knochen integriert. Dieses bekannte Implantat hat jedoch die folgenden Nachteile aufgrund der porösen Natur der Hydroxyapatitschicht.

1. Die Haftung zwischen der porösen Hydroxyapatitschicht und der metallischen Implantatbasis ist schlecht, und die mechanische Fe stigkeit derselben ist ebenfalls unzureichend.
2. Metallionen der metallischen Implantatbasis neigen dazu, in Zellen des Knochens eluiert zu werden, was manchmal Krebs hervorrufen kann.

Es wurden verbesserte chirurgische Implantate vorgeschlagen, um diese Nachtei le zu überwinden. Z. B. zeigt die japanische Patentpublikation Nr. 58-50737 ein chirurgisches Implantat mit einer metallischen Implantatbasis, einer aufgesprüh ten Keramikschicht, die durch Sprühen eines Keramikmaterials, wie Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂ und SO₂, auf die Oberfläche der metallischen Basis gebildet ist und keine durchgehenden Poren hat und eine poröse gesprühte Schicht aus Hydroxyapatit, die durch Aufsprühen auf die gesprühte Keramikschicht gebildet ist. Die JP-OS Nr. 63-160666 zeigt ein chirurgisches Implantat mit einer Schicht aus Keramik pulver, die mit einem Metall beschichtet ist, das nur eine geringe biogene Unver träglichkeit mit dem lebenden Körper zeigt, so daß die Elution von Metallionen verhindert wird, und eine poröse Hydroxyapatitschicht, die auf der Keramik- Pulver-Beschichtung gebildet ist.

Diese bekannten Implantate, von denen jedes innere und äußere Keramikschich ten hat, haben die folgenden Nachteile:

Diese Implantate sind im allgemeinen kostspielig aufgrund der Notwendigkeit der Herstellung von Keramikpulver und von metallbeschichtetem Keramikpulver, das mit einem Metall mit geringer biogener Unverträglichkeit gegen den lebenden Körper beschichtet ist, zusätzlich zu Hydroxyapatit. Außerdem neigt die poröse Hydroxyapatitschicht dazu, bei Schlag- oder Stoßeinwirkung getrennt zu werden aufgrund der geringen Festigkeit der Bindung zwischen den Komponenten, was den nicht-zusammenstimmenden Materialeigenschaften zwischen der inneren Schicht, die eine gesprühte Keramikpulverschicht ist, und der äußeren Schicht, die eine poröse Hydroxyapatitschicht ist, zuzuschreiben ist.

Desweiteren läßt sich der Stand der Technik dahingehend zusammenfassen, daß einerseits chirurgische Implantate beschrieben sind, die eine äußere Schicht aus Hydroxyapatit aufweisen, zum anderen eine Reihe von Vorschlägen bekannt sind, die Haftung der äußeren, bioaktiven Hydroxyapatitschicht durch eine Vielfalt von Glaskomponenten (Fensterglas etc.) zu verbessern; vgl. DE-OS 41 31 212, DE-OS 41 26 800, DE-OS 40 09 337, DE-OS 40 20 598, DE OS 39 28 845, DE OS 26 59 591 und US-PS 50 77 132.

Die vorstehenden Probleme sollen durch die folgende Erfindung überwunden werden, die ein chirurgisches Implantat liefert, das so verbessert ist, daß die Adhäsion der Hydroxyapatitschicht an die Basis beträchtlich verbessert ist und bei der die Elution von Metallionen verhindert wird.

Es wurde gefunden, daß die obige Aufgabe durch ein chirurgisches Implantat gelöst wird, das mit einer bioaktiven Keramikschicht beschichtet ist, enthaltend eine metallische Implantatbasis und eine bioaktive Keramikschicht, welche diese metallische Implantatbasis bedeckt, dadurch gekennzeichnet, daß die bioaktive Keramikschicht eine innere bioaktive Keramikschicht aus Hydroxyapatit umfaßt, die zu einem Ausmaß von nicht weniger als 50 Vol-% verglast ist, sowie eine poröse äußere bioaktive Keramikschicht aus Hydroxyapatit, welche diese innere bioaktive Keramikschicht bedeckt.

Gemäß der Erfindung ist die innere Schicht der bioaktiven Keramik zu einem Ausmaß von nicht weniger als 50 Vol-% verglast, da ein Verglasungsausmaß von weniger als 50 Vol-% keine hinreichende starke und dichte Adhäsion der bioaktiven Innenschicht an die Implantatbasis gewährleistet und somit nicht die ausreichende Wirkung zur Verhinderung der Elution, also des Ausblutens von Metallionen, liefert. Außerdem macht ein zu geringes Ausmaß der Verglasung die Struktur porös, was auch die Festigkeit der Bindung beeinträchtigt.

Die mittlere Teilchengröße der verwendeten Teilchen des bioaktiven Keramikma terials beträgt vorzugsweise 5 bis 50 µm, je nach Verglasungstemperatur, da, um weitgehende Verglasung bei kurzen Arbeitszeiten zu erzielen, die Teilchen größe umso kleiner sein soll, je höher die Verglasungstemperatur ist. Daher werden Teilchengrößen von 10 bis 20 µm besonders bevorzugt.

Die pro Minute zugeführte Teilchenmenge hängt einerseits von der Teilchengröße ab, da man pro Zeiteinheit umso mehr zuführen kann, je geringer die Teilchen größe ist und trotzdem hinreichende Verglasung erhält und andererseits von der Verglasungstemperatur und von den angewandten Arbeitsbedingungen. Es läßt sich jeweils durch wenige Vorversuche ermitteln, wieviel man pro Zeiteinheit an Teilchen zuführen kann und trotzdem noch eine hinreichende Verglasung erhält. Im allgemeinen werden Teilchen in einer Menge von 0,5 bis 5 g/min zugeführt, je nach Teilchengröße und Verglasungstemperatur sowie angelegtem Strom und angelegter Spannung.

Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung:

Beispiel

Ein Paar Barren aus reinem Titan von quadratischem Querschnitt, 10 cm breit und 10 cm lang, wurden hergestellt.

Dann wurde ein Plasmasprühstrahl erzeugt, wobei ein Gasgemisch aus Ar und He unter Betriebsbedingungen von 1000 A und einer Betriebsspannung von 37 kV verwendet wurde. Ein Pulver aus Hydroxyapatit mit einer mittleren Teilchen größe von 10 µm wurde in den Plasma-Sprühstrahl in einer Menge von 0,7 g/min eingeführt und somit auf den Barren aus reinem Titan gesprüht, wodurch die innere Schicht aus Hydroxyapatit auf den quadratischen Oberflächen und den Seitenflächen des Ti-Stabes in einer Dicke von 20 µm gebildet wurde. Das Ausmaß der Verglasung der so gebildeten Hydroxyapatitschicht betrug 88 Vol- %.

Es wurde auch ein Plasma unter anderen Arbeitsbedingungen gebildet, wobei die Stromstärke 400 A und die Betriebsspannung 33 kV betrugen und ein Hydroxy apatitpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 15 µm wurde in einer Menge von 2,5 g/min zugeführt und so auf die oben erwähnte innere Hydroxyapatit schicht aufgesprüht, was eine äußere Hydroxyapatitschicht von 30 µm Dicke bildete.

Die äußere Hydroxyapatitschicht hatte ein Ausmaß der Verglasung von 30 Vol- % und war vollständig porös.

Ein Klebstoff wurde auf die äußere Hydroxyapatitschicht auf der quadratischen Oberfläche von einem der Barren aus Reintitan aufgebracht, und beide Ti-Barren wurden durch diesen Klebstoff an ihren quadratischen Stirnflächen miteinander verbunden. Dann wurden beide Barren aus reinem Titan voneinander weggezo gen, um das Ausmaß der Bindefestigkeit zwischen dem Barren aus Reintitan und der Hydroxyapatitschicht gemäß der Erfindung zu messen. Als Ergebnis zeigte sich eine Bindefestigkeit von 88,2 N/cm² (= 0,882 MegaPa).

Die äußere Hydroxyapatitschicht, die auf einer Seitenoberfläche des Barrens aus reinem Titan gebildet war, wurde an eine Seitenoberfläche des anderen Barrens aus reinem Titan durch einen Klebstoff gebunden, und beide Barren aus reinem Titan wurden in entgegengesetzten Richtungen entlang der Längsachse dieser Barren auseinandergezogen, um die Scherfestigkeit zu messen. Die Scherfestig keit betrug 34,3 N/cm² (= 0,343 MegaPa).

Zu Vergleichszwecken wurde eine herkömmliche Hydroxyapatitschicht von 50 µm Dicke mit einem Verglasungsausmaß von 30 Vol-%, die vollkommen porös war, unter den gleichen Bedingungen wie denjenigen zur Bildung der äußeren Hydroxyapatitschicht des oben beschriebenen Beispiels auf den Querschnitts flächen und den Seitenflächen von Barren aus reinem Titan der gleichen Art, wie sie im Beispiel verwendet wurden, gebildet. Die Prüfung der Haftfestigkeit und der Scherfestigkeit ergab 68,6 N/cm² (= 0,686 MegaPa) bzw. 29,4 N/cm² (= 0,294 MegaPa).

Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, daß die gemäß der Erfindung gebildete Hydroxyapatitschicht sowohl in der Haftfestigkeit als auch in der Scherfestigkeit bezüglich dem Metallimplantat ausgezeichnete Eigenschaften hat im Vergleich mit einer herkömmlichen Hydroxyapatitschicht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung hat die innere bioaktive Keramikschicht eine feine Struktur und zeigt eine hohe Haftfestigkeit an die metallische Implantatba sis aufgrund des großen Verglasungsverhältnisses bzw. -ausmaßes von nicht weniger als 50 Vol-%. Gleichzeitig zeigt die innere bioaktive Keramikschicht eine hohe Bindefestigkeit an die äußere poröse bioaktive Keramikschicht. Außerdem verhindert die innere bioaktive Keramikschicht in wirksamer Weise die Elution von Metallionen, während die poröse äußere bioaktive Keramikschicht eine äquivalente Affinität an Knochen des lebenden Körpers aufgrund ihrer porösen Natur zeigt.

Claims

Chirurgisches Implantat, das mit einer bioaktiven Keramikschicht be schichtet ist, enthaltend eine metallische Implantatbasis und eine bio aktive Keramikschicht, welche diese metallische Implantatbasis bedeckt, dadurch gekennzeichnet, daß die bioaktive Keramikschicht eine innere bioaktive Keramikschicht aus Hydroxyapatit umfaßt, die zu einem Ausmaß von nicht weniger als 50 Vol-% verglast ist, sowie eine poröse äußere bioaktive Keramikschicht aus Hydroxyapatit, welche diese innere bioaktive Keramikschicht bedeckt.