DE60024309T2

DE60024309T2 - Verfahren zur herstellung von starren vernetzten artikeln

Info

Publication number: DE60024309T2
Application number: DE60024309T
Authority: DE
Inventors: G. Jeffrey MARX; R. Bradley HECKENDORF; R. James JOHNSON; Jeffrey John VENARSKY
Original assignee: Wright Medical Technology Inc
Current assignee: Wright Medical Technology Inc
Priority date: 1999-11-15
Filing date: 2000-07-31
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2020-08-01
Also published as: EP1231951B8; EP1231951A1; ATE310543T1; WO2001036013A1; AU6750600A; DE60024309D1; EP1231951B1; CA2391553A1; AU783249B2; JP2003513879A

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung von Knochenersatzmaterialien und insbesondere poröses Material, das in der Lage ist, das Einwachsen von Knochen in seine Poren zu unterstützen oder zu fördern. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren für die Zubereitung eines starren, vernetzten Artikels, wie beispielsweise eines Knochenersatzmaterials.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Knochenersatzmaterialien sind in der US-Patentschrift Nr. 6,136,029, in EP 0 263 489A und in WO 99/16478 beschrieben. Eine Reihe verschiedener Materialien sind zur Verwendung als Knochenersatzmaterialien vorgeschlagen worden, die von geformten porösen Metallgegenständen, die für das Füllen von schadhaften Stellen um Knie- und Hüftgelenkprothesen herum geeignet sind, einerseits bis zu geformten Keramikmaterialien andererseits reichen. Keramikmaterialien sind im Großen und Ganzen bisher durch ein Sinterverfahren geformt worden, bei dem ein Pulver eines Keramikmaterials wie Zirkoniumdioxid in einer Form zu einer erwünschten Gestalt verdichtet und daraufhin auf Sintertemperaturen erhitzt wird. Die Porosität des dabei entstehenden Materials ist gewöhnlich ziemlich niedrig. Materialien, bei denen Calciumphosphate (beispielsweise: Fluorapatit, Hydroxyapatit und Tricalciumphosphat) verwendet werden, können ebenfalls auf diese Weise gesintert werden, wobei Calciumphosphat die Fähigkeit besitzt, als Substrat für das Knochenwachstum (Osteokonduktivität) zu wirken.
Es ist vorgeschlagen worden, Keramikpulver wie Zirkoniumdioxid und Hydroxyapatit und Fluorapatit und Spinell miteinander zu mischen und die Mischung daraufhin in einer Form zu verdichten und entweder zu sintern oder isostatisch heiß zusammenzupressen unter Bildung eines etwas porösen Keramikmaterials aus Zirkoniumdioxid, das Poren aufweist, die zumindest teilweise mit Hydroxyapatit gefüllt sind. Es wird Bezug genommen auf Tamari et al, US-Patentschrift Nr. 4,957,509 und auch auf Aksaci, D. et al, Porous fluorapatite/spinel Osteoceramic for Bone Bridges (Poröses Fluorapatit/Spinellosteokeramikmaterial für Knochenbrücken), Ceramic Transactions, Band 48, Seite 283 (1995). Es ist auch vorgeschlagen worden, Keramikartikel zu verwenden, die sowohl Abschnitte hoher Porosität als auch niedriger Porosität aufweisen und es wird hier Bezug genommen auf Hakamatsuka et al, US-Patentschrift 5,152,791, Johansson, US-Patentschrift 5,464,440 und Borom, US-Patentschrift 4,237,559. Man vergleiche auch Klawitter et al., US-Patentschrift 4,000,525. Die letztere Literaturangabe betrifft die Verwendung eines Al₂O₃-Schlickers, der durch Brennen zu einem Schwamm aufgeschäumt wird.
Im Großen und Ganzen haben Metall- oder Keramikmaterialien, die als Knochenersatz vorgeschlagen worden sind, eine geringe Porosität aufgewiesen. Im Stand der Technik gibt es Beispiele im Wesentlichen dichter Metalle und Keramikmaterialien mit einer halbporösen Oberfläche, die mit einem Material auf Calciumphosphatbasis gefüllt oder beschichtet ist. Die dabei entstehende Struktur weist einen dichten Metall- oder Keramikkern und eine Oberfläche, die ein Verbundstoff des Kernmaterials und eines Calciumphosphats ist, oder eine Oberfläche auf, die im Wesentlichen aus Calciumphosphat besteht. Die Knochenersatzmaterialien dieses Typs sind im Allgemeinen schwer und dicht und oft wesentlich steifer bezüglich ihrer Struktur als Knochen. Es wird hier Bezug genommen auf die US-Patentschriften 5,306,673 (Hermansson et al.), 4,599,085 (Riess et al.), 4, 626, 392 (Kondo et al.) und 4, 957, 509 (Tamari et al.).
Außer den oben beschriebenen Knochenersatzmaterialien gibt es andere Anwendungen, bei denen die chemischen, Wärme- oder anderen Eigenschaften eines Keramik-, Metall- oder anderen Materials am besten in poröser Form verwendet werden können. Eine Form von starren porösen Materialien mit dieser Anwendungsmöglichkeit ist der vernetzte Schaum. Ein Schaummaterial ist ein solches mit einem hohen Grad an volumetrischer Porosität. Idealerweise ist diese Porosität vollständig offen und vollständig verbunden. Ein allgemeines Verfahren zur Herstellung dieser Materialtypen besteht darin, die Oberflächen eines polymeren Schaums mit einem Schlicker aus Keramikmaterial oder Metall zu beschichten und den Schaum und andere organische Substanzen daraufhin herauszubrennen. Die Keramik- oder Metallbeschichtung wird dann gesintert, um einen starren Schaum mit einer Struktur zurückzulassen, die derjenigen des polymeren Ausgangsschaums weitgehend ähnlich ist. Es gibt zahlreiche Beispiele starrer Zellschäume im bekannten Stand der Technik und Verfahren zur Herstellung dieser Materialien. Man vergleiche beispielsweise die US-Patentschriften Nr. 4,000,525 und 5,061,660. Der bekannte Stand der Technik zur Herstellung starrer Schaummaterialien leidet jedoch an verschlossenen Öffnungen und ist daher nicht in der Lage, eine im Wesentlichen vollständig offene und verbundene Porosität zu erreichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des oben beschriebenen bekannten Stands der Technik zu überwinden. Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von starrem, vernetztem Material, wie beispielsweise einem Knochenersatzmaterial, bereitzustellen, das im Wesentlichen offen und verbunden, bevorzugt vollständig offen und verbunden ist und kleinere Porengrößen aufweisen kann, als es im bekannten Stand der Technik möglich ist. Noch eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen starren, vernetzten Artikel bereitzustellen.
Um die obigen und andere Aufgaben zu erfüllen, ist einer Ausgestaltung der Erfindung gemäß ein Verfahren zur Herstellung eines starren, vernetzten Artikels bereitgestellt worden, der als Knochenersatzmaterial bereitgestellt wird, das folgende Schritte umfasst:

(a) Bereitstellen einer ersten Dispersion eines Keramik- oder Metallpulvers, eines Bindemittels und eines Lösungsmittels;
(b) Bereitstellen eines vernetzten Substrats, das eine offene, verbundene Porosität aufweist;
(c) Kontaktieren des vernetzten Substrats mit der ersten Dispersion zum Beschichten des Substrats mit der Dispersion unter Bildung einer ersten Beschichtung;
(d) Trocknen des beschichteten vernetzten Substrats;
(e) Kontaktieren des beschichteten vernetzten Substrats mit einer oder mehreren zusätzlichen Dispersionen eines Keramik- oder Metallpulvers, einem Bindemittel und einem Lösungsmittel nacheinander unter Bildung einer oder mehrerer zusätzlicher Beschichtungen, wobei jede zusätzliche Dispersion eine Viskosität von weniger als der Viskosität aller vorhergehenden Dispersionen aufweist;
(f) Trocknen der einen oder mehreren zusätzlichen Beschichtungen zwischen den Kontaktierungsschritten;
(g) Erwärmen des beschichteten vernetzten Substrats zu einem Zeitpunkt und bei einer Temperatur, die ausreichen, um irgendwelche organischen Komponenten zu pyrolisieren; und
(h) Sintern des beschichteten vernetzten Substrats unter Bildung eines vernetzten Keramik- oder Metall- oder Verbundstoffartikels.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der starre vernetzte Artikel ein Knochenersatzmaterial und die erste Beschichtung enthält Zirkoniumdioxid, die endgültige Beschichtung enthält Hydroxyapatitcalciumphosphat-Keramikmaterial und eine oder mehrere Zwischenbeschichtungen enthalten eine Kombination von Zirkoniumdioxid und Hydroxyapatitcalciumphosphat-Keramikmaterial.
Einer anderen Ausgestaltung der Erfindung gemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines steifen vernetzten Artikels bereitgestellt worden, das als Knochenersatzmaterial bereitgestellt wird, das folgende Schritte umfasst:

(a) Bereitstellen einer ersten Dispersion eines Metall- oder Keramikpulvers, eines Bindemittels, das beim Trocknen lösungsmittelunlöslich und nachgiebig wird, und eines Lösungsmittels, wobei das Bindemittel in der Dispersion in einer Menge von mindestens 25 Volumen-%, auf das Gesamtvolumen der festen Komponenten der ersten Dispersion auf das Trocknen hin bezogen, vorliegt;
(b) Bereitstellen eines vernetzten Substrats, das eine offene, verbundene Porosität aufweist;
(c) Kontaktieren des vernetzten Substrats mit der ersten Dispersion zum Beschichten des Substrats mit der Dispersion;
(d) Trocknen des beschichteten vernetzten Substrats zum Polymerisieren des Bindemittels und Bilden eines unlöslichen verformbaren Films auf dem Substrat, der darauf hin ohne Rissbilden, Abblättern oder Ablösen von dem Substrat verformt werden kann;
(e) Kontaktieren des beschichteten vernetzten Substrats mit einer oder mehreren zusätzlichen Dispersionen unter Bildung einer oder mehrerer zusätzlicher Beschichtungen, wobei die eine oder mehreren zusätzlichen Beschichtungen gleich oder voneinander und der ersten Beschichtung verschieden sind;
(f) Trocknen der einen oder mehreren zusätzlichen Beschichtungen zwischen den Kontaktierungsschritten;
(g) Erwärmen des beschichteten vernetzten Substrats zu einem Zeitpunkt und bei einer Temperatur, die ausreichen, um irgendwelche organischen Komponenten zu pyrolisieren; und
(h) Sintern des beschichteten vernetzten Substrats unter Bildung eines vernetzten Keramik- oder Metall- oder Verbundstoffartikels.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bindemittel eine Polyacrylatemulsion, die beim Trocknen polymerisiert wird. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform liegt das Bindemittel in der Dispersion in einer Menge von mindestens 50 Volumen-%, auf das Gesamtvolumen der festen Komponenten in der ersten Dispersion auf das Trocknen hin bezogen, vor.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei der genauen Betrach tung der bevorzugten Ausführungsformen, die folgen, offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Artikels auf Keramikbasis, die die kontinuierliche offene Natur der Stützstruktur veranschaulicht;
2 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Artikels auf Keramikbasis, die ein osteokonduktives Material veranschaulicht, das innerhalb der Zwischenräume der stützenden Rahmenstütze geschäumt ist; und
3 ist eine Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die Pfeiler ein Verbundstoff sind, der sowohl die Stütz- als auch die osteokonduktiven Materialien enthält.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Ausgestaltung der Erfindung bietet ein Verfahren, das zu einem starken, offenzelligen Artikel führen kann, der als Knochenersatzmaterial nützlich und äußerst porös ist, so dass er das Einwachsen von Knochen erlaubt, eine geringe Dichte aufweist und in dem ein Material eingeschlossen ist, das das Einwachsen von Knochen unterstützt.
Bei einer Ausführungsform bietet das Verfahren einen offenzelligen Artikel oder ein Retikulum, das eine Außenfläche aufweist, die ein Großvolumen definiert und verbundene Öffnungen aufweist, die sich durch das Volumen hindurch erstrecken und durch die Außenfläche hindurch offen sind. Der Artikel umfasst ein kontinuierliches starkes Stützgerüst, bevorzugt Keramikmaterial, das Pfeiler aufweist, die mehrere miteinander verbundene Zwischenräume durch das Großvolumen hindurch definieren, und eine poröse osteokonduktive Zusammensetzung, die durch das Stützgerüst getragen wird und den verbundenen Öffnungen gegenüber ausgesetzt ist. Die poröse osteokonduktive Zusammensetzung besetzt mindestens einen Teil des gleichen Großvolumens wie die Gerüstkomponente. Wünschenswerterweise bildet das Verfahren Artikel, die Hohlvolumen aufweisen, die im Bereich von 20 % bis 90 % und bevorzugt mindestens 50 % liegen. Des Weiteren beträgt die durchschnittliche Größe der Öffnungen der Stützgerüstkomponente wünschenswerterweise mindestens 50 μm und bevorzugt liegt sie im Bereich von 200 μm bis 600 μm.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform bietet das erfindungsgemäße Verfahren ein Stützgerüst und die osteokonduktive Zusammensetzung, die jeweils kontinuierliche dreidimensionale Strukturen sind, die eine 3-3-Konnektivität aufweisen und mindestens einen Teil und bevorzugt die Gesamtheit des gleichen Großvolumens einnehmen, wobei jede kontinuierliche Struktur verbundene Öffnungen aufweist, die mit den Öffnungen der anderen verbunden sind. Die Osteokonduktivitätszusammensetzung kann innerhalb der Öffnungen des Stützgerüsts bevorzugt als kontinuierliche Phase auf der Oberfläche der Pfeiler getragen werden und Poren der osteokonduktiven Zusammensetzung stehen in Kommunikation mit den Zwischenräumen des Stützgerüsts, können jedoch damit koextensiv sein oder auch nicht.
Bei noch einer anderen Ausführungsform bietet das Verfahren Pfeiler, die aus einer Mischung oder einem Verbundstoff bestehen, die bzw. der das Stützmaterial sowie osteokonduktives Material enthält, wobei das Stützmaterial dem Artikel Festigkeit verleiht und das ostekonduktive Material zumindest teilweise auf der Oberfläche der Zwischenräume derart getragen wird, dass es den verbundenen Öffnungen ausgesetzt wird, um ein osteokonduktives Umfeld zu bieten, das das Knochenwachstum unterstützt.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung wird es vorgezogen, mit der Bildung eines harten, starren, offenen Gerüsts zu beginnen, das Zwischenräume der Größe im Bereich von etwa 50 μm bis etwa 1000 μm und bevorzugt etwa 200 μm bis etwa 600 μm und Hohlvolumen von mindestens etwa 30 %, bevorzugt mindestens etwa 50 % und am bevorzugtesten mindestens etwa 70 % aufweist. Das Material des Gerüsts kann irgendein starren, hartes, biologisch verträgliches Material wie Keramikmaterialien, Metalle und Verbundstoffe wie Zirkoniumdioxid/Hydroxyapatit oder mit Aluminiumoxid verstärktes Zirkoniumdioxid umfassen. Bevorzugt besteht die Stützkomponente aus einem Keramikmaterial, wobei Zirkoniumdioxid und Aluminiumoxid bevorzugt werden.
Bei einem bevorzugten Verfahren wird ein Schlicker aus Keramikmaterial durch Kombinieren eines Keramikpulvers wie Zirkoniumdioxid mit einem organischen Bindemittel und Wasser unter Bildung einer Dispersion hergestellt. Die Pfeileroberflächen eines organischen vernetzten Schaums, wie beispielsweise eines der verschiedenen im Handel erhältlichen Schaumstoffe, die aus Polyurethan, Polyester, Polyether oder dergleichen hergestellt werden, werden mit dem Keramikschlicker benetzt und beschichtet. Das vernetzte Material kann in den Schlicker eingetaucht und dann daraus entfernt und zum Entfernen von überschüssigem Schlicker zum Abtropfen gelassen werden. Falls erwünscht, kann weiterer überschüssiger Schlicker durch irgendeines einer Reihe verschiedener Verfahren, einschließlich des Durchführens des Materials zwischen einem Paar nahe beieinander liegender Walzen oder durch Auftreffen eines Luftstrahls auf das Material entfernt werden. Das Variieren der Schlickerkonzentration, -viskosität und -oberflächenspannung bietet eine Kontrollmöglichkeit bezüglich der Menge an Schlicker, die auf den Schaumstoffpfeiler- Oberflächen zurückgehalten wird. Netzmittel und Viskositätsregulatoren können zu diesem Zweck ebenfalls verwendet werden. Eine umfangreiche Reihe verschiedener vernetzter offenzelliger Materialien, einschließlich natürlicher und synthetischer Schwammmaterialien und gewobener und nicht gewobener Materialien, können verwendet werden, wobei es bei dieser Ausführungsform nur notwendig ist, dass das offenzellige Material es dem Keramikschlickermaterial erlaubt, im Wesentlichen vollständig durch die Öffnungen in der Struktur hindurchzudringen.
Sobald die vernetzten Pfeiler mit Schlicker beschichtet sind, wird das Schlickerlösungsmittel durch Trocknen bei bevorzugt gleichzeitigem schwachem Erhitzen entfernt und die Struktur wird dann auf Sintertemperaturen gebracht, bei denen die Keramikteilchen sich mindestens teilweise aneinander sintern unter Bilden einer steifen, leichten Gerüststruktur, die die Konfiguration der vernetzten Pfeiler nachahmt. Vor Erreichen der Sintertemperaturen wird der mit Schlicker behandelte Schlamm bevorzugt bei einer Temperatur gehalten, bei der das organische Material pyrolisiert oder weggebrannt wird unter Zurücklassen einer unvollständig gesinterten Keramikgerüststruktur, die dann auf die geeignete Sintertemperatur gebracht wird.
Pyrolisierungs- oder Oxidierungstemperaturen für die meisten organischen Materialien liegen im Bereich von etwa 200 °C bis etwa 600 °C. Sintertemperaturen für die meisten Keramikmaterialien, die für diese Erfindung relevant sind, liegen im Bereich von etwa 1100 °C bis etwa 1600 °C und bevorzugte Sintertemperaturen für Metalle liegen im Bereich von etwa 800 bis etwa 1400 °C. Zirkoniumdioxid und Aluminiumoxid oder Verbundstoffe auf der Basis von Zirkoniumdioxid und Aluminiumoxid sind die bevorzugten Keramikmaterialien für die Strukturelemente. Beispiele von Keramikmaterialien für den osteokonduktiven Teil umfassen Calciumphosphate (z.B. Hydroxyapatit, Fluorapatit und Tricalciumphosphat und Mischungen derselben), bioaktive Glasarten, osteokonduktive Zemente und Zusammensetzungen, die Calciumsulfat oder Calciumcarbonat enthalten.
Metalle, die zur Bildung der harten, starken, kontinuierlichen Gerüstkomponente verwendet werden können, umfassen Titan, Edelstahlarten, Kobalt/Chromlegierungen, Tantal, Titannickellegierungen wie Nitinol und andere superelastische Metalllegierungen. Es wird Bezug genommen auf Itin et al., „Mechanical Properties and Shape Memory of Porous Nitinol" (Mechanische Eigenschaften und Gestaltgedächtniseffekt von porösem Nitinol), Materials Characterisation [32], Seite 179–187 (1994); Bobyn et al. „Bone Ingrowth Kinetics and Interface Mechanics of a Porous Tantalum Implant Material" (Knocheneinwachskinetik und Grenzflächenmechanik eines porösen Tantalimplantationsmaterials), Transactions of the 43^rd Annual Meeting, Orthopaedic Research Society, Seite 758, 9.–13. Februar 1997, San Francisco, CA; und auf Pederson et al., „Finite Element Characterization of a Porous Tantalum Material for Treatment of Avascular Necrosis" (Endgültige Elementcharakterisierung eines porösen Tantalmaterials für die Behandlung avaskulärer Nekrose) Transactions of the 43^rd Annual Meeting, Orthopaedic Research Society, Seite 598, 9.–13. Februar 1997, San Francisco, CA.
Metalle können zu einem harten, starken, kontinuierlichen Stützgerüst durch eine Reihe verschiedener Herstellungsverfahren einschließlich Verbrennungssynthese, Aufplattieren auf ein „Schaumstoff"-Substrat, chemisches Aufdampfen (vergleiche US-Patentschrift 5,282,861), Formen mit Wachsausschmelzmodellen (vergleiche US-Patentschrift 3,616,841), Schäumen von geschmolzenem Metall (vergleiche US-Patentschriften 5,281,251, 3,816,952 und 3,790,365) und Replikation vernetzter polymerer Schaumstoffe mit einer Aufschläm mung von Metallpulver, wie für Keramikpulver beschrieben, verformt werden.
Die osteokonduktiven und osteoinduktiven Materialien, die zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind biologisch akzeptabel und umfassen osteokonduktive Materialien wie Collagen und die verschiedenen Formen von Calciumphosphaten, einschließlich Hydroxyapatit, Tricalciumphosphat und Fluorapatit und osteoinduktive Substanzen wie: knochenmorphogene Proteine (z.B. rhBMP-2), entmineralisierte Knochenmatrix, transformierende Wachstumsfaktoren (z.B. TGF-β), Osteoblastzellen und verschiedene andere organische Spezies, die dafür bekannt sind, die Knochenbildung auszulösen. Osteoinduktive Materialien wie beispielsweise BMP können auf erfindungsgemäße Artikel aufgebracht werden, beispielsweise durch Eintauchen des Artikels in eine wässrige Lösung dieses Materials in einer verdünnten Suspension von Collagen vom Typ I. Osteokonduktive Materialien wie TGF-β können auf einen erfindungsgemäßen Artikel aus einer physiologischen Kochsalzlösung aufgebracht werden, die eine wirksame Konzentration an TGF-β enthält.
Das kontinuierliche Stützgerüst, das miteinander verbundene Zwischenräume oder Öffnungen aufweist, kann als das primäre Lastaufnahmeelement betrachtet werden und das osteokonduktive Material ist im Allgemeinen viel schwacher als das Stützgerüst. Das Stützgerüst ist, wie oben erwähnt, bevorzugt aus einem Keramikmaterial wie Zirkoniumdioxid gebildet. Die Gerüststruktur wird derart gebildet, dass die Zwischenräume oder Öffnungen selbst im Durchschnitt breiter sind als die Dicke der Pfeiler, die die benachbarten Zwischenräume trennen. Das Lastaufnahmegerüst ist im Wesentlichen vollständig kontinuierlich und in drei Dimensionen selbstverbunden und der Hohlteil ist ebenfalls im Wesentlichen vollständig kontinuierlich und in drei Dimensionen selbstverbunden. Diese zwei dreidimensiona len miteinander verbundenen Teile sind miteinander verschachtelt. Das kann als 3-3-Konnektivitätsstruktur bezeichnet werden, wobei die erste Zahl sich auf die Anzahl von Dimensionen bezieht, in denen das Lastaufnahmegerüst verbunden ist, und die zweite Zahl auf die Anzahl von Dimensionen bezieht, in denen der Hohlanteil verbunden ist. Der Begriff der Konnektivität wird ausführlicher bei Newnham et al. „Connectivity and Piezoelectric-Pyroelectric Composites" (Konnektivität und pieozoelektrische-pyroelektrische Verbundstoffe), Materials Research Bulletin, Band 13, Seite 525–536 (1978) beschrieben. Bei dem hier beschriebenen Stützgerüst wird das Gerüst selbst als 3 angegeben, da es in 3 Dimensionen verbunden ist, und der Hohlteil wird auf die gleiche Weise behandelt. Im Gegensatz dazu enthalten teilweise gesinterte Ansammlungen von Pulvern unweigerlich isolierte Poren oder Hohlstellen, die nicht mit allen anderen Hohlstellen verbunden sind. Ein Material, bei dem alle Poren in einer dichten Matrix isoliert sind (das heißt Todendporen sind), hätte eine Konnektivität von 3-0. Ein Material, das Poren aufweist, die in einer Dimension vollständig durch die Matrix hindurchgehen, würde eine Konnektivität von 3-1 ergeben und ein Material, das Poren aufweist, die zwei senkrechte Seiten, jedoch nicht die dritte verbindet, hätte eine Konnektivität von 3-2.
Die Größen der Öffnungen in dem Stützgerüst betragen bevorzugt mindestens etwa 50 μm und liegen bevorzugt im Bereich von 200 μm bis etwa 600 μm. Es wird bevorzugt, dass im Wesentlichen keine Poren oder Hohlstellen von weniger als 50 μm vorhanden sind. Man sollte sich im Klaren darüber sein, dass die Öffnungen in dem Stützgerüst eine Unzahl unregelmäßiger Formen aufweisen. Die miteinander verbundenen Öffnungen oder Zwischenräume, durch die biologische Einwachsvorgänge stattfinden können, definieren in drei Dimensionen ein Labyrinth, in dem das Einwachsen von Knochen und die Vaskularisation stattfinden können, das heißt, die Öffnungen weisen viele Abzweigungen mit anderen Öffnungen auf, um auf diese Weise gewundene Pfade durch das Gerüst hindurch zu definieren. Im Allgemeinen glaubt man, dass die Öffnungen, um das Wachstum von Knochen in die Gerüstöffnungen hinein ausreichend zu unterstützen, in der Lage sein müssen, für den Durchgang von Gewebe Platz zu bieten, das Querdimensionen von mindestens etwa 50 μm aufweist. Vom Begriffsstandpunkt aus gesehen ist es zweckmäßig, anzunehmen, dass eine Öffnung von 50 μm in erfindungsgemäßen Materialien in der Lage ist, den Durchgang eines „Wurms" durch dieses hindurch aufzunehmen, der einen runden Querschnitt und einen Querdurchmesser von 50 μm aufweist. Anders ausgedrückt sollte eine Öffnung von 50 μm den Durchgang einer Kugel mit einem Durchmesser von 50 μm durch diese hindurch ermöglichen. Obwohl wir von keiner vollständig zufriedenstellenden Art und Weise für das Messen der Öffnungsgrößen wissen, ist es möglich, eine Rasterelektronenmikrografie eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen Artikels zu untersuchen und ihn als planare Projektion der Struktur zu betrachten, indem man mehrere Linien durch die Mikrografie hindurchzieht, die Öffnungen, die die Linien überschneiden, misst und durchschnittsbildende und Standardabweichungstechniken anwendet, um das Beurteilen der Größe der Öffnungen zu erlauben.
Ein wichtiges Merkmal erfindungsgemäßer Artikel besteht darin, dass die Zwischenräume des Artikels selbst in Gegenwart des osteokonduktiven und/oder osteoinduktiven Materials zumindest teilweise offen bleiben. „Offen" in diesem Sinne bedeutet, dass die Zwischenräume nicht verstopft werden und dass ein Fluid durch den Artikel vollständig von einer Seite auf die andere hindurchgehen kann.
Zirkoniumdioxid und andere Keramikarten sind, wenn sie zum Bilden des Stützgerüsts verwendet werden, äußerst hart und viel starrer als Knochen. Obwohl es wünschenswert wäre, ein Material als Stützgerüst zu verwenden, das einen Elastizitätsmodul aufweist, der demjenigen von Knochen näher liegt, funktionieren erfindungsgemäße Knochenersatzmaterialien, bei denen starre Materialien mit ziemlich offenen Zwischenräumen verwendet werden, gut. Man glaubt, dass der endgültige Zusammenschluss von Knochen und derartigen porösen Artikeln während des Heilungsvorgangs über einen großen Oberflächenbereich und in eine große Tiefe hinein stattfindet, während der vordringende Knochen tief in die Zwischenräume des Artikels hineindringt. Die umfangreiche Grenzfläche zwischen Knochen und Keramikmaterial, die dabei gebildet wird, ermöglicht es Kräften, ohne Weiteres zu und von dem Keramikgerüst unter signifikant geringerer Spannungskonzentration im Vergleich mit einer Struktur zu übertragen zu werden, die durch einen Verbund zwischen Knochen und Keramikmaterial gebildet wird, der innerhalb eines kleinen Bereichs von Oberflächen- zu Oberflächenkontakt und bei kaum einem oder keinem Eindringen des Knochens in den Artikel stattfindet.
Wenn das verwendete osteokonduktive Material ein Keramikmaterial, z.B. ein Calciumphosphat wie beispielsweise Hydroxyapatit, und das Stützgerüst ein Keramikmaterial wie Zirkoniumdioxid ist, so können mehrere dieser Ausgestaltung der Erfindung entsprechende Verfahren bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Artikels verwendet werden. Die Zirkoniumdioxidstützgerüststruktur kann wie oben angegeben durch schichtförmiges Aufbringen eines Schlickers aus Zirkoniumdioxid auf der Oberfläche der Pfeiler eines vernetzten organischen Materials wie beispielsweise eines Polyurethan-, Polyester-, Polyetherschaumstoffs oder dergleichen und darauffolgendes Erhöhen der Temperatur des beschichteten Schaumstoffs zum Entfernen des Schlickerlösungsmittels, zum Pyrolisieren oder Abbrennen des organischen Schaummaterials und schließliches Erhitzen des Keramikmaterials, um zu verursachen, dass die Keramikteilchen mindestens teilweise gesintert werden, hergestellt werden.
Sobald das Keramikgerüst abgekühlt ist, können seine Pfeiler mit einem Schlicker beschichtet werden, der ein Calciumphosphat (z.B. Hydroxyapatit) enthält, wobei letzteres Material eine Beschichtung auf dem Gerüstmaterial bildet, wobei man überschüssigen Schlicker von der Gerüststruktur abtropfen lässt. Da reines Calciumphosphat sich nicht gut an reines Zirkoniumdioxid bindet, kann es wünschenswert sein, dazwischenliegende Schichten bereitzustellen, die einen Anteil beider Materialien enthalten. Das dabei gebildete Material kann wiederum erhitzt werden, um das Schlickerlösungsmittel zu entfernen und, falls erwünscht, das Hydroxyapatitmaterial zu sintern, um zu verursachen, dass Teilchen desselben sich zumindest teilweise verschmelzen. Bei dieser Konfiguration sind die dabei gebildeten Zwischenräume des Stützgerüsts von einer Oberfläche zur anderen offen, und die Zwischenräume des zweiten osteokonduktiven Materials sind kontinuierlich, miteinander und mit den Zwischenräumen der Stützgerüstkomponente verbunden (und damit coextensiv).
Beim Bilden des Artikels dieser Ausgestaltung der Erfindung gemäß kann es wünschenswert sein, die Zirkoniumdioxidgerüstkomponente auf eine Temperatur zu erwärmen, bei der das Schlickerlösungsmittel im wesentlichen ganz entfernt worden ist und ein teilweises Sintern begonnen hat, wobei dieser Zustand als teilweise gesinterte Stufe bezeichnet wird. Zu diesem Zeitpunkt kann ein Hydroxyapatitschlicker oder ein Zirkoniumdioxid- und Hydroxyapatitverbundschlicker aufgebracht, das Schlickerlösungsmittel durch Hitze entfernt und das Zirkoniumdioxid und Hydroxyapatit auf eine Sintertemperatur gebracht und zusammen gesintert werden.
Bei einer Modifikation dieser oben beschriebenen Ausführungsform können dem Schlicker aus Hydroxyapatit Viskositätsregulatoren und ein Schäumungsmittel wie beispielsweise Wasserstoffperoxid oder Druckgas zugegeben werden. Nach Einführen in das Zirkoniumdioxidstützgerüst des Hydroxyapatitschlickers verursacht Erhitzen, dass der Schlicker Blasen wirft und Schaum bildet, derart, dass eine Anzahl kleinerer Poren in der Hydroxyapatitmatrix gebildet werden, wobei die Poren des Hydroxyapatitmaterials trotzdem wesentlich miteinander verbunden, kontinuierlich und mit Poren des Zirkoniumdioxidgerüsts verbunden bleiben.
Bei einer anderen Ausführungsform enthält der Schlicker, der zum Beschichten des polymeren Schaumstoffs und zum Herstellen des Retikulums verwendet wird, Anteile sowohl des Stützgerüstmaterials (wie beispielsweise Zirkoniumdioxid) als auch des osteokonduktiven Materials (wie beispielsweise Hyroxyapatit). Das vernetzte polymere Substrat wird mit Schlicker beschichtet und man lässt den Überschuss abtropfen. Weiterer überschüssiger Schlicker wird durch Hindurchführen des Artikels durch Quetschwalzen oder durch Auftreffenlassen von Druckluft auf den Artikel entfernt. Das dabei gebildete Material wird erhitzt, um Lösungsmittel zu entfernen, die organischen Bestandteile zu pyrolisieren und die beiden Komponenten des Verbundstoffs gleichzeitig zu sintern. In dem Zirkoniumdioxid-Hydroxyapatitsystem ist das osteokonduktive Material bevorzugt in einem Bereich von bis zu etwa 50 Volumenprozent und noch bevorzugter etwa 10 bis 25 Volumenprozent, auf das gesamte Zirkoniumdioxid/Hydroxyapatitvolumen bezogen, vorhanden, wobei ausreichend osteokonduktives Material verwendet wird, um eine osteokonduktive Fläche bezüglich des wachsenden Knochens bereitzustellen. Bei geeigneten Strukturen können beispielsweise 25 Volumenprozent Hydroxyapatit und 75 Prozent YSZ (durch Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumdioxid) verwendet werden. Der vernetzte Artikel, der so gebildet wird, weist Pfeiler auf, die aus einer innigen Mischung der beiden Materialien bestehen. Der Hydroxyapatit kann als sehr kleine Inseln auf der Oberfläche der Zirkoniumdioxidpfeiler auftreten. Auf jeden Fall bleibt bei dieser Ausführungsform das osteokonduktive Material den Öffnungen des Artikels gegenüber ausgesetzt, um eine osteokonduktive Wirkung mit Bezug auf den eindringenden Knochen zu bieten.
Wenn die Gerüstkomponente aus Metall besteht, kann das aus zwei Teilen bestehende System mit verbundenen Poren auf die gleiche Weise gebildet werden, wie wenn die Gerüstkomponente aus Keramikmaterialien besteht, das heißt das osteokonduktive Material kann innerhalb der Pfeiler eingearbeitet oder schichtförmig auf die Wände der Metallpfeiler aufgebracht oder innerhalb der Zwischenräume aufgeschäumt und gesintert werden. Die unten in Verbindung mit den anderen Ausgestaltungen der Erfindung beschriebenen Verfahren können auch zum Bilden der Knochenersatzmaterialien verwendet werden.
Die erfindungsgemäßen Knochenersatzmaterialien können in den geeigneten Konfigurationen zur Verwendung als Knochenersatz durch mehrere Verfahren gebildet werden. Bei einem bevorzugten Verfahren wird ein organisches Material mit offenen Zwischenräumen, wie ein vernetzter Polyurethanschaumstoff, einfach unter Anwendung gewöhnlicher Schneideinstrumente wie beispielsweise einer Schere, einem chirurgischen Messer, Heißdrahtschneidevorrichtungen und dergleichen zerschnitten, bis er die erwünschte Konfiguration aufweist. Das so konfigurierte Schaummaterial wird bei irgendeiner der obigen Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Artikels verwendet. Bei einem anderen Verfahren wird ein organischer Schaumstoff, wie derjenige, auf den oben Bezug genommen worden ist, mit einem Zirkoniumdioxid- oder anderen Keramikschlicker beschichtet und erhitzt, um Lösungsmittel zu entfernen und das Keramik material in den „grünen" Zustand umzuwandeln, zu welchem Zeitpunkt es in die erwünschte Konfiguration geformt werden kann. Bei einem weiteren Verfahren kann ein erfindungsgemäßer Knochenersatz, der vollständig gesintert worden ist, durch maschinelle Standardbearbeitungsverfahren wie Sägen und Schleifen, Wasserstrahl- oder Laserschneiden usw. geformt werden.
Wenn das Stützgerüst des Artikels aus Metall besteht, kann es durch geeignetes maschinelles Bearbeiten in die erwünschte Form verformt werden, bevor ein osteokonduktives oder osteoinduktives Material eingeführt wird. Es wird in Betracht gezogen, dass die Poren eines Metallmaterials zuerst mit Wachs gefüllt werden können und die dabei entstehende Struktur eingefroren wird, so dass das Wachs die Metallstruktur während des maschinellen Bearbeitens stützt, woraufhin das Wachs einfach geschmolzen wird, um es dem Wachs zu ermöglichen, herauszufließen. Dieser Vorgang kann besonders dann nützlich sein, wenn die Metallgerüstkomponente eine sehr dünnwandige Struktur mit großen Hohlstellenöffnungen umfasst, deren Pfeiler dementsprechend ohne Weiteres unabsichtlich verbogen werden können.
Die durch die vorliegende Erfindung hergestellten Artikel können des Weiteren zusammen mit anderen Materialien, wie beispielsweise dichteren Strukturelementen, unter Bildung von Knochenprothesen, wie in der US-Patentschrift Nr. 6,136,029 beschrieben, verwendet werden.
Diese Ausgestaltung der Erfindung kann unter Bezugnahme auf die folgenden nicht einschränkenden Beispiele noch besser verstanden werden:
BEISPIEL 1
Ein Zirkoniumdioxidschlicker wurde durch Kombinieren der folgenden Bestandteile und gründliches Mischen derselben in einer Kugelmühle in einem Polyethylenbehälter unter Anwendung von Zirkoniumdioxidmedium zubereitet:
Stücke von vernetztem Polyester-Polyurethanschaum mit 25,4–205,2 Poren pro cm (10–80 Poren pro Zoll) (Stephenson and Lawyer) wurden in den obigen Schlicker eingetaucht und wiederholt zusammengedrückt, um darin eingeschlossene Luftblasen zu entfernen. Die Schaumstoffe wurden aus dem Schlicker entfernt und man ließ den überschüssigen Schlicker abtropfen. Weiterer überschüssiger Schlicker wurde durch mehrmaliges Hindurchführen der Schaumstoffe zwischen einem Paar Edelstahlquetschwalzen entfernt. Die dabei entstehenden Stücke ließ man bei Raumtemperatur trocknen, gefolgt vom Trocknen bei Temperaturen bis zu 100 °C an der Luft. Als die Stücke trocken aussahen, wurden sie erhitzt, um organische Substanzen (Bindemittel, Dispergiermittel, Tensid, Schaumverhinderungsmittel und vernetzten Polymerschaumstoff) zu pyrolisieren und entfernen und dann wurden sie bei einer Temperatur von etwa 1400 °C eine Stunde lang gesintert. Der bevorzugte Wärmezyklus für Obiges involviert das Erhöhen der Temperatur der Stücke mit einer Geschwindigkeit von 2 °C pro Minute auf 600 °C, das Halten der Temperatur für zwei Stunden bei 600 °C und das darauffolgende Erhöhen der Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 5 °C pro Minute auf 1400 °C, mit einem einstündigen Halten bei dieser Temperatur. Der Ofen wird daraufhin mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 °C pro Minute auf Raumtemperatur abgekühlt.
Das dabei gebildete Produkt war ein starkes, poröses Zirkoniumdioxidgerüst oder Retikulum von Zirkoniumdioxid von leichtem Gewicht mit einem Hohlstellenvolumen von etwa 76 %. Das Gerüst wurde dann mit einem Schlicker beschichtet, der sowohl Zirkoniumdioxid als auch Hydroxyapatit enthielt. Der Schlicker wurde durch Kombinieren und Mischen in einer Kugelmühle der obigen Bestandteile, wie oben beschrieben, zubereitet:
Der Hydroxyapatit lieferte 25 Volumen-% des kombinierten Hydroxyapatits und Zirkoniumdioxids.
Stücke des Zirkoniumdioxids, die wie oben beschrieben zubereitet worden waren, wurden in den Schlicker eingetaucht und zum Entfernen von Luftblasen und Sicherstellen einer vollständigen Durchdringung der Öffnungen mit Schlicker mechanisch gerührt. Man ließ überschüssigen Schlicker abtropfen und weiterer Schlicker wurde mit einem Strahl von Druckluft entfernt. Die Stücke wurden getrocknet und ihre Temperatur wurde dann mit einer Geschwindigkeit von 5 °C pro Minute auf eine Sintertemperatur von 1400 °C erhöht und sie wurden eine Stunde lang bei dieser Temperatur gehalten. Das dabei gebildete Produkt umfasste ein starkes Keramikgerüst aus Zirkoniumdioxid, dessen Pfeiler eine Oberflächenschicht aufwiesen, die aus 75 Volumenprozent Zirkonium dioxid und 25 Volumenprozent Hydroxyapatit bestand. Die Struktur dieses Produkts ist in 1 veranschaulicht und man beachte die offene Natur des stützenden Zirkoniumdioxidstützgerüsts und die 3-3-Konnektivität des Gerüsts und des Hydroxyapatits.
Falls erwünscht, können eine zusätzliche Schicht oder zusätzliche Schichten der obigen Struktur zugegeben werden. Beispielsweise wurden bei einer Ausführungsform Proben der obigen Struktur in einen Schlicker eingetaucht, der ungefähr 50 Volumen-% Zirkoniumdioxid und Hydroxyapatit enthielt, man ließ die Proben abtropfen, sie wurden getrocknet und bei über 1400 °C gesintert.
BEISPIEL 2
Dieses Beispiel beschreibt die Zubereitung eines Verbundstoffstützgerüsts aus Zirkoniumdioxid-Hydroxyapatit, dessen Pfeiler eine Beschichtung aus Hydroxyapatit tragen.
Es wurden zwei Keramikschlicker zubereitet. Der erste, der Zirkoniumdioxid umfasste, das 15 Volumenprozent Hydroxyapatit enthielt und als ZHA-15-Schlicker bezeichnet wird, wurde durch Mahlen in einer Kugelmühle wie in Beispiel 1 unter Anwendung folgender Bestandteile zubereitet:
Der zweite Schlicker, der als HA-Schlicker bezeichnet wird, wurde durch Mahlen in einer Kugelmühle unter Anwendung folgender Bestandteile zubereitet:
Proben des vernetzten Polyester-Polyurethanschaumstoffs, der in Beispiel 1 erwähnt wird, wurden wie in Beispiel 1 mit dem ZHA-15-Schlicker beschichtet. Die beschichteten Proben wurden bis zum „grünen" Zustand getrocknet und daraufhin wie in Beispiel 1 zum Entfernen organischer Materialien hitzebehandelt und bei 1400 °C gesintert.
Je nach den relativen Mengen an Zirkoniumdioxid und Hydroxyapatit, die verwendet werden, kann der Hydroxyapatit als kleine „Inseln" auf der Oberfläche der Pfeiler erscheinen; dies ist in 3 veranschaulicht. Ausreichend Hydroxyapatit oder anderes osteokonduktives Material wird verwendet, um die Oberfläche der Pfeiler mit osteokonduktiven Eigenschaften bereitzustellen.
Auf das Abkühlen hin wurden die Proben mit HA-Schlicker beschichtet, getrocknet, zum Entfernen organischer Materialien erhitzt und bei 1400 °C gesintert. Die Pfeiler der dabei gebildeten Struktur bestanden aus einem Kern von teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxidverbundstoff mit 15 Volumenprozent Hydroxyapatit und einer Oberflächenschicht aus Hydroxyapatit.
Einer anderen Ausgestaltung der Erfindung gemäß haben die jetzigen Erfinder gefunden, dass es möglich ist, einen starren vernetzten Artikel bereitzustellen, der eines oder mehrere der Folgenden aufweisen kann: einen höheren Grad an Offenheit und Verbundenheit als es bei bekannten Verfahren möglich ist; sehr feine Porositäten, die höher sind als diejenigen, die bei bekannten Verfahren möglich sind; und mehrfache Schichten des gleichen oder von verschiedenem Material.
Es wird eine Dispersion hergestellt durch Kombinieren eines Metallpulvers oder Keramikpulvers mit einem Bindemittel und einem Lösungsmittel, die daraufhin mit einem vernetzten Substrat in Kontakt gebracht wird, um das Substrat mit der Dispersion zu beschichten. Der Ausdruck „Dispersion" wird als synonym mit dem Begriff „Schlicker", der oben beschrieben ist, dahingehend verwendet, dass beide Begriffe sich auf ein Lösungsmittel beziehen, das ein Keramik- oder Metallpulver, ein Bindemittel und wahlweise Zusatzmittel suspendiert. Nach dem Kontaktieren des Substrats mit der Dispersion wird das Substrat entfernt und man kann es abtropfen lassen, um die Entfernung von überschüssiger Dispersion zu erlauben. Zusätzliche überschüssige Dispersion kann durch Walzen oder einen Strahl von Druckluft, wie oben beschrieben, entfernt werden. Das beschichtete Substrat wird dann getrocknet, um mindestens einen Teil des Lösungsmittels zu entfernen. Das Trocknen kann durch im Stand der Technik allgemein bekannte Arten und Weisen erreicht werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Bindemittel beim Trocknen lösungsmittelunlöslich und nachgiebig. Bevorzugt wird das Bindemittel als relativ große Volumenfraktion der Dispersion verwendet. Die Volumenfraktion kann mindestens 25 Volumen-%, noch bevorzugter mindestens 50 Volumen-%, auf das Gesamtvolumen der festen Komponenten der Dispersion auf das Trocknen hin bezogen, betragen. Die Verwendung eines derartigen Bindemittels, insbesondere in einer relativ großen Volumenfraktion, bietet einen unlöslichen nachgiebigen Film auf dem Substrat, der daraufhin ohne wesentliches Rissbilden, Abblättern oder Ablösen von dem Substrat verformt werden kann. „Ohne wesentliches Rissbilden, Abblättern...", wie es hier verwendet wird, bedeutet, dass auf das Verformen hin weniger als 10 Gew.-%, bevorzugt weniger als 5 Gew.-%, auf das Trockengewicht der Beschichtung bezogen, und noch bevorzugter keine Beschichtung von dem Substrat entfernt wird/werden. Ein bevorzugtes Bindemittel ist eine Polyacrylatemulsion, die sich beim Trocknen polymerisiert. Obwohl das Aushärten (z.B. Polymerisieren) durch Trocknen bevorzugt wird, kann irgendeine andere Möglichkeit des Aushärtens wie beispielsweise die Verwendung von Katalysatoren, Strahlung oder Gelbildung zum Auslösen ebenfalls in Betracht gezogen werden. Andere bevorzugte Bindemittel können irgendein Polymer umfassen, das beim Trocknen in dem Trägerlösungsmittel im Wesentlichen unlöslich wird.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform können zusätzliche Beschichtungen zwischen dem ersten Trocknen und vor dem Sintern aufgebracht werden. Spezifisch wird nach dem Trocknen des beschichteten Substrats nach dem ersten Kontaktieren mit der Dispersion das beschichtete Substrat dann mit einer zweiten Dispersion kontaktiert, bei der es sich um die gleiche oder eine andere Zusammensetzung handeln kann. Nach dem Kontaktieren mit der zweiten Dispersion wird die überschüssige zweite Dispersion dann entfernt und das beschichtete Substrat wie oben beschrieben getrocknet. Dies kann mit zusätzlichen Beschichtungen aus Dispersionen wiederholt werden. Was sich dann ergibt, ist ein Substrat, das mehr als eine und bevorzugt 2 bis 6 Beschichtungen aufweist.
Die Verwendung mehrfacher Beschichtungen wird teilweise durch Verwendung von Dispersionen ermöglicht, die eine niedrigere Viskosität aufweisen als diejenigen, die im Stand der Technik verwendet werden. Typische Dispersionen des Stands der Technik weisen im Allgemeinen eine Viskosität auf, die im Größenbereich von 20 Pa.s (20.000 cP) oder höher liegt. Im Gegensatz dazu weisen die erfindungsgemäßen Dispersionen bevorzugt eine Viskosität auf, die 2,5 Pa.s (2500 cP) oder weniger beträgt. Das ermöglicht es, Substrate mit sehr feinen Porositäten mehrere Male zu beschichten, während das Verstopfen der Poren minimiert wird. Die Viskositäten aufeinander folgender Dispersionen können im Allgemeinen gleich oder geringer sein als eine oder mehrere der vorhergehenden Dispersionen. Bei einer Ausführungsform weist jede aufeinanderfolgende Dispersion eine niedrigere Viskosität als die vorhergehenden Dispersionen auf. Bevorzugt beträgt die Viskosität der ersten Dispersion 0,2–2,5 Pa.s (200–2500 cP), die Viskosität der Dispersion der zweiten Beschichtung beträgt 0,1–1,5 Pa.s (100–1500 cP), die Viskosität der Dispersion der dritten Beschichtung beträgt 0,05–0,8 Pa.s (50–800) und die Viskosität der vierten Beschichtung beträgt 0,2 Pa.s (200 cP) oder weniger.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung mehrfacher Beschichtungen kann das direkt oben beschriebene nachgiebige lösungsmittelunlösliche Bindemittel ebenfalls verwendet werden. Die Verwendung eines derartigen Bindemittels bietet den lösungsmittelunlöslichen nachgiebigen Film auf dem Substrat, der daraufhin ohne wesentliches Rissbilden, Abblättern oder Ablösen von dem Substrat, wie oben beschrieben, verformt werden kann. Das ist beim Aufbringen der darauffolgenden Beschichtungen besonders nützlich.
Ein Vorteil mehrfacher Beschichtungen besteht aus einem Artikel, bei dem die ursprünglichen und endgültigen Beschichtungen eine andere Zusammensetzung aufweisen und ein oder mehrere Zwischenbeschichtungen vorliegen, bei denen es sich um einen Verbundstoff der ursprünglichen und endgültigen Zusammensetzung handeln kann, um einen Verbundstoff mit einem funktionellen Gradienten zu bilden. Ein besonders nützlicher Artikel, der bei dieser Ausführungsform gebildet wird, ist einer, bei dem das Kernmaterial (d.h. die ersten Beschichtung) aus Zirkoniumdioxid oder Aluminiumoxid besteht und das Oberflächenmaterial ein osteokondukti ves Keramikmaterial wie beispielsweise ein Calciumphosphatmaterial ist. Diese Ausführungsform ist für den Ersatz von natürlichem Knochen nützlich.
Eine andere nützliche Ausführungsform der Erfindung ist eine, bei der das Kernmaterial aus Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid oder einem anderen Keramikmaterial besteht und das Oberflächenmaterial ein Katalysatormaterial, insbesondere ein Keramikkatalysatormaterial wie beispielsweise Ceroxid oder irgendeiner der Perowskit-Keramikkatalysatoren wie Lanthanstrontiumkobalteisenoxid ist.
Eine andere nützliche Ausführungsform der Erfindung ist eine, bei der das vernetzte Material aus einem wärmebeständigen Material wie Aluminiumoxid oder Mullit hergestellt wird und die Oberfläche mit einer katalytischen Beschichtung wie Platin katalytisch aktiv gemacht wird.
Fasern und/oder Faserkristalle können der Dispersion zugegeben werden, um einen verstärkten gesinterten Artikel bereitzustellen, der eine höhere Biege-, Druck- und/oder Zugfestigkeit aufweist. Es besteht keine Grenze bezüglich der Typen von Fasern oder Kristallfasern, die verwendet werden können, außer der Erfordernis, dass die Fasern oder Kristallfasern fähig sein müssen, den Verfahrensbedingungen, einschließlich der Sintertemperatur, zu widerstehen. Geeignete Fasern und/oder Kristallfasern können Glas, Metall, Keramikmaterialien wie Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid und Kohlefasern usw. umfassen. Die Fasern oder Kristallfasern werden der Dispersion im Allgemeinen zugegeben, bevor das Substrat mit der Dispersion in Kontakt gebracht wird. Die Fasern oder Kristallfasern können nur einer oder mehr als einer der Dispersionen zugegeben werden. Falls die Fasern oder Kristallfasern mehreren Dispersionen zugegeben werden, können sie gleich oder verschieden sein. Eine besonders bevorzugte Dispersion ist eine, die Hydroxyapatit enthält. Die Länge der Fasern oder Kristallfasern wird ausschließlich durch ihre Fähigkeit bestimmt, mindestens teilweise in das Substratinnere eingearbeitet zu werden, was wiederum von der Porengröße des Substrats abhängt. Ein allgemein geeigneter Bereich für die meisten Fasern oder Kristallfasern ist der Mikron- oder sogar der Submikronbereich wie beispielsweise 0,1 bis 100 Mikrometer.
Das Substrat ist ein vernetztes Substrat, das die oben beschriebenen vernetzten offenzelligen Materialien enthalten kann. Das vernetzte Substrat weist eine offene verbundene Porosität (d.h. Öffnungen), bevorzugt eine im Wesentlichen vollständig offene verbundene Porosität und noch bevorzugter eine vollständig offene verbundene Porosität auf. „Offene verbundene Porosität" wird als dahingehend definiert, dass der Hohlstellenanteil im wesentlichen kontinuierlich und selbstverbunden, bevorzugt in drei Dimensionen kontinuierlich und selbstverbunden ist, und das Material, das den Hohlstellenanteil umgibt, ist ebenfalls im Wesentlichen kontinuierlich und mit sich selbst verbunden, bevorzugt vollständig kontinuierlich und bevorzugt in drei Dimensionen mit sich selbst verbunden. Diese zwei dreidimensional verbundenen Teile sind ineinander geschachtelt und weisen bevorzugt die „3-3-Konnektivität" wie für das Stützgerüst beschrieben, auf. Die Poren des Substrats sind offen, indem sie nicht verstopft sind, derart, dass die Dispersion im Wesentlichen vollständig durch das Substrat hindurchgehen und die zur Verfügung stehenden Oberflächen beschichten kann.
Wie oben bemerkt, besteht ein Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, dass Substrate geringerer Porosität verwendet werden können und der dabei gebildete vernetzte Artikel immer noch die offene verbundene Porosität aufweist. Die Substrate können mindestens 50,8, 127, 203,2 oder 254 Poren pro cm (20, 50, 80 oder 100 Poren pro Zoll) oder noch mehr, je nach der spezifischen Anwendung, aufweisen. Geeignete Substrate können polymere Schaumstoffe wie die oben beschriebenen Polyester-, Polyurethan-, Polyetter- und Polyester-Polyurethanschaumstoffe und selbst natürliche Schwämme umfassen. Bevorzugt ist das Substrat „nachgiebig", was als sich bei Anwendung einer Kraft von außen verformend definiert wird. Das verformte Substrat kehrt auf mindestens einen Teil und bevorzugt im Wesentlichen seine gesamte Gestalt vor der Verformung zurück, nachdem die Kraft von außen entfernt worden ist. Bevorzugt ist das Substrat auch benetzbar. Benetzbar wird in diesem Fall als durch das Lösungsmittel als solches benetzbar oder durch Verwendung bekannter Benetzungsmittel benetzbar gemacht definiert.
Bei dem Lösungsmittel kann es sich um irgendeine Flüssigkeit handeln, die in der Lage ist, als Träger für die anorganischen Pulver und das Bindemittel zu wirken und kann Wasser oder organische Lösungsmittel umfassen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird Wasser als Lösungsmittel verwendet. Geeignete organische Lösungsmittel können Ethanol, Methanol, Toluol, Methylethylketon, Aceton, Isopropylalkohol und Xylol umfassen. Die Keramik- und Metallpulver können die gleichen sein wie diejenigen, die oben beschrieben worden sind und die oben beschriebenen osteokonduktiven, osteoinduktiven und katalytischen Materialien umfassen.
Das getrocknete, beschichtete Substrat wird dann für eine ausreichende Zeit und bei ausreichender Temperatur pyrolisiert, um irgendwelche organischen Komponenten zu entfernen. Die Pyrolyse wird im Allgemeinen bei den oben beschriebenen Temperaturen durchgeführt. Nach der Pyrolyse wird der verbleibende Artikel dann für eine Zeit und bei einer Temperatur erhitzt, um den Artikel zu sintern. Das Sintern wird im Allgemeinen bei den oben beschriebenen Temperaturen durchgeführt. Die Konfiguration des gesinterten Artikels hängt von seiner endgültigen Anwendung ab. Beispielsweise wird der Artikel, wenn er als Knochenersatzmaterial verwendet werden soll, die Konfiguration des Knochens oder Knochenfragments, den/das er ersetzt, oder irgendeine andere klinisch relevante Konfiguration aufweisen. Wenn der gesinterte Artikel als Katalysator verwendet werden soll, wird er die geeignete katalytische Konfiguration aufweisen. Der Artikel kann während irgendeiner Stufe, d.h. in der vernetzten Substratstufe, der „grünen" Artikelstufe (d.h. nach dem Trocknen) oder der gesinterten Artikelstufe, wie oben mit Bezug auf die anderen Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben, konfiguriert werden. Der gesinterte Artikel wird bevorzugt auch die im Wesentlichen offene, verbundene Porosität oder Öffnungen, wie oben für die Substrate beschrieben, aufweisen und kann eine Porosität aufweisen, die derjenigen des Substrats identisch ist (d.h. mindestens 50,8, 127, 203,2 oder 254 Poren pro cm (20, 50, 80 oder 100 Poren pro Zoll) aufweisen).
Nach dem Sintern kann der starre Artikel je nach der endgültigen Verwendung einer weiteren Behandlung unterzogen werden. Beispielsweise kann der starre Artikel, wenn er als Knochenersatzmaterial verwendet werden soll, mit osteokonduktiven Materialien wie beispielsweise Collagen und/oder osteoinduktiven Materialien wie BMP, wie oben beschrieben, behandelt werden, die keinen Sintertemperaturen unterworfen werden können. Diese Materialien können durch den mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleuten bekannte Verfahren, wie beispielsweise Eintauchen, wie es oben ebenfalls beschrieben worden ist, aufgebracht werden. Der starre Artikel kann auch auf eine Art und Weise, wie in WO 99/16478 beschrieben, noch weiter behandelt werden.
Diese Ausgestaltung der Erfindung lässt sich unter Bezugnahme auf die folgenden nicht einschränkenden Beispiele noch besser verstehen.
BEISPIEL 3
Es wurde ein vernetzter Aluminiumoxidschaumstoff mit einer im Wesentlichen offenen und verbundenen Porosität hergestellt.
Eine Aluminiumoxiddispersion wurde zubereitet, die Folgendes enthielt:
Diese Dispersion wurde durch Mahlen in einer Kugelmühle in einem Polyethylenbehälter mit Zirkoniumdioxidmedium dispergiert und gemischt. Die Viskosität dieser Dispersion wurde mit entionisiertem Wasser eingestellt. Stücke von vernetztem Polyester-Polyurethanschaumstoff mit 76,2–254 Poren pro cm (30–100 pro Zoll) (SIF – Stephenson and Lawyer) wurden zugeschnitten. Diese Schaumstoffstücke wurden in die Dispersion eingetaucht und zum Entfernen von darin eingeschlossenen Luftblasen mehrere Male zusammengedrückt. Die Schaumstoffe wurden aus der Dispersion entfernt, durch Walzen hindurchgeführt und die Oberflächenmenisken wurden dann mit einem Strom von Druckluft aufgebrochen. Man ließ die „Schaumstoffe" daraufhin bei Raumtemperatur trocknen, gefolgt vom Trocknen bei Temperaturen von bis zu 100 °C an der Luft. Diese beschichteten Schaumstoffe wurden dann einem zweiten Beschichtungsverfahren unter Anwendung der gleichen Dispersion unterworfen, die auf identische Weise auf eine niedrigere Viskosität eingestellt worden war, um zu einem „grünen" Schaumstoff mit einer doppelten Beschichtung von Aluminiumoxiddispersion zu führen. Die doppelt beschichteten Aluminiumoxidschaumstoffe wurden dann auf gleiche Weise nochmals mit einer Dispersion niedrigerer Viskosität beschichtet. Auf das Trocknen hin wurden diese Schaumstoffe ein viertes Mal mit einer Dispersion noch niedrigerer Viskosität beschichtet und getrocknet. Auf das vollständige Trocknen hin wurden die Schaumstoffe mit 1 Grad pro Minute auf 600 Grad C mit einem einstündigen Einweichen zum Herausbrennen der organischen Bestandteile erhitzt. Die Schaumstoffe wurden dann noch weiter auf 1550 Grad C für eine Stunde erhitzt, um sie zu sintern, und mit einer Geschwindigkeit von drei Grad C pro Minute auf Raumtemperatur abgekühlt. Die dabei gebildeten Aluminiumoxidkeramikschaumstoffe wiesen eine im Wesentlichen vollständig offene und verbundene Porosität auf.
BEISPIEL 4
Eine vernetzte Struktur mit Pfeilern mit einem Kern aus teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxid, einer Zwischenschicht aus Verbundstoff von Zirkoniumdioxid mit 25 Volumen-% Hydroxyapatit (ZHA-25) und einer Oberflächenschicht von Hydroxycalciumphosphatkeramikmaterial wurde zubereitet. Zuerst wurden Keramikdispersionen von Zirkoniumdioxid, ZHA-25 und Hydroxyapatit wie folgt zubereitet.
Es wurde eine Zirkoniumdioxiddispersion zubereitet, die Folgendes umfasste:
Eine ZHA-25-Dispersion wurde zubereitet, die Folgendes enthielt:
Eine Hydroxyapatit-Dispersion wurde zubereitet, die Folgendes enthielt:
Diese Dispersionen wurden durch Mischen in einer Kugelmühle in Polyethylenbehältern mit Zirkoniumdioxidmedium dispergiert und gemischt. Die Zirkoniumdioxiddispersion wurde in zwei gleiche Volumen geteilt und die Viskositäten dieser beiden Dispersionen wurden auf 0,7 bzw. 0,365 Pa.s (700 bzw. 365 cP) mit entionisiertem Wasser eingestellt. Die Viskosität der ZHA-25-Dispersion wurde mit entionisiertem Wasser auf 0,16 Pa.s (160 cP) und die Hydroxyapatitdispersion auf 0,085 Pa.s (85 cP) eingestellt. Stücke von vernetztem Polyester-Polyurethanschaumstoff mit 76,2–203,2 Poren pro cm (30–80 Poren pro Zoll) (SIF – Stephenson und Lawyer) wurden ausgeschnitten. Diese Schaumstoffstücke wurden in die Zirkoniumdioxiddispersion von 0,7 Pa.s (700 cP) eingetaucht und zum Entfernen darin eingeschlossener Luftblasen mehrere Male zusammengedrückt. Die Schaumstoffe wurden aus der Dispersion entfernt, zweimal durch ein Paar Edelstahlwalzen geführt und die Oberflächenmenisken wurden dann mit einem Strom Druckluft aufgebrochen. Man ließ die „Schaumstoffe" dann bei Raumtemperatur trocknen, gefolgt vom Trocknen bei Temperaturen von bis zu 100 °C an der Luft. Diese beschichteten Schaumstoffe wurden dann einem zweiten Beschichtungsvorgang unter Anwendung der Zirkoniumdioxiddispersion von 0,365 Pa.s (365 cP) auf identische Weise unterworfen, um zu einem „grünen" Schaumstoff mit einer doppelten Beschichtung von Zirkoniumdioxiddispersion zu führen.
Die doppelt beschichteten Zirkoniumdioxidschaumstoffe wurden dann auf gleiche Weise mit der ZHA-25-Dispersion beschichtet. Auf das Trocknen hin wurden diese Schaumstoffe mit der Hydroxyapatitdispersion beschichtet und getrocknet. Auf das vollständige Trocknen hin wurden die Schaumstoffe mit 1 Grad pro Minute auf 600 Grad C mit einstündigem Eintauchen zum Herausbrennen der organischen Bestandteile erhitzt. Die Schaumstoffe wurden dann noch weiter für eine Stunde auf 1400 Grad C erhitzt, um sie zu sintern, und mit einer Geschwindigkeit von drei Grad C pro Minute auf Raumtemperatur abgekühlt. Die dabei gebildeten Schaumstoffe weisen eine im Wesentlichen vollständig offene und verbundene Porosität auf. Die Pfeiler, die die Struktur dieser Schaumstoffe umfassen, weisen einen Zirkoniumdioxidkern und eine Hydroxyapatitoberfläche auf. Zwischen dem Kern und der Oberfläche liegt eine Zwischenschicht von Zirkoniumdioxid-Hydroxyapatitverbundstoff mit 25 Volumenprozent Hydroxyapatit.
BEISPIEL 5
Eine vernetzte Struktur wurde zubereitet, bei der die Pfeiler einen Kern von im Wesentlichen stabilisiertem Zirkoniumdioxid, eine Zwischenschicht aus Verbundstoff von 40 Volumen-% Zirkoniumdioxid und Hydroxyapatit und eine Oberflächenschicht von Hydroxyapatitcalciumphosphatkeramikmaterial aufwiesen. Zuerst wurden Keramikdispersionen aus Zirkoniumdioxid, Zirkoniumdioxid-Hydroxyapatitverbundstoff mit 40 Volumenprozent HA (ZHA-40) und Hydroxyapatit wie folgt zubereitet.
Es wurde eine Zirkoniumdioxiddispersion zubereitet, die Folgendes umfasste:
Eine ZHA-40-Dispersion wurde zubereitet, die Folgendes enthielt:
Eine Hydroxyapatitdispersion wurde zubereitet, die Folgendes enthielt:
Diese Dispersionen wurden durch Mischen in einer Kugelmühle in einem Polyethylenbehälter mit Zirkoniumdioxidmedium dispergiert und gemischt. Die Zirkoniumdioxiddispersion wurde in zwei gleiche Volumen geteilt und die Viskositäten dieser beiden Dispersionen wurden auf 0,7 bzw. 0,365 Pa.s (700 bzw. 365 cP) mit entionisiertem Wasser eingestellt. Die Viskosität der ZHA-40-Dispersion wurde mit entionisiertem Wasser auf 0,16 Pa.s (160 cP) und die Hydroxyapatitdispersion auf 0,085 Pa.s (85 cP) eingestellt. Stücke von vernetztem Polyester-Polyurethanschaumstoff mit 76,2–203,2 Poren pro cm (30–80 Poren pro Zoll) (SIF – Stephenson und Lawyer) wurden ausgeschnitten. Diese Schaumstoffstücke wurden in die Zirkoniumdioxiddispersion von 0,7 Pa.s (700 cP) eingetaucht und zum Entfernen darin eingeschlossener Luftblasen mehrere Male zusammengedrückt. Die Schaumstoffe wurden aus der Dispersion entfernt, zweimal durch ein Paar Edelstahlwalzen geführt und die Oberflächenmenisken wurden dann mit einem Strom Druckluft aufgebrochen. Man ließ die „Schaumstoffe" dann bei Raumtemperatur trocknen, gefolgt vom Trocknen bei Temperaturen von bis zu 100 °C an der Luft.
Diese beschichteten Schaumstoffe wurden dann einem zweiten Beschichtungsvorgang unter Anwendung der Zirkoniumdioxiddispersion von 0,365 Pa.s (365 cP) auf identische Weise unterworfen, um zu einem „grünen" Schaumstoff mit einer doppelten Beschichtung von Zirkoniumdioxiddispersion zu führen. Die doppelt beschichteten Zirconiumdioxidschaumstoffe wurden dann mit der ZHA-40-Dispersion auf ähnliche Weise beschichtet.
Auf das Trocknen hin wurden diese Schaumstoffe mit der Hydroxyapatitdispersion beschichtet und getrocknet. Auf das vollständige Trocknen hin wurden die Schaumstoffe mit 1 Grad pro Minute auf 600 Grad C mit einem einstündigen Einweichen zum Herausbrennen der organischen Bestandteile erhitzt. Die Schaumstoffe wurden dann noch weiter auf 1400 Grad C für eine Stunde erhitzt, um sie zu sintern, und mit einer Geschwindigkeit von drei Grad C pro Minute auf Raumtemperatur abgekühlt. Die dabei gebildeten Schaumstoffe wiesen eine im Wesentlichen vollständig offene und verbundene Porosität auf. Die Pfeiler, die die Struktur dieser Schaumstoffe umfassen, weisen einen Zirkoniumdioxidkern und eine Hydroxyapatitoberfläche auf. Zwischen dem Kern und der Oberfläche liegt eine Zwischenschicht von Zirkoniumdioxid-Hydroxyapatitverbundstoff mit 40 Volumenprozent Hydroxyapatit.
BEISPIEL 6
Es wurde ein vernetzter Edelstahlschaumstoff zubereitet.
Zuerst wurde eine Dispersion zubereitet, die Folgendes enthielt:
Diese Dispersion wurde durch Mischen in einer Kugelmühle in einem Polyethylenbehälter mit Zirkoniumdioxidmedium dispergiert und gemischt. Stücke von vernetztem Polyester-Polyurethanschaum mit 152,4 Poren pro cm (60 Poren pro Zoll) (SIF – Stephenson und Lawyer) wurden ausgeschnitten. Diese Schaumstoffstücke wurden in die Dispersion eingetaucht und zum Entfernen darin eingeschlossener Luftblasen mehrere Male zusammengedrückt. Diese Schaumstoffstücke wurden aus dem Schlicker entfernt, durch Walzen hindurchgeführt und die Oberflächenmenisken wurden dann mit einem Strom von Druckluft aufgebrochen. Man ließ die „Schaumstoffe" dann bei Raumtemperatur trocknen, gefolgt vom Trocknen bei Temperaturen von bis zu 100 °C an der Luft.
Auf das vollständige Trocknen hin wurden die Schaumstoffe mit 1 Grad pro Minute auf 600 Grad C mit einem einstündigen Einweichen zum Herausbrennen der organischen Bestandteile erhitzt. Die Schaumstoffe wurden dann noch weiter auf 1200 Grad C für eine Stunde in einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt, um sie zu sintern, und mit einer Geschwindigkeit von drei Grad C pro Minute auf Raumtemperatur abgekühlt. Die dabei gebildeten Edelstahlschaumstoffe wiesen eine im Wesentlichen vollständig offene und verbundene Porosität auf.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines starren, vernetzten Artikels, der als Knochenersatzmaterial bereitgestellt wird, umfassend: (a) Bereitstellen einer ersten Dispersion eines Keramik- oder Metallpulvers, eines Bindemittels und eines Lösungsmittels: (b) Bereitstellen eines vernetzten Substrats, das eine offene, verbundene Porosität aufweist; (c) Kontaktieren des vernetzten Substrats mit der ersten Dispersion zum Beschichten des Substrats mit der Dispersion unter Bildung einer ersten Beschichtung; (d) Trocknen des beschichteten vernetzten Substrats; (e) Kontaktieren des beschichteten vernetzten Substrats mit einem oder mehreren zusätzlichen Dispersionen eines Keramik- oder Metallpulvers, einem Bindemittel und einem Lösungsmittel nacheinander unter Bildung einer oder mehrerer zusätzlicher Beschichtungen, wobei jede zusätzliche Dispersion eine Viskosität von weniger als der Viskosität aller vorhergehenden Dispersionen aufweist; (f) Trocknen der einen oder mehreren zusätzlichen Beschichtungen zwischen den Kontaktierungsschritten; (g) Erwärmen des geschichteten vernetzten Substrats zu einem Zeitpunkt und bei einer Temperatur, die ausreichen, um irgendwelche organischen Komponenten zu pyrolysieren; und (h) Sintern des beschichteten vernetzten Substrats unter Bildung eines vernetzten Keramik- oder Metall- oder Verbundstoffartikels.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Beschichtung und die eine oder mehreren zusätzlich(en) Beschichtung(en) einen unlöslichen, flexiblen Film bilden, der daraufhin ohne wesentliches Rissbilden, Abblättern oder Ablösen von dem Substrat verformt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat nachgiebig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat benetzbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Poren des starren, vernetzten Artikels im Wesentlichen vollständig offen und miteinander verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei bis zu 6 zusätzliche Beschichtungen bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Viskosität der ersten Dispersion 0,2–2,5 Pa.s (200–2500 cP) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Viskosität der ersten Dispersion 0,2–2,5 Pa.s (200–2500 cP), die Viskosität der Dispersion der ersten zusätzlichen Beschichtung 0,1–1,5 Pa.s (100–1500 cP) und die Viskosität der Dispersion der zweiten zusätzlichen Beschichtung 0,05–0,8 Pa.s (50–800 cP) und die Viskosität der Dispersion der dritten zusätzlichen Beschichtung 0,2 Pa.s (200 cP) oder weniger beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei zusätzliche Beschichtungen bereitgestellt werden und die Zusammensetzung der ersten Beschichtung anders ist als die Zusammensetzung der letzten Beschichtung und eine oder mehrere Zwischenbeschichtung(en) eine Zusammensetzung aufweist bzw. aufweisen, die ein Verbundstoff der ersten und letzten Beschichtung ist zur Bildung einer Gradientbeschichtung.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erste Beschichtung Zirconiumdioxid, die letzte Beschichtung Hydroxyapatitcalciumphosphat-Keramik und eine Zwischenbeschichtung eine Kombination von Zirconiumdioxid und Hydroxyapatitcalciumphosphat-Keramik umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das vernetzte Substrat ein nachgiebiger Polymerschaum ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schaum mindestens 50,8 Poren pro cm (20 Poren pro inch) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schaum mindestens 25,4 Poren pro cm (100 Poren pro inch) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei überschüssige Dispersion durch Drücken und/oder Druckluft von dem vernetzten Substrat entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bindemittel auf das Trocknen hin lösungsmittelunlöslich und nachgiebig wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Bindemittel eine Polyacrylatemulsion ist, die sich auf das Trocknen hin polymerisiert.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Bindemittel in der Dispersion in einer Menge von mindestens 25 Volumen-% vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bindemittel in Schritt (a) beim Trocknen lösungsmittelunlöslich und flexibel wird und in der Dispersion in einer Menge von mindestens 25 Volumen-%, auf das Gesamtvolumen der festen Komponenten der ersten Dispersion auf das Trocknen hin bezogen, vorliegt; und wobei die eine oder mehreren zusätzlichen Beschichtungen in Schritt (e) gleich oder voneinander und von der ersten Beschichtung verschieden sind.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Bindemittel eine Polyacrylatemulsion ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Bindemittel in der Dispersion in einer Menge von mindestens 50 Volumen-%, auf das Gesamtvolumen der festen Komponenten der ersten Dispersion auf das Trocknen hin bezogen, vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Substrat nachgiebig ist.