DE69906441T2

DE69906441T2 - Beschichtungsverfahren von medizinischen Implantaten

Info

Publication number: DE69906441T2
Application number: DE69906441T
Authority: DE
Inventors: Pierre Jean François Layrolle; Klaas De Groot; Joost Dick De Bruijn; Clemens Antoni Van Blitterswijk; Yuan Huipin
Original assignee: Isotis BV
Current assignee: OctoPlus Sciences BV
Priority date: 1998-09-15
Filing date: 1999-07-12
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2019-07-13
Also published as: AU3917699A; CA2277732A1; US6733503B2; US6207218B1; US20010008649A1; ATE235928T1; JP2000093503A; DE69906441D1; ES2196717T3; US20010053406A1; AU772751B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Implantationsmaterialien mit carbonisierten Calciumphosphatfilmen. Sie behandelt noch bevorzugter die Verwendung von Kohlendioxidgas - eine schwache Säure - um den pH-Wert einer wässrigen übersättigten Calcifizierungslösung zu erniedrigen und carbonathaltige Calciumphosphatschichten auf Implantaten während der natürlichen Freisetzung von Kohlendioxid bei physiologischer Temperatur abzuscheiden. Die Erfindung beschreibt weiterhin ein neues Beschichtungs-verfahren zur Verbesserung der biologischen Verträglichkeit und der Knochenbindungseigenschaften von medizinischen Implantaten, wie Orthopädie- oder Zahnprothesen.
Hintergrund der Erfindung
Calciumphosphate sind die Hauptbestandteile harter Gewebe wie Knochen, Knorpel, Zahnschmelz und Zahnbein. Natürlich vorkommende Knochenmineralien bestehen aus schlecht kristallinen carbonisierten Calciumphosphatkristallen im Submikronbereich mit Hydroxyapatitstruktur. Im Gegensatz zum synthetischen und ideal stöchiometrischen Hydroxyapatit Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ mit einem Ca/P-Atomverhältnis von 1,67 ist jedoch die Zusammensetzung und Kristallinität von Knochenmineral deutlich verschieden. Knochenmineralien bestehen in der Hauptsache aus einem komplexen Gemisch von Calciumionen, Phosphationen, Carbonationen und Hydroxylionen und können durch die folgende Formel repräsentiert werden: Ca_8,3(PO₄)_4,3(HPO₄,CO₃)_1,7(OH,CO₃)_0,3 × H₂O
Es ist gezeigt worden, dass Calciumphosphatbeschichtungen auf Metallimplantaten aufgrund ihrer osteoconductiven Eigenschaft eine rasche Knochenadaption zulassen, verglichen mit blanken Implantaten, z. B. zementlosen rumpfnahen Hüftknochen. In vivo und in Berührung mit Körperflüssigkeiten wird eine dünne Schicht von biologischem carbonisierten Hydroxylapatit auf der Oberfläche mancher Implantate gebildet wie biologisch aktiven Gläsern, Hxydroxyapatitkeramiken. Anschließend wird sofort lebendes Knochengewebe direkt an diese HCA-Schicht adaptiert. Die direkte Knochenadaption auf und/oder das Wachstum in die Implantatoberfläche führt zu einigen Vorteilen, wie eine starke und sofortige Fixierung des Implantats und zu einem dauerhaften Ergebnis.
Es wurden verschiedene Verfahren, wie Plasmaspritzen, Flammspritzen, elektrophoretische Abscheidung, Magnetbeschichten und Tauchen für das Beschichten von Hydro-xyapatit und anderen Calciumphosphaten auf Implantate entwickelt. Das am meisten übliche Beschichtungsverfahren ist das Plasmaspritzen.
Ein Nachteil der meisten mit Hydroxyapatit beschichteten Implantate ist der, dass die Verankerung von Hydroxyapatit auf dem Implantat erhöhte Prozesstemperaturen erfordert, was die Auswahl an Substratmaterialien einschränkt und zu hohen Verfahrenskosten führt. Beim Plasmaspritzverfahren wird das Rohmaterial, d. h. Hydroxyapatit, zunächst bei hoher Temperatur geschmolzen, so dass sich die resultierende Apatitbeschichtung im Typ her vom Knochenapatit unterscheidet. Die Beschichtungen sind häufig dick und spröde und brechen an der Grenzfläche zwischen Beschichtung und dem Implantat, wodurch im Körper große Teil-chen freigesetzt werden. Darüber hinaus ist das Verfahren für zahlreiche Polymersubstrate wegen der damit verbundenen hohen Temperatur ziemlich ungeeignet. Weiterhin können keine biologisch aktiven Mittel, wie Proteine oder Antibiotika, in die Beschichtung eingebaut werden, die nützlich sein können, um das Einwachsen der Knochen zu fördern oder Infektionen zu verhindern.
Zusätzlich werden die meisten dieser Beschichtungen in einer Abfolge visueller Verfahrensschritte hergestellt, wodurch eines einheitliche Aufbringung von Hydroxyapatit auf Implantate mit komplexer Oberflächengeometrie (z. B. poröse Oberfläche) verhindert wird. Die bisherigen Verfahren sind für kleine und runde Substrate, wie metallische Zahnimplantate, wenig effektiv.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines einfachen Verfahrens zum Beschichten einer implantierbaren Vorrichtung mit einer dünnen, dichten und biologisch aktiven Schicht aus carbonisiertem Calciumphosphat. Die Schichten werden bei Umgebungs-temperatur durch Einweichen der implantierbaren Vorrichtung in eine calcifizierende Lösung, durch die Kohlendioxidgas hindurch geleitet wird, hergestellt. Die hergestellten biologisch aktiven Beschichtungen führen zu einer wirksamen Knochenadaption und zum Einwachsen und sichern dadurch den Implantaten Knochenbindungseigenschaften. Die implantierbare Vorrichtung kann in einer breiten Vielfalt biomedizinischer Anwendungen (Chirurgie, Knochenersatz, Prothese, Zahnwurzel, Kronen und orthopädische Brücken, etc.). verwendet werden.
Einschlägige Literatur
Die Löslichkeitsprodukte der verschiedenen Calciumcarbonat-Phosphat-Verbindungen sind als Funktion des pH-Werts, des Kohlendioxidpartialdrucks und der Temperatur in den Veröffentlichungen von G. Vereecke und J. Lemaitre, "Calculation of the solubility diagrams in the systems Ca(OH)₂-HP₃O₄-KOH-HNO₃-CO₂-H₂O", J. Crystal Growth 107: 820-832 (1990) und im Beitrag von F. C. M. Driessens, betitelt "Formation and stability of calcium phosphates in relation to phase composition of the mineral of calcified tissue" in Calcium Phosphate Bioceramics, herausgegeben. von K. de Groot, CRC Press (1984), beschrieben.
Die Veröffentlichung von P. Serekian, betitelt "Hydroxyapatite coatings in orthopaedic surgery", herausgegeben von R. G. T. Geesink und M. T. Mansley, Raven Press Ltd., New York (1993), S. 81-97, erörtert die Vor- und Nachteile des Plasma- und Flammspritzens, der Elektrophorese, des Tauchbeschichtens und der Magnetbeschichtung.
EP-A 0 389 713 B1 (Kokubo, 1989) beschreibt ein Verfahren zum Aufbringen eines biologisch aktiven Hydroxyapatitfilms auf Implantatsubstrate aus anorganischem, metal-lischem oder organischem Material durch Einweichen einer Anordnung, umfassend Glas, hauptsächlich CaO und SiO₂, gegenüber einem in einem vorgegebenen Abstand entfernten Substrat in einer im Wesentlichen gesättigten oder übersättigten wässrigen Lösung mit Hydroxyapatit aufbauenden Ionen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es nicht erforderlich eine Anordnung aus Glas gegenüber dem zu beschichtenden Substrat bereitzustellen.
EP-A 0 450 939 A2 und die entsprechenden US-Patente 5,164,187 und 5,188,670 (Norian, 1990, 1991) beschreibt ein kompliziertes Verfahren und eine Anlage zur Beschick-tung poröser Substrate mit einem Hydroxyapatitfilm. Dieses Verfahren umfasst das Kombinieren einer löslichen Calciumionenquelle und einer löslichen Phosphationenquelle, worin die Molarität der Calciumionen im Bereich von etwa 0,05–5 M, die Molarität der Phosphationen im Bereich von etwa 0,01–1 M, bei einer Temperatur von 60–90°C und einem pH-Wert von 5–8,5 liegt, unter Bedingungen, die zu einer kontrollierten Keimbildung und einem gesteuerten Wachstum nadelförmiger Apatitkristalle führen. Im Prinzip wird eine Lösung in ein zirkulierendes Medium injiziert, was zur Ausfällung von Hydroxyapatitfaserkristallen oder Einzelkristallen führt, welche die zu beschichtende Oberfläche erreichen und bedecken. Dieses Verfahren nach dem Stand der Technik hat zwei wichtige Nachteile. Erstens fallen die Hydroxyapatitkristalle in der Lösung aus. Im Gegensatz dazu bilden sich beim erfindungs-gemäßen Verfahren die Kristallkeime direkt auf der Implantatoberfläche, was zu einer überlegenen Bindung in der Grenzfläche führt. Zweitens wird die Beschichtung bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren durch Stapelung von Hydroxyapatitkristallen durch einen Fluidstrom hergestellt, der im Wesentlichen eine Leitung in einem visuellen Prozess ist und dadurch auf komplex geformten Oberflächen Schattenwirkungen gibt. Bei der vor-liegenden Erfindung hängt die Abscheidung von carbonisierten Calciumphosphatschichten nicht von der Richtung des Fluidstroms ab.
Die Internationale Patentanmeldung WO A/93 07912 (Sherwood Medical, 1993) beschreibt ein Bioimplantat, das durch Einweichen eines zu beschichtenden Basismaterials in eine gesättigte oder übersättigte Lösung von Hydroxyapatit erhalten wurde. Das Basismaterial war kurz vorher mit einem Sulfon- oder Carboxylgruppen enthaltenden organischen Polymer ausgerüstet worden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es nicht erforderlich das zu beschichtende Implantat zuerst mit einer solchen organischen Beschichtung zu versehen.
Die Internationale Patentanmeldung WO 95 13101 (de Groot, 1993) lehrt ein Verfahren zur Beschichtung eines Implantatsubstrats mit einem biologisch aktiven Material, das durch die allgemeine Formel Ca_p(PO₄)_q(CO₃)_r(OH)_S repräsentiert wird, in der p > 1 und q, r und s > 0 sind und in der 2p = 3q + 2r + s ist. Das Substrat wird in eine Lösung eingeweicht, in der mindestens Calciumionen, vorzugsweise Carbonationen und falls erforderlich Phosphationen vorliegen, wonach das biologisch aktive Material aus der Lösung auf dem Substrat entweder durch Erwärmen der Lösung oder des Substrats abgeschieden wird. Bei der vorliegenden Erfindung liegt die Temperatur innerhalb des Bereichs von 5–50°C fest und es ist nicht erforderlich die Lösung oder das Substrat zu erwärmen, um die Abscheidung von Calciumphosphat auszulösen. Zudem wurde die Machbarkeit und biologische Aktivität einer solchen Beschichtung in der Internationalen Patentanmeldung WO 95 13101 experimentell nicht nachgewiesen.
EP-A 0 678 300 A1 (Kokubo, 1994) legt ein Verfahren zur Herstellung eines Knochenersatzmatertals offen. Im Kern werden eine primäre Oberflächenschicht einer Titanoxidphase und amorphe Phasen von Alkalititanaten durch Einweichen eines aus Titan oder seinen Legierungen gefertigten Basismaterials in eine alkalische Lösung und Erwärmen des Basismaterials auf eine Temperatur unterhalb des Übergangspunkte, z. B. 300–800°C, herge-stellt und das alkali- und wärmebehandelte Basismaterial in eine wässrige Lösung einge-taucht, welche Calcium- und Phosphationen in einer Menge enthält, die mindestes der Apatitlöslichkeit entspricht, und so oben auf der primären Oberflächenschicht eine zweite, Apatit umfassende Schicht hergestellt.
Die Patentanmeldungen EP-A 972011425/2, US-A 8,855,835 und CA-A 2,205,107 (Isotis BV) beschreiben ein Nanotechnologieverfahren zur Behandlung von Implantatoberflächen, die anschließend die Abscheidung von Calciumphosphatschichten durch Einweichen in eine calcifizierende Lösung auslösen können. Die implantierbaren Vorrichtungen haben vor der Beschichtung eine Oberflächenrauhigkeit mit einem mittleren Peakabstand zwischen 10 und 1000 nm, um die Abscheidung von Calciumphosphatschichten auszulösen.
Die Japanische Patentanmeldung 08040711 gibt ein Verfahren zur Bildung einer Hydroxyapatitbeschichtung an, worin Calciumphosphat durch Anwendung von gasförmigem Kohlendioxid unter hohem Druck in einer Lösung gelöst wird, die Natriumhydroxid enthält. Die Beschichtung wird durch Abstellen des Kohlendioxidgases abgeschieden. Bei diesem bekannten Verfahren ist Natriumhydroxid in der Calcifizierungslösung vor, was den pH-Wert beträchtlich erhöht. Dies führt dazu, dass ein hoher Kohlendioxiddruck benötigt wird, um einen pH-Wert zu erhalten, der niedrig genug ist, um genügend Calciumphosphat zu lösen.
Die Internationale Patentanmeldung 99/45979, welche ein Veröffentlichungsdatum vom 16. Sept. 1999 trägt, legt eine biologisch aktives Knochenmineralcarbonat aus kristallinem Apatit offen, das chemisch an eine Vielfalt von Substraten, einschießend implantierbare Prothesen, gebunden ist. Diese Beschichtung wird durch Eintauchen eines Substrats in eine wässrige Lösung aufgebracht, die Calcium-, Phosphat- und Carbonationen enthält, wobei die Lösung einer kontrollierten Umgebung ausgesetzt wird, welche eine Kohlendioxid enthaltende künstliche Atmosphäre einschließt.
Die Internationale Patentanmeldung 97/41273 legt Beschichtungen aus spärlich kristallinem carbonisiertem Hydroxyapatit offen, die auf metallischen oder keramischen Substraten abgeschieden sind. Die Beschichtungen werden durch Eintauchen der Substrate in eine Lösung abgeschieden, enthaltend Calcium-, Phosphat- und Bicarbonationen in einem molaren Calcium/Phosphat-Verhältnis von 0,8 bis 2 und einem pH-Wert von 6,8 bis 8,0. Anschließend wird die Lösung auf 50–80°C erwärmt, was eine spontane Abscheidung von carbonisiertem Hydroxyapatit auf den Substraten verursacht.
Zusammenfassung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung eines einfachen Verfahrens zur Beschichtung der Oberfläche medizinischer Implantate mit biologisch aktiven carbonisierten Calciumphosphatschichten. Die Beschichtungen werden durch Einweichen der implantier-baren Vorrichtungen in eine hochkonzentrierte calcifizierende Lösung bei niedriger Temperatur hergestellt. Die calcifizierenden Lösungen sind aus Calcium-, Phosphat-, Magnesium-, Carbonat- und zusätzlich Natriumchloridsalzen zusammengesetzt, die durch Durchblubbern von Kohlendioxidgas in Wasser gelöst wurden. Während der natürlichen Freisetzung von Kohlendioxidgas oder seinem Austausch gegen Luft, nimmt der pH-Wert der calcifizierenden Lösung zu und die Sättigung wird bis zur Keimbildung von carbonisierten Calciumphosphatkristallen auf der Oberfläche der implantierbaren Vorrichtungen erhöht. Die abgeschiedene Schicht wächst auf dem medizinischen Implantat. Der Vorgang des Durchblubberns/Freisetzens von CO₂-Gas durch oder aus einer calcifizierenden Lösung kann wiederholt werden, bis eine ausreichende Dicke erreicht worden ist. Die vorliegende Erfindung hat gegenüber herkömmlichen Beschichtungstechniken die folgenden Vorteile: Sie ist ein einfacher und kostenwirksamer Ansatz; Es werden keine teueren und komplizierten Ausrüstungsteile benötigt. Es ist ein auf verschiedene Substrate anwendbares Niedrigtemperaturverfahren. Es wurde weiterhin festgestellt, das mit dem vorliegenden Verfahren Materialien auf Substraten abgeschieden werden können, was bislang unmöglich war. Octacalciumphosphatbeschichtungen können zum Beispiel aufgrund der thermischen Unbeständigkeit des Beschichtungsmaterials mit herkömmlichen Plasmaspritzverfahren nicht hergestellt werden. Es wurde auch gefunden, dass solche Beschichtungen nicht in epitaxialer Weise wachsen, wenn andere Beschichtungsverfahren verwendet werden, Nachdem die Beschichtung unter Verwendung eines Fluids aufgebracht wird, können kompliziert gestaltete Implantate (porös oder perlförmig) einheitlich mit einer dünnen Schicht aus carbonisiertem Calciumphosphat überzogen werden. Die erhaltene Schicht ist stabil und abriebfest. Die Schicht wird unter Verwendung eines biometrischen Verfahrens (physiologische Fluide, Temperatur und pH) erzeugt und es wird demzufolge eine knochenähnliche Schicht mit hoher Reaktivität und hohen Adsorptionseigenschaften auf der Oberfläche medizinischer Implantate abgeschieden. Die biologische Verträglichkeit und Knochenbindungseigenschaften solcher beschichteter Vorrichtungen sind durch Implantation in Tiermodellen nachgewiesen worden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1: Bioreaktor zur Herstellung der biologisch aktiven carbonisierten Calciumphosphatbeschichtung;
2: pH-Änderungen und Temperatur als Funktion der Einweichdauer in die calcifizierende Lösung und in reinem Wasser;
3: SEM-Mikroaufnahme der mit biologisch aktiven carbonisierten Calciumphosphatschichten beschichteten Metalloberfläche (Ti6A14V);
4: XRMA-Spektrum der carbonisierten Calciumphosphatbeschichtung auf Ti6A14V;
5: SEM-Mikroaufnahme eines mit den carbonisierten Calciumphosphatschichten beschichteten porösen Tantalimplantats;
6: XRMA-Spektrum der biologisch aktiven carbonisierten Calciumphosphatschichten auf porösem Tantalimplantat;
7: FT-IR-Spektrum der auf Ti6A14V-Implantat aufgezeichneten biologisch aktiven carbonisierten Calciumphosphatschichten:
8: TF-XRD-Muster des carboniserten Calciumphosphats auf Ti6A14V-Implantat;
9: SEM-Mikroaufnahme einer Ti6A14V-Oberfläche, bedeckt mit einer Calciumphosphatschicht, abgeschieden unter Verwendung einer calcifizierenden Lösung, die kein Magnesium enthält.
Beschreibung spezieller Ausführungsformen
Die biologisch aktiven carbonisierten Calciumphosphatschichten können auf jedes medizinische Implantat, anorganisches, metallisches oder organisches Material aufgebracht werden. Das Implantat kann eben, dicht oder von komplexer Gestalt sein. Es kann eine poröse, perlförmige oder netzartig verwachsene Oberfläche haben.
Metalle wie Edelstahl, Titan, Nickel, Cobalt, Chrom, Niob, Molybdän, Zirkon, Tantal und Kombinationen davon können für orthopädische und dentale Anwendungen mit den carbonisierten Calciumphosphatschichten beschichtet werden. Zum Beispiel können Vorrichtungen, wie sie bei der Gesamthüftgelenkplastik, wie bei porösen oder nichtporösen azetabulären Kappen und den rumpfnahen Bereichen des Hüftstamms verwendet werden, mit den biologisch aktiven carbonisierten Calciumphosphatschichten beschichtet werden.
Keramische Materialien wie Aluminiumoxid und Zirkonoxid, Gläser wie biologisch aktive Gläser, hergestellt aus CaO-SiO₂-P₂O₅, und Calciumphosphate wie Hydroxyapatit und Tricalciumphosphat, können mit den biologisch aktiven carbonisierten Calciumphosphat-schichten beschichtet werden.
Die betreffenden Beschichtungen können auf verschiedene Polymere und Kunststoffe aufgebracht werden, stärker bevorzugt auf biologisch verträgliche oder biologisch resorbier-bare wie Polyactive^TM.
Vor Aufbringung der Beschichtung werden die Substrate vorzugsweise gereinigt, um alle Oberflächenverunreinigungen zu entfernen und eine gute Haftung für die Beschichtung zu schaffen. Es können verschiedene Verfahren zur Reinigung eingesetzt werden. Die metallischen Implantate können mit einem Entfettungsmittel, d. h. Aceton, Alkylalkohole, etc. gespült und dann mit reinem Wasser gründlich gespült werden.
Um die Haftung der Beschichtung zu verbessern können auf Metallimplantate verschiedene Oberflächenbehandlungen angewendet werden, wie Sandstrahlen, Kerben, Polieren und Schleifen, welche die Oberflächenrauhigkeit der Implantate erhöhen und die Bindefestig-keit zwischen den Beschichtungen und dem Metallsubrat verbessern können. Für ähnliche Zwecke können vor der Beschichtung chemische Oberflächenbehandlungen auf Metall-substrate angewendet werden. Unter anderen für Metalle verfügbaren chemischen Behand-lungsverfahren wird das Säureätzen mit starken Mineralsäuren wie Florwasserstoff-, Chlorwasserstoff-, Schwefel-, Salpeter- und Perchlorsäure bei der Behandlung implantier-barer Vorrichtungen bevorzugt sein. Es kann auch nützlich sein, die Metallvorrichtungen mit oxydierenden Mitteln wie Salpetersäure, Peroxyhalogensäuren, Hydroxyperoxiden oder Wasserstoffperoxid zu behandeln, um eine frische Metalloxidschicht zu bilden. Nach der mechanischen oder chemischen Behandlung müssen die Implantate unter Ultraschall mit reinem Wasser gespült werden, um Oberflächenverunreinigungen zu entfernen.
Das Verfahren zur Beschichtung medizinischer Implantate mit biologisch aktiven carbonisierten Calciumphosphatschichten besteht im Einweichen medizinischer Implantate in eine calcifizierende Lösung bei niedriger Temperatur. Dieses einfache Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass Calciumphosphate im mittelsauren Medium stärker löslich sind als bei neutralem und sogar basischem pH. Demzufolge können wässrige Lösungen von Calcium- und Phosphationen im leicht sauren pH höher konzentriert werden als bei neutralem pH. Calciumphosphate fallen mit anderen Worten bei neutralem oder basischen pH aus, während sie in einer Lösung mit gleicher Salzkonzentration im mittelsauren pH in Lösung bleiben.
Eine Zunahme des pH-Werts in der Lösung kann folgende Stufen auslösen: Untersättigung, Übersättigung oder die Bildung eines metastabilen Zustandes, Keimbildung und Kristallwachstum. Es können sich Calciumphophatkeime auf einem Substrat bilden - herterogene Keimbildung - wenn eine Lösung die Grenze der Übersättigung oder den metastabilen Zustand erreicht hat. Im übersättigten Zustand können anschließend Kristalle aus metastabilen Fluids wachsen. Bei höherer Sättigung ist eine homogene Keimbildung oder eine Ausfällung in der Lösung der vorherrschende Vorgang. Diese Erfindung macht von pH-Änderungen zur Steuerung vorstehender Stufen Gebrauch, um die Abscheidung von carbonisierten Calciumphosphatschichten auf der Oberfläche medizinischer Implantate auszulösen.
Das vorstehende Ziel kann durch Einblasen einer gasförmigen schwachen Säure, vorzugsweise Kohlendioxidgas, in eine Calcifizierungslösung erreicht werden, um den pH-Wert zu erniedrigen und dadurch die Löslichkeit von Calciumphosphatsalzen zu erhöhen.
Es ist wohlbekannt, dass Tafelwasser natürlicher Herkunft einen leicht sauren pH-Wert aufweist, der von gelöstem Kohlendioxidgas herrührt. Ein wichtiges Merkmal ist auch, dass der pH-Wert von Mineralwasser langsam nach neutral oder einem leicht basischen pH-Wert während der natürlichen Freisetzung oder dem Austausch von gelöstem Kohlendioxidgas mit der Luft, zunimmt.
In einer Reihe bevorzugter Ausführungsformen ist das Einblubbern von Kohlendioxid-gas in die calcifizierende Lösung erforderlich. Kohlendioxidgas wird sich in der calcifizieren-den Lösung lösen und in Wasser Hydrogencarbonationen bilden (Gleichung (1) und (2)). Die medizinischen Implantate werden in einer calcifizierenden Lösung angeordnet, durch die eine gasförmige schwache Säure, wie Kohlendioxidgas, hindurchgeleitet wird, um ein schwach saures Medium zu bilden. Der Anfangs-pH der calcifizierenden Lösung wird durch Einblubbern von CO₂-Gas (2) im Bereich von 3–7 gehalten, vorzugsweise bei etwa 5,5 bis 6,5. Das Kohlendioxidgas wird mit ausreichendem Druck in die Lösung eingeleitet, um kontinuierlich Blasen zu erzeugen. Der Druck des CO₂-Gases wird im Bereich von 0,1–10 bar liegen, vorzugsweise innerhalb von 0,5–1,5 bar, stärker bevorzugt um 1 bar.
Im einer bevorzugten Ausführungsform werden die biologisch aktiven carbonisierten Calciumphosphatbeschichtungen auf medizinischen Implantaten in einem verbesserten Bioreaktor- oder Fermentationssystem (1) hergestellt. Es wird ein modifiziertes Bio-reaktorsystem für die Züchtung von Zellen oder Mikroorganismen zur Beschichtung medizinischer Implantate mit biologisch aktiven carbonisierten Calciumphosphatschichten verwendet. Der Bioreaktor sollte aus Borsilikatglas oder aus mit Teflon beschichtetem Edel-stahl sein, um die Abscheidung oder die Krustenbildung durch carbonisiertes Calcium-phosphat auf den inneren Seitenwänden zu vermeiden. Das Volumen des Bioreaktors kann zwischen 1 bis 500 Liter schwanken, stärker bevorzugt von 1 bis 150 Liter, je nach Zahl der zu beschichtenden medizinischen Implantate. Die Verwendung eines doppelwandigen Bioreaktionskessels gewährleiste eine konstante Temperatur in der Calcifizierungslösung. Die Temperatur wird mit einem Thermoelement kontrolliert, das mit einem Umlaufthermostaten verbunden ist, der auf die gewünschte Temperatur Kühlen und Heizen kann. Die Implantate wie Hüftstämme oder acetabulare Kappen werden mit speziellen Hacken an der Kopfplatte des Bioreaktors befestigt. Im gleichen Ansatz können verschiedene medizinische Implantate mit biologisch aktiven carbonisierten Phosphatschichten beschichtete werden. Der pH-Wert der Calcifizierungslösung wird mit einer sterilisierbaren Kombiglaselektrode gemessen. Die pH-Werte werden als Funktion der Zeit gemessen. Der Bioreaktor ist mit einem magnetisch gekoppelten Rührsystem ausgerüstet. Ein Gaseinleitrohr und eine Fritte sind zur Erzeugung winziger CO₂-Gasblasen in der calcifizierenden Lösung vorhanden, um dadurch die Gasaus-tauschoberfläche oder Belüftung der Calcifizierungslösung zu erhöhen. Ein Elektroventil oder ein Solenoidventil regelt die Strömung des in den Reaktor eingeleiteten Kohlendioxidgases. Die Strömung des Kohlendioxidgases kann als Funktion der Zeit oder des pH-Werts geregelt werden. Der Bioreaktorkessel sollte ein Öffnung besitzen, um das Ansteigen des Innendrucks zu vermeiden und die natürliche Freisetzung von Kohlendioxidgas aus der Calcifizierungs-lösung erlauben. Die Kopfplatte des Bioreaktors ist mit einem Auslasskühler ausgerüstet, um eine Verdampfung in der Calcifizierungslösung zu verhindern. Alle kritischen Parameter, wie pH-Wert, Temperatur, Kohlendioxidfluss, Calcium-, Phosphat- und Carbonatkonzentrationen können mit einem automatisierten System (Steuergerät) als Funktion der Zeit gemessen, registriert und gesteuert werden. Vor Aufbringung der Beschichtung können der Bioreaktor und die Implantate im Autoklav unter Wasserdampf sterilisiert werden. Das übliche Sterilisationsverfahren besteht in der Behandlung des Bioreaktors, des Zubehörs und der Implantate im Autoklav unter Dampf bei 121°C während 30 Minuten. Alle an die Deckplatte montierten Zubehörteile sind mit O-Ring-Verbindungen und Filtern isoliert, um während des Beschichtungsvorgangs sterile Verhältnisse aufrechtzuerhalten.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist die Anwesenheit von. Magnesium-, Calcium- und Phosphationen in der Calcifizierungslösung wesentlich. Es wurde gefunden, dass insbesondere die Anwesenheit von Magnesium für die Steuerung des Kristallwachstums der Beschichtung während der Abscheidung aus der Calcifizierungslösung wichtig ist. Eine optimale Steuerung des Kristallwachstums führt zu einer einheitlichen, starken und abriebfesten Beschichtung. Besonders die Anlagerung der Beschichtung an das Substrat wird von der Anwesenheit von Magnesiumionen in der Calcifizierungslösung günstig beeinflusst. Eine erfindungsgemäß hergestellte Beschichtung, weist vorzugsweise Kristalle mit einer Größe im Submikronbereich auf. In einer bevorzugten Ausführungsform können zusätzlich Inhibitoren für das Kristallwachstum wie Carbonationen in die Calcifizierungslösung eingebracht werden.
Sofern erforderlich, könnten auch Gegenionen wie Natrium und Chlorid vorliegen, um für eine konstante Ionenstärke zu sorgen.
Die Calcifizierungslösung wird vorzugsweise hergestellt, während die gasförmige schwache Säure hindurchgeblubbert wird, um eine Niederschlagsbildung zu vermeiden. Die Einleitung des Gases erniedrigt den pH-Wert der Lösung und erlaubt die vollständige Lösung Der Magnesium-, Calcium- und Phosphat und möglicher anderer Salze. Das Durchblubbern wird vorzugsweise mindestens 5 Minuten vor und während der Zugabe der Salze begonnen. Auf diese Weise wird der pH-Wert auf ungefähr 3–8, stärker bevorzugt auf 5,5–6 erniedrigt.
Es ist natürlich auch möglich mit dem Durchblubbern der gasförmigen schwachen Säure nach Zugabe der gewünschten Salzmenge zur Lösung zu beginnen. Hat das erfindungsgemäße Durchblubbern erst begonnen, ist es wichtig sicherzustellen, dass die sich die Salze vollständig lösen.
Die Calcifizierungslösung wird bevorzugt mit ultrareinem Wasser und reinen Chemikalien bereitet. Die Calcifizierungslösung wird vorzugsweise durch ein 0,2 Mikrometer Membranfilter sterilisiert, ehe sie in den Bioreaktor gepumpt wird. Das molare Calcium/-Phosphor-Verhältnis in der Calcifizierungslösung liegt im Allgemeinen im Bereich von 1–3, stärker bevorzugt zwischen 1,5 bis 2,5. Die Innenkonzentration in der Calcifizierungslösung wird so gewählt, das die Lösung in Abwesenheit der gasförmigen schwachen Säure super-gesättigt oder übersättigt ist. Die Molarität der Calciumquelle wird im Allgemeinen im Be-reich von 0,5–5 mM, vorzugsweise bei 2,5–25 mM liegen. Die Phosphatquelle wird im Allgemeinen zwischen etwa 0,5 bis 20 mM, stärker bevorzugt von etwa 1 bis 10 mM sein. Die Magnesiumkonzentration in der Calcifizierungslösung wird im Allgemeinen im Bereich von 0,1–20 mM, stärker bevorzugt bei etwa 1,5 bis 10 mM liegen. Die Carbonatkonzentration wird von 0 bis 50 mM reichen, stärker bevorzugt von 0 bis 42 mM. Die Ionenstärke wird im Bereich von 0,10–2 M, stärker bevorzugt zwischen 0,15 bis 1,5 M liegen. Die Calcifizierungs-lösung wird vorzugsweise mit ungefähr 10–1000 Upm, allgemein mit 50–300 Upm gerührt. Die Temperatur wird bei etwa 5–80°C gehalten, vorzugsweise im Bereich von etwa 5–50°C.
Kohlendioxid hat eine begrenzte Löslichkeit in wässrigen Lösungen. In Berührung mit Luft ist eine carbonisierte Lösung frei von CO₂ oder innerhalb weniger Stunden, je nach der mit Luft in Berührung stehenden Oberfläche, vollständig entgast. In dem hierin beschriebenen offenen Bioreaktor braucht der vollständige Austausch des gelösten CO₂-Gases mit der Atmosphäre ungefähr 8 bis 48 Stunden, stärker bevorzugt zwischen 12 bis 24 Stunden. Die natürliche Freisetzung von CO₂-Gas veranlasst den pH-Wert der verbleibenden Lösung zuzunehmen (2). Die Sättigung in der Calcifizierungslösung kann mit anderen Worten zunehmen, bis die Abscheidung biologisch aktiver Schichten auf der Oberfläche von implantierbaren Materialen erfolgt. Wahlweise kann durch die Lösung Luft geblasen werden, um die Lösung zu begasen oder die Lösung zu belüften, um das Entweichen, die Freisetzung oder den Austausch der gasförmigen schwachen Säure zu beschleunigen. Sowohl die Anfangs- und End-pH-Werte als auch die pH-Änderungen mit der Zeit hängen von der Menge an Carbonat- und Phosphatsalzen ab, die der Calcifizierungslösung zugesetzt werden. Das Puffervermögen kann durch Zugabe von mehr oder weniger Phosphat- und Carbonat-salzen auf einen gewünschten pH-Wert eingestellt werden. Der pH-Wert kann durch Einleiten von Kohlendioxidgas innerhalb des gewünschten Bereichs aufrechterhalten werden. Im Wesentlichen kann der Kohlendioxidstrom durch Verwendung eines vom Regelgerät gesteuerten Elektro- oder Solenoidventils eingestellt werden. Während der natürlichen Freisetzung von CO₂-Gas aus der Calcifizierungslösung steigt der pH-Wert nach 24 Stunden Einweichen auf etwa 6–10 an, stärker bevorzugt auf etwa 1,5 bis 8,5. Die carbonisierte Calciumphosphatschicht wird sich auf der Oberfläche implantierbarer Vorrichtungen bei einem pH-Wert innerhalb von etwa 6,5–7,5 abscheiden. Die Abscheidung auf der Oberfläche eines medizinischen Implantats ist mit einem heterogenen Keimbildungsvorgang verwandt. Die carbonisierten Calciumphosphatkristalle können sich anschließend in einer Calcifizie-rungslösung durch einen Kristallwachstumsvorgang abscheiden. Bei der Erfindung wird der heterogene Keimbildungsprozess durch die energetische Stabilisierung des Keim auf dem Substrat begünstigt. Die hohe Keimbildungsdichte gewährleistet eine einheitliche Abschei-dung von carbonisierten Calciumphosphatkristallen auf der Oberfläche medizinischer Implantate. Der vorstehende Vorgang kann durch folgende Gleichungen dargestellt werden: CO₂(g) ←→ CO₂(aq) (1) CO₂(g) + H₂O ←→ HCO₃ ^– + H⁺ (2) 10Ca²⁺ + 6PO₄ ^3– + 2OH^– ←→ Ca₁₀(POa)₆(OH)₂ ↓ (3)
Das Verfahren Kohlendioxidgas in die wässrige Calcifizierungslösung einzublubbern und das Kohlendioxidgas aus der Lösung entweichen zu lassen kann wiederholt werden, um eine weitere Schicht von carbonisierten Calciumphosphatmineralien auf dem implantierbaren Material abzuscheiden. In einem erfindungsgemäßen Verfahren kann es wesentlich sein den pH-Wert und dadurch den Keimbildungsschritt durch das Durchblasen von CO₂ während verschiedener Zeiten zu steuern. Die Begasungszeit liegt üblicherweise zwischen einigen Sekunden bis Minuten, vorzugsweise bei etwa 1 bis 600 Sekunden. Die Einleitung von Kohlendioxid verursacht eine pH-Erniedrigung, wohingegen der pH-Wert der Calcifizierungslösung eine natürliche Neigung besitzt ohne Einblasen von CO₂-Gas zuzunehmen. Die Zunahme des pH-Werts kann auf den natürlichen Austausch von CO₂-Gas mit der Atmosphäre und die Pufferwirkung der Calcifizierungslösung beruhen. Durch Einstellung der Zeit und der Strömung des in die Calcifizierungslösung eingeleiteten CO₂-Gases kann der pH-Wert um einen Wert von 6 bis 9 schwanken, stärker bevorzugt kann der pH-Wert der Calcifizierungslösung zwischen 6,5 und 1,6 gehalten werden. Diese pH-Schwankung steht mit dem Keimbildungsschritt carbonisierter Calciumphosphatkristalle auf der Oberfläche von medizinischen Implantaten in Zusammenhang. Hierdurch wir eine hohe Keimbildungdichte geschaffen und carbonisierte Calciumphosphatkristalle können Keime bilden und auf der Oberfläche medizinischer Implantate wachsen. Es können homogene Schichten auf dem Implantatsubstrat abgeschieden werden. Die Gesamtdicke der Schichten wird vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 0,5–100 Mikron liegen, wahrscheinlicher zwischen 0,5 und 50 Mikron. Obwohl die Schichten dünn sind, üblicherweise unter 5 Mikron, können die Beschichtungen das natürliche Licht beugen und gefärbte Ränder bilden, die von blauen bis roten Farben reichen. Diese Lichtbeugung ähnelt der Erscheinung, die beobachtet werden kann, wenn ein Öltropfen auf Wasser anwesend ist. Bei höherer Dicken ergeben die Schichten eine grauglänzende oder weiße Verfärbung.
Die dünnen carbonisierten Calciumphospatschichten können die Abscheidung weiterer Schichten durch Eintauchen in eine zweite Calcifizierungslösung auslösen. Die dünnen carbonisierten Calciumphosphatschichten können mit anderen Worten als Impfkristalle für nachfolgende Schichten dienen. Die zweite Calcifizierungslösung ist in Bezug auf Hydroxyapatit vorzugsweise supergesättigt. Unter den Bedingungen der Supersättigung kann das Kristallwachstum erfolgen und es können dicke, kristalline und einheitliche Calcium-phosphatschichten auf der Oberfläche eines medizinischen Implantats erzeugt werden. Die zweite Calcifizierungslösung sollte Calcium- und Phosphatsalze mit nur einer geringen Menge oder sogar ohne Inhibitoren für das Kristallwachstum enthalten, wie Magnesium oder Carbonat. Weil die zweite oder eine weitere Schicht auf einer Calciumphosphatschicht (die erste Schicht) abgeschieden wird, ist eine gute Bindung leichter zu erzielen.
Die zweite Calcifizierungslösung kann in Abwesenheit oder in Anwesenheit einer gasförmigen schwachen Säure wie Kohlendioxid hergestellt werden. Die zweite Calcifizierungslösung wird vorzugsweise mit einem geeigneten Puffer, wie mit Salzsäure verdünntem Tris-(aminoethan) auf einen physiologischen pH-Wert um 7,4 gepuffert. Die Calciumionenkonzentration in der zweiten Calcifizierungslösung kann von 0,5 bis 10 mM reichen, stärker bevorzugt von 0,5 bis 5 mM. Die Phosphatkonzentration kann von 0,5 bis 6 mM reichen, stärker bevorzugt von 0,5 bis 3 mM. Magnesiun- und Carbonationen liegen vorzugsweise in Konzentrationen von unter 1 bzw. unter 5 mM vor. Genauer gesagt könnte Magnesium in einer Menge zwischen 0,1 und 3 mM vorliegen, stärker bevorzugt zwischen 0,5 und 1,5 mM. Natriumchlorid oder andere geeignete Salze können zugegeben werden, um die Inonenstärke der zweiten Calcifizierungslösung bei einem Wert von 0,05 bis 0,5 mM zu halten, vorzugsweise bei 0,1 bis 0,2 mM.
Die Zusammensetzung und Kristallgröße der Schichten wird stark von der Menge von Kristallwachstumsinhibitoren in den Calcifizierungslösungen abhängen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Schichten aus Hydroxylcarbonat-apatit mit schlechter Kristallinität oder Magnesium- und Carbonationen enthaltenden amorphen Calciumphosphaten aufgebaut sein. Je nach den Innenkonzentrationen und dem pH-Wert der Calcifizierungslösung kann eine Beschichtung mit der allgemeinen Formel (I) erhalten werden: (Ca)_P(Mg)_q(Na)_r(PO₄)_x(CO₃)_y(OH)_z (I) mit p > 1 und x, y und z > 0 und worin 2p + 2q + r = 3x + 2y + z ist.
Eine Reihe von Salzen mit der allgemeinen Formel (I) kann auf medizinische Vorrichtungen beschichtet werden. Ist zum Beispiel p = 10, q = 0, r = 0, x = 6, y = 0 und z = 2, gibt die vorstehende Formel die Strukturformel von Hydroxyapatit Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ wieder mit einem Calcium/Phosphor-Verhältnis von 1,67. Ist 8 < p < 10 und 4 < x < 6 werden Reihen con Calciummangelapatit erhalten, die Knochenmineral ähneln. Die Beschichtung kann auch aus Octacalciumphosphat (OCP) mit der Formel Ca₈H₂(PO₄)_6,5H₂O zusammen-gesetzt sein, welche in den frühen Stadien der Biomineralisation von calcifizierten Geweben beteiligt ist. Ist p = 1 und y = 1 repräsentiert die Formel Calciumcarbonat CaCO₃ mit Calcit-, Vaterft-, Aragonitstruktur oder einer Kombination hiervon.
Die chemische Zusammensetzung der Beschichtung kann veränderlich sein, aber die Schichten enthalten immer Magnesium-, Calcium- und Phosphationen. Wenn erwünscht, können auch Carbonationen in die Beschichtung eingebaut werden; Der Film kann zusätzlich Spuren von Natrium- und Chloridionen einschließen. Der Anteil an Calcium und Phosphor wird im Durchschnitt zwischen 20 bis 40 bzw. 10 bis 30 Gew.-% liegen. Der Magnesium- und Carbonatgehalt in der Beschichtung wird innerhalb des Bereichs von 0,1 –5 Gew.-% bzw. 0–7 Gew.-% liegen. Das Metall/Phosphor-Verhältnis (M/P mit M = Ca + Mg + Na) wird innerhalb des Bereichs von 1,00 bis 2,00 liegen, stärker bevorzugt zwischen 1,30 bis 1,80.
Die vorliegenden Beschichtungen können eine breite Vielfalt an biologisch aktiven Substanzen beinhalten, wie Peptide, Wachstumsfaktoren, knochenmorphogenetische Proteine, Kombinationen hiervon und dergleichen. Die Wachstumsfaktoren werden zusammen mit den Schichten auf der Oberfläche von implantierbaren Vorrichtungen abgeschieden und können als Wirkstoffverabreichungssysteme dienen. Die allmähliche Freisetzung von Wachstums-faktoren um den beschichteten Gegenstand herum kann knochenbildende Zellen anregen und die Knochenheilung verstärken. Weiterhin können auch Antibiotika wie Tobramycin, Vancomycin und Ähnliche zusammen in den Beschichtungen abgeschieden werden, um postoperative Infektionen zu verhindern. Im Allgemeinen werden die Wachstumsfaktoren und Antibiotika in der Calcifizierungslösung in einer Konzentration von 1 μg/ml bis 1 mg/ml gelöst.
Das hierin beschriebene Beschichtungsverfahren kann eine Reihe von Calciumphosphatverbindungen, welche Carbonat- und andere Ionen enthalten, auf der Oberfläche einer implantierbaren Vorrichtung abscheiden. Die Schichten werden in ihrer Zusammensetzung und Kristallinität Knochen- und Zahnmineralien ähnlich sein und die erwünschte biologische Resorbierbarkeit, Knochenbindungseigenschaften besitzen, um die biologische Fixierung von medizinischen Vorrichtungen an lebendes calcifiziertes Gewebe zu verbessern.
Es wurde weiterhin gefunden, dass Beschichtungen auf medizinischen Implantaten, die in einem biometrischen Verfahren, wie dem vorliegenden Verfahren, hergestellt werden, knochenbildende Eigenschaften aufweisen. Ein biometrisches Verfahren betrifft einen Vorgang, der zu einer Calciumphophatbeschichtung führt, der bis zu einem gewissen Grad Calciumphosphate nachahmt, wie sie aus biologischen Mineralisationsprozessen wie in Knochen oder Schalen von Meerestieren resultieren. Dies bedeutet, dass ein biometrischer Prozess oft bei Umgebungstemperatur abläuft und zu einem Calciumphosphat führt, das einem oder einer Kombination der zahlreichen natürlich vorkommenden Calciumphosphatzusammensetzungen ähnelt. Eine biometrische Beschichtung kann hergestellt werden, indem eine wenigstens an Calcium- und Phosphorionen reiche Lösung, entweder bei physiologischen Konzentrationen oder nicht, und gegebenenfalls in Anwesenheit von die Keimbildung fördernden Mitteln wie biologisch aktiven Glasteilchen, bereitet wird. Beispiele biometrischer Verfahren schließen das hierin beschriebene Verfahren ein, aber auch jene von Kokubo (Vergl. EP-A 0 389 317 A1 und NP-A 0 678 300 A1) beschriebenen.
Es wurde nun gefunden, dass ein biometrisches Verfahren zu einer spezifischen Reaktivität (z. B. Lösung-Wiederausfällung von Calciumphosphat oder Adsorption an endo-genen biologisch aktiven Mitteln wie BMPs), biologischen Umwandlung nach der Implantation, Morphologie, (Mikro)struktur der Oberfläche und/oder Porosität der implantierten Beschichtung, welche die Bildung von Knochenzellen anregt, wie knochenbildende Zellen aus Stammzellen, sogar dann, wenn die Implantate in vivo in nicht-knochigen Geweben stammen. Es wurde weiterhin gefunden, dass das vorliegende Verfahren zur Beschichtung auf einem Substrat zu einer besonderen Morphologie und Kristallorientierung führt, welche den die Knochenbildung auslösenden Charakter der biometrischen Beschich-tung verstärkt. Weiterhin haben gewisse Beschichtungen spezielle chemische Zusammen-setzungen wie OCP-Beschichtungen, die sogar zu größeren die Knochenbildung auslösenden Wirkungen führen.
Diese Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht, die jedoch nicht dazu konstruiert werden sollten, diese darauf zu beschränken. In den Beispielen sind die Prozentangaben in Gewicht ausgedrückt, sofern nichts anderes angegeben ist.
Beispiel 1
Stücke aus Titanlegierung werden von einem Flächengebilde von im Handel erhältlicher Ti6A14V-Folie oder Stab abgeschnitten. Es werden Ti6A14V-Platten von 10 x 10 x 2 mm und Zylinder von 5 mm Durchmesser und 10 mm Länge verwendet. Es werden auch Ti6A14V-Drähre mit 1 mm Durchmesser mit biologisch aktiven carbonisierten Calciumphosphatschichten beschichtet. Vor der Beschichtung werden die Implantate sand- oder kugelgestrahlt um ihre Oberflächenrauhigkeit zu erhöhen. Die Implantate werden 15 min in Aceton mit Ultraschall gereinigt, dann mit Ethanol (70%) und schließlich in reinem Wasser. Die Ti6A14V-Platten werden dann 10 min in einem Ultraschallreiniger mit einem konzentrierten Gemisch gereinigt, das destilliertes Wasser, Salzsäure (HCl, 36%) und Schwefelsäure (H₂SO₄, 96%) im Volumenverhältnis 2 : 1 : 1 enthält. Alternativ kann ein sanftes Ätzverfahren durch Eintauchen der Implantate in eine Mischung aus 995 ml reinem Wasser, 2 ml Flusssäure (HF, 40%) oder Salpetersäure (HNO₃, 50%) angewendet werden. Die geätzten Ti6A14V-Platten werden gründlich mit reinem Wasser gewaschen. Nach dem Ätzen und spülen werden alle Proben in einem isolierten und mit Dampf sterilisierten 3 Liter Bioreaktor bei 121°C 30 Minuten platziert. Die Calcifizierungslösung wird durch Lösen von 40,00 g NaCl (99,9%), 1,84 g CaCl₂ 2H₂O (99,9%), 1,52 g MgCl₂6H₂O (99,9%), 1,06 g NaHCO₃ (99%) und 0,89 g Na₂PO₄2H₂O (99,9%) in 1000 ml reinem Wasser hergestellt. Die Calcifizierungslösung wird durch ein 0,2 Mikron Membranfilter in den Bioreaktor gepumpt. Kohlendioxidgas wird in die Lösung mit einem Druck von 0,5-1,5 bar unter Bildung von Blasen eingeleitet. Der pH-Wert der Lösung wird mit einer Elektrode gemessen und kontinuierlich überwacht. Die Lösung wird durch Einleitung von CO₂-Gas bei pH = 5,5 – 6,5 gehalten. Die Temperatur wird unter Verwendung eines Thermoelements und einer Heizvorrichtung auf 37°C eingeregelt. Die Calcifizierungslösung wird kontinuierlich mit 100 Upm gerührt. Der CO₂-Gasstrom wird abgestellt und der pH-Wert beginnt langsam anzusteigen. Nach 24 Stunden Ein weichen liegt der pH-Wert der Calcifizierungslösung innerhalb eines Bereichs von 7,8–8,6. Nach dem Beschichten werden die Proben in entmineralisiertem Wasser 10 Minuten mit Ultraschall gereinigt und bei 50°C einige Stunden getrocknet. Die Dicke der biologisch aktiven Schichten wird mit einem Eddy-Current-Gerät gemessen. Die Beschichtung weist eine mittlere Dicke zwischen 1 bis 5 Mikron auf. Die Zugfestigkeit der Bindung der Schichten an das Substrat liegt im Durchschnitt zwischen 40 und 65 Mpa. Die Morphologie und Zusammensetzung der Beschichtung wird unter Verwendung von SEM zusammen mit XRMA (3 und 4) untersucht. Auf der Oberfläche der Implantate werden dichte und einheitliche carbonisierte Calciumphosphatschichten beobachtet. Die Schichten sind aus Kügelchen und sphärischen Gebilden in Mikrometergröße aufgebaut, welche Ca, 0, P und Spuren von Mg, Na und Cl (3) enthalten. FT-IR-Spektren und TF-XRD bestimmen die Kristallinität der Beschichtungen. Die FT-IR-Spektren (7) zeigen unstrukturierte und breite Carbonat- und Phosphatbanden, die für schlecht kristallisierten Hydroxylcarbonatapatit, ähnlich Knochenmineral, typisch sind. Die TF-XRD-Muster (8) zeigen die Beugungslinien des Ti6A14V-Substrats und Lichthöfe oder Aufwachsungen um 30 Grad (2 Theta) herum, die für amorphes Calciumphosphat oder für eine schlecht kristallisierte Hydroxylcarbonatapatitphase charakteristisch sind. Für Implantationszwecke werden die beschichteten Vorrichtungen 30 Minuten bei 121°C 30 mit Dampf sterilisiert.
Beispiel 2
Es werden poröse Tantalimplantate (Hedrocel^TM, Implex Corporation, Allendale, New Jersey) mit 2,5 bzw. 5 mm Durchmesser und 5 und 10 mm Länge verwendet. Die Implantate werden 10 Minuten in Aceton, Ethanol (70%) und schließlich in reinem Wasser mit Ultraschall gereinigt. Die Implantate werden dann in einem Siebkorb angeordnet und in das Bioreaktorsystem gehängt. Nach der Autoklavenbehandlung werden die Implantate in die in Beispiel 1 beschriebene Calcifizierungslösung eingeweicht. Nach der Beschichtung werden die beschichteten Vorrichtungen unter Ultraschall mit Wasser gespült und in einem Autoklav sterilisiert, Die SEM-Beurteilung und EDAX-Analysen bestätigen die einheitliche Abscheidung gut haftender dichter Calciumphophatschichten auf und im den porösen Tantalimplantaten (5 und 6).
Vergleichsbeispiel 3
Drei Ti6A14V-Platten werden nacheinander in Aceton, Ethanol und Halbwasser gereinigt. Als Nächstes werden die Platten unter Verwendung eines Gemisches aus Salzsäure und Schwefelsäure geätzt und gründlich mit Halbwasser gespült.
Es wurde durch Lösen von 40,0 g NaCl, 2,95 g CaCl₂.2H₂O und 1,80 g Na₂HPO₄.2H₂O in 1000 ml Halbwasser eine Calcifizierungslösung bereitet, während gleichzeitig Kohlendioxidgas unter einem Druck von 0,5-1,5 bar durchgeblubbert wurde.
Die Ti6A14V-Platten wurden 24 Stunden bei 37°C in die Calcifizierungslösung eingeweicht und abschließend mit Halbwasser gewaschen. Es wurde gefunden, dass eine Calciumphosphatschicht die Platten teilweise bedeckt. Wie aus 9 ersichtlich, wurde die Beschichtung auf der Oberfläche des Substrats nicht einheitlich abgeschieden. Es wurde gefunden, dass die Beschichtung an der Ti6A14V-Oberfläche des Substrats nicht gut haftete und durch Kratzen leicht entfernt werden konnte.
Beispiel 4
Poröse Tantalzylinder wurden nach einem dem Beispiel 1 analogen Verfahren beschichtet. Nach dem Einweichen in die Calcifizierungslösung (welche die gleiche Zusammensetzung aufwies, wie die Calcifizierungslösung in Beispiel 1), bedeckte eine dicke und kristalline biometrische Schicht die Tantalzylinder gleichmäßig. Die Schicht bestand aus Octacalciuinphosphat-(OCP, Ca₈(HPO₄)₂(PO₄)₄.5H₂O)-kristallen, die sich senkrecht von der Oberfläche des Substrats ausdehnten, wie durch SEM an einem quergeschnittenen Zylinder bestimmt wurde.
Beispiel 5
Tierversuche
Das Protokoll betrifft die Evaluierung, Sicherheit und Wirksanikeit der biologisch aktiven Schichten auf unterschiedlichen Substraten wie Ti6A14V, porösem Tantal und mehrfach aktiven Implantaten in vivo. Die knochenleitende Fähigkeit und das Einwachsen der biologisch aktiven Schichten werden durch Verwendung verschiedener Tiermodelle untersucht. Es werden herkömmliche Gewebetechniken verwendet, um blanke und beschichtete Implantate zu vergleichen. Die Versuche und Substrate sind nicht darauf beschränkt.
Intrafemorale Inplantation in Ratten:
Vier Ti6A14V-Drähte, wie in Beispiel 1 beschrieben mit biologisch aktivem carbonisierten Calciumphosphat beschichtet oder nicht-beschichtet werden durch Druckanpassung in den Oberschenkel von Ratten (Fisher, F344, erwachsen, männlich, 200–250 g) vier Wochen implantiert. Nach der Tötung wurde der Oberschenkelknochen und die Implantate entnommen, mit phosphatgepufferter Lösung gespült, entwässert und in Harz (PMMA) eingebettet. Der Knochen und die beschichteten Implantate wurden mit Alizarin angefärbt und in Gebeschnitte quer geschnitten. Die mit der Beschichtung in Berührung stehende Oberfläche des Knochens wurde lichtmikroskopisch begutachtet und durch Photoanalyse vermessen. Das Knochenleitvermögen der Beschichtung wird mit dem blanken Implantat verglichen.
Intracortikale Implantation in Ziegen:
Nach der Sterilisation werden die, wie in Beispiel 2 beschrieben beschichteten oder nicht-beschichteten porösen Tantalimplantate (5 mm Durchmesser und 10 mm lang), in den Oberschenkelknochen ausgewachsener Ziegen implantiert. Die Implantate werden sowohl in die proximalen als auch distalen Bereiche des Oberschenkels eingeführt. Es werden 6 beschichtete oder blanke Implantate pro Ziege verwendet. Nach 2, 4, 8 und 16 Wochen Implantation werden die Tiere getötet und die Knochen entnommen. Die Knochen werden dann mit Phosphatpufferlösung gewaschen, der Reihe nach mit Ethanol entwässert und in PMMA ein gebettet. Die Knochen werden unter Verwendung einer Mikrotomsägemaschine quer geschnitten. Die vom Knochen umgebenen Implantate werden dann für die SEM-Beobachtung mit Kohlenstoff gesputtert. Die gesamte Knocheneinwachsung in die porösen Tantalimplantate wird mit Rückstreu-Rasterelektronenmikroskopie beobachtet und unter Verwendung von Bildanalysentechniken vermessen. Die gesamte Knocheneinwachsung von beschichteten porösen Tantalimplantaten wird schließlich mit blanken Implantaten verglichen. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen nach 8 Wochen in vivo eine durchschnittliche Knocheneinwachsung von 35% für poröses Tantal allein und 80% für mit biologisch aktiven Schichten beschichtete Implantate. Diese Ergebnisse zeigen eine 2-Fache Erhöhung für die Knocheneinwachsung bei Implantaten, die mit den biologisch aktiven Schichten beschichtet sind.
Intramuskuläre Implantation in Hunde:
Nach der Sterilisation wurden mit einer OCP-Schicht, wie in Beispiel 4 beschrieben, beschichtete Implantate und nicht-beschichtete poröse Tantalzylinder (5 mm Durchmesser und 10 mm lang) in die Oberschenkelmuskeln erwachsener Hunde (Körpergewicht etwa 20 kg) implantiert. Von jedem Implantat werden acht (8) Zylinder implantiert (einer pro Hund) und die Überlebensdauer betrug 3 Monate. Der Eingriff erfolgte unter üblicher Anästhesie und sterilen Bedingungen. Kurz gesagt, wurde eine länglicher Hautschnitt gemacht und das Bein und der Schenkelmuskel durch einen stumpfen Schnitt freigelegt. Es wird ein Längsschnitt in die Mulskelfaszie gemacht und eine intramuskuläre Tasche geschaffen in die das Implantat eingeschoben wird. Der Schnitt wird mit einem feinen Seidenfaden vernäht, um das Implantat im Inneren der Muskeltasche zu halten, die Haut wird mit einer Seidennaht geschlossen und die Wunde mit Jodtinktur gereinigt. Nach drei Monaten werden die Hunde mit einer intraabdominalen Phenobarbitalinjektion getötet und die Implantate samt dem umgebenden Gewebe gesammelt und beschriftet, wie vor ihrer Implantation angegeben. Alle Proben werden anschließend in 10% gepuffertem Formalin bei 4°C friert, mit einer bis zu 100% Ethanol reichenden, abgestuften Reihe von Ethanol entwässert und in Methylmethacrylat (MMA) eingebettet. Nicht decalzifizierte Schnitte werden mit einer modifizierten Diamantbogensäge hergestellt und lichtmikroskopisch untersucht.
Die histologische Analyse der Schnitte zeigt, dass die nicht beschichteten Tantalzylinder von faserigem Gewebe umgeben und dieses eingedrungen ist, während keine Knochenneubildung erfolgt. Im Gegensatz dazu zeigen die OCP-beschichteten Tantalzylinder reichlich neugebildete Knochen, die in direktem Kontakt mit der Oberfläche des OCP-beschichteten Implantats stehen. Beinahe die gesamte Oberfläche der OCP-beschichteten Zylinder ist mit einer Knochenschicht beschichtet. Diese einzigartigen Ergebnisse zeigen eindeutig, dass eine biometrische Beschichtung, die in diesem Beispiel aus OCP-Kristallen aufgebaut ist, die senkrecht zur Implantatoberfläche orientiert sind, Knochenbildung in einer nicht-knochigen Umgebung auslösen kann. Die Zusammensetzung der Beschichtung, Reaktivität (z. B. Lösung Wiederausfällung von Calciumphosphat oder Adsorption endogener biologisch aktiver Mittel, wie BMP's), biologische Umwandlung nach der Implantation, Morphologie, Oberflächenmikrostruktur und/oder Implantatporosität können für die Eigenschaften des Implantats, welche die Knochenbildung auslösen, durch Auslösung der Differenziation von Vorläuferzellen in den knochenbildenden Zellen verantwortlich sein.

Claims

Verfahren zum Beschichten eines medizinischen Implantats, worin das Implantat in eine wässrige Lösung aus Magnesium-, Calcium- und Phosphationen eingetaucht ist, durch welche eine gasförmige schwache Säure geleitet wird, die Lösung entgast wird und man die Beschichtung auf dem Implantat präzipitieren lässt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die gasförmige schwache Säure Kohlendioxid ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, worin das Implantat ein metallisches, organisches, polymerisches oder keramisches Implantat ist.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Calcium- und Phosphationen in der Lösung in einem Molverhältnis von zwischen 1 und 3 vorhanden sind.
Verfahren gemäß Anspruch 4, worin die Calcium- und Phosphationen in der Lösung in einem Molverhältnis von zwischen 1,5 und 2,5 vorhanden sind.
Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, worin die Lösung 0,5–50 mM Calciumionen und 0,5–20 mM Phosphationen enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 6, worin die Lösung 2,5–25 mM Calciumionen und 1-10 mM Phosphationen enthält.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Lösung 0,1–20 mmol Magnesiumionen enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 8, worin die Lösung 1,5–10 mmol Magnesiumionen enthält.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Lösung zusätzlich 0–50 mM Carbonationen enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 10, worin die Lösung 0–42 mM Carbonationen enthält.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Ionenstärke der Lösung im Bereich von 0,1–2 M liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 12, worin die Ionenstärke der Lösung im Bereich von 0,15–1,5 M liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin der Druck der gasförmigen schwachen Säure im Bereich von 0,1–10 bar liegt.
Verfahren nach Anspruch 14, worin der Druck der gasförmigen schwachen Säure im Bereich von 0,5–1,5 bar liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Lösung eine Temperatur im Bereich von 5 bis 80°C hat.
Verfahren nach Anspruch 16, worin die Lösung eine Temperatur im Bereich von 5 bis 50°C hat.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin das Implantat vor dem Eintauchen in die Lösung einer mechanischen und/oder chemischen Oberflächenbehandlung unterworfen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 18, worin das Implantat sandgestrahlt, gekerbt, poliert oder grundiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 18, worin das Implantat unter Verwendung einer starken Mineralsäure geätzt oder mit einem Oxidationsmittel behandelt wird.
Medizinisches Implantat, umfassend eine Beschichtung, erhältlich über ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Medizinisches Implantat gemäß Anspruch 21, worin die Beschichtung Magnesium-, Calcium- und Phosphationen sowie eines oder mehrere Ionen umfasst, ausgewählt aus der Gruppe Hydroxyl, Carbonat, Chlorid, Natrium und Kalium.
Medizinisches Implantat gemäß Anspruch 22, worin die Beschichtung zusammengesetzt ist aus amorphem Carbonatcalciumphosphat, Hydroxylapatit, Calciummangel- und Hydroxylcarbonatapatit, Octacalciumphosphat, Dicalciumphosphatdihydrat, Calciumcarbonat oder einer Kombination derselben.
Medizinisches Implantat gemäß einem der Ansprüche 21–23, worin die Beschichtung eine Dicke von etwa 0,5 bis etwa 100 Mikrometer aufweist.
Medizinisches Imiplantat gemäß Anspruch 24, worin die Beschichtung eine Dicke von etwa 0,5 bis etwa 50 Mikrometer aufweist.
Verfahren zur Bereitstellung einer folgenden Beschichtung auf einem medizinischen Implantat nach einem der Ansprüche 21–25, worin das Implantat in eine zweite calcifizierende Lösung getaucht wird, umfassend Calcium- und Phosphationen, und man die folgende Beschichtung auf dem Implantat ausbilden lässt.
Medizinisches Implantat, umfassend eine Beschichtung, erhältlich über ein Verfahren gemäß Anspruch 26.
Vorrichtung zum Beschichten eines medizinischen Implantats, umfassend a) einen Reaktorkessel aus Inertmaterial; b) Mittel zum Aufrechterhalten einer konstanten Temperatur im Kessel; c) Mittel zum Halten des Implantats im Kessel; d) Mittel zum Rühren; e) einen Einlass zum Einführen einer gasförmigen schwachen Säure in eine calcifizierende Lösung, die in dem Kessel enthalten sein kann; f) einen Auslass für eine gasförmige schwache Säure; g) Steuerungsmittel zum Steuern eines Stroms der gasförmigen schwachen Säure durch den Kessel; und h) Mittel zum Halten des Kessels in sterilem Zustand.
Verwendung einer Beschichtung, erhältlich über ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1–20 oder 26, zur Herstellung eines Medikaments zum Induzieren der Knochenbildung.
Verwendung gemäß Anspruch 29, worin die Beschichtung eine Octacalcium-Beschichtung ist.