CH619858A5

CH619858A5 - Titanium or titanium alloy metal rod for cementless fixation of a long bone for a joint prosthesis and bone repair equipment

Info

Publication number: CH619858A5
Application number: CH196278A
Authority: CH
Inventors: Daniel Blanquaert
Original assignee: Ceraver
Priority date: 1977-03-16
Filing date: 1978-02-23
Publication date: 1980-10-31
Also published as: FR2383656A1; FR2383656B1; DE2810129A1

Abstract

This rod has the purpose of improving the contact with the bone tissues. It has a titanium oxide coating for long-term protection against corrosion. The titanium oxide coating is covered with an external layer comprising a glass which is biologically compatible with the living tissue. Application to hip prostheses.

Description

La présente invention concerne une tige métallique en titane ou alliage de titane pour fixation sans ciment dans un os long, pour prothèse articulaire et matériel de réparation osseuse, avec revêtement de protection contre la corrosion à long terme en oxyde de titane et couche de protection externe complémentaire. The present invention relates to a metal rod made of titanium or titanium alloy for cementless fixation in a long bone, for joint prosthesis and bone repair material, with long-term corrosion protection coating of titanium oxide and external protective layer. complementary.

On a proposé pour la réparation d'os des tiges en titane ou alliage de titane, en vue d'assurer à la pièce de réparation une bonne résistance à la corrosion par les fluides de l'organisme. Toutefois, leur fixation sans ciment avec les tissus vivants n'est pas excellente, de sorte qu'il risque de se développer, à sa surface, non un tissu osseux, mais un tissu fibreux conjonctif qui n'assure pas une bonne fixation de la tige dans le tissu environnant. Il risque donc de se produire une désolidarisation de la tige du tissu environnant lorsque celle-ci est soumise à des efforts'mécaniques importants, comme c'est le cas notamment pour les tiges fémorales des prothèses d'articulation de la hanche. Les déplacements relatifs entre la tige et le tissu environnant, même minimes initialement, tendent alors à s'amplifier, et rendent en fin de compte la prothèse articulaire ou le matériel de réparation totalement inopérants, de sorte que la tige doit être remplacée par une tige scellée par un ciment organique, en dépit des inconvénients connus de celui-ci (risque d'une certaine toxicité, nécrose du tissu environnant due à la chaleur de polymérisation du ciment). Titanium or titanium alloy rods have been proposed for bone repair, with a view to ensuring that the repair part has good resistance to corrosion by body fluids. However, their cementless fixation with living tissue is not excellent, so that there is a risk of developing, on its surface, not a bone tissue, but a connective fibrous tissue which does not ensure good fixation of the stem in the surrounding tissue. There is therefore a risk of separation of the rod from the surrounding tissue when the latter is subjected to significant mechanical forces, as is the case in particular for the femoral rods of hip joint prostheses. The relative displacements between the rod and the surrounding tissue, even initially minimal, then tend to increase, and ultimately render the joint prosthesis or repair material completely inoperative, so that the rod must be replaced by a rod. sealed with an organic cement, despite the known disadvantages of it (risk of a certain toxicity, necrosis of the surrounding tissue due to the heat of polymerization of the cement).

On a aussi proposé de munir une tige en acier ou en stellite d'implantation sans ciment dans un os se terminant à une articulation, notamment une tige fémorale pour prothèse d'articulation de la hanche, d'un revêtement en un verre biologiquement compatible avec le tissu vivant. La fixation de la tige dans le tissu n'est cependant pas parfaite, car le coefficient de dilatation des verres est assez différent de celui des aciers et stellites, ce qui rend la stérilisation de la prothèse délicate, et, en outre, l'adhérence du verre sur le support métallique est insuffisante, ce qui peut entraîner un décollement du verre lors des sollicitations mécaniques in vivo. Par ailleurs, il n'est pas impossible que des ions métalliques (cobalt, chrome, nickel) de l'acier ou du stellite migrent à travers la couche de verre jusqu'au tissu vivant et exercent un effet défavorable sur la repousse osseuse, et nécessitent une réintervention et une ablation de la prothèse. It has also been proposed to provide a steel or stellite rod for cementless implantation in a bone terminating at a joint, in particular a femoral rod for hip joint prosthesis, with a coating of a glass biologically compatible with living tissue. The fixation of the rod in the tissue is however not perfect, because the coefficient of expansion of the glasses is quite different from that of steels and stellites, which makes sterilization of the prosthesis delicate, and, moreover, the adhesion glass on the metal support is insufficient, which can cause the glass to become detached during mechanical stresses in vivo. Furthermore, it is not impossible that metal ions (cobalt, chromium, nickel) of steel or stellite migrate through the glass layer to living tissue and have an unfavorable effect on bone regrowth, and require reoperation and removal of the prosthesis.

On a aussi proposé dans la demande de brevet français N° 2318617 de munir un implant pour os comprenant un substrat métallique pouvant être en titane, d'une couche poreuse de matière céramique pouvant être de l'oxyde de titane, éventuellement recouverte d'une couche externe de porcelaine formée d'alumine ou d'autres oxydes. Toutefois, la couche céramique poreuse, obtenue par pulvérisation thermique, ne procurait par elle-même qu'une résistance imparfaite à la corrosion, et la couche externe ne servait qu'à boucher les pores de la couche céramique, et ne jouait pas de rôle actif pour la repousse de cellules osseuses. It has also been proposed in French patent application No. 2318617 to provide a bone implant comprising a metallic substrate which may be made of titanium, with a porous layer of ceramic material which may be titanium oxide, optionally covered with a outer layer of porcelain formed from alumina or other oxides. However, the porous ceramic layer, obtained by thermal spraying, provided by itself only an imperfect resistance to corrosion, and the external layer only served to plug the pores of the ceramic layer, and did not play a role. active for regrowth of bone cells.

Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients ci-dessus, et de procurer une tige de fixation d'une compatibilité parfaite avec le tissu dans lequel elle doit être implantée, et favorisant la repousse à son contact de cellules osseuses, tant par la nature de la couche en contact direct avec le tissu que par son imperméabilité complète aux migrations d'ions venus de son âme. The object of the present invention is to remedy the above drawbacks, and to provide a fixing rod of perfect compatibility with the tissue in which it is to be implanted, and promoting regrowth on contact with bone cells, both by the nature of the layer in direct contact with the fabric only by its complete impermeability to the migrations of ions from its soul.

La tige de fixation selon l'invention est caractérisée en ce que la couche de protection externe complémentaire comprend un verre biologiquement compatible avec le tissu vivant et favorisant la repousse osseuse. The fixing rod according to the invention is characterized in that the complementary external protective layer comprises a glass biologically compatible with living tissue and promoting bone regrowth.

Elle comporte, en outre, de préférence au moins l'une des caractéristiques suivantes : It also preferably includes at least one of the following characteristics:

— L'oxyde de titane du revêtement est de l'anatase. - The titanium oxide in the coating is anatase.

— L'oxyde de titane du revêtement est obtenu par oxydation anodique de l'âme dans un bain d'acide phosphorique. - The titanium oxide in the coating is obtained by anodic oxidation of the core in a bath of phosphoric acid.

— Le bain d'acide phosphorique est additionné d'acide borique. - The phosphoric acid bath is supplemented with boric acid.

— L'épaisseur du revêtement d'oxyde de titane est comprise entre 500 et 4000 Â, et de préférence entre 3000 et 3500 Â. - The thickness of the titanium oxide coating is between 500 and 4000 Å, and preferably between 3000 and 3500 Å.

— Le verre biologiquement compatible contient de 2 à 12% en moles d'anhydride phosphorique. - Biologically compatible glass contains from 2 to 12 mol% of phosphoric anhydride.

— Le verre biologiquement compatible a un coefficient de dilatation voisin de celui du titane ou de l'alliage de titane. - Biologically compatible glass has a coefficient of expansion close to that of titanium or titanium alloy.

— La couche externe comprend, outre le verre biologiquement compatible, de l'alumine. - The outer layer includes, in addition to biologically compatible glass, alumina.

Il est décrit ci-après, à titre d'exemples, des structures de tiges d'implantation dans le fémur pour prothèse de la hanche selon l'invention et leur mode de fabrication. There are described below, by way of examples, structures for implantation rods in the femur for hip prosthesis according to the invention and their method of manufacture.

L'âme de la tige est réalisée en alliage de titane vendu sous la désignation commerciale TA6V, à 6% d'aluminium et 4% de vanadium, dont les excellentes propriétés mécaniques, notamment une limite de fatigue d'environ 64-108 cycles, sont connues. Celui-ci est revêtu d'une couche d'oxyde de titane de la variété cristalline anatase par oxydation anodique à température ambiante dans un bain d'acide phosphorique en solution normale, ce bain pouvant être additionné d'acide borique. L'oxydation anodique est poursuivie, par exemple sous une tension de 20 à 200 V, jusqu'à l'obtention d'une couche superficielle d'anatase de 500 à 4000 Â, et de préférence de 3000 à 3500 Â. L'anatase présente l'avantage s The core of the rod is made of titanium alloy sold under the trade name TA6V, with 6% aluminum and 4% vanadium, whose excellent mechanical properties, in particular a fatigue limit of around 64-108 cycles, are known. The latter is coated with a layer of titanium oxide of the crystalline variety anatase by anodic oxidation at room temperature in a bath of phosphoric acid in normal solution, this bath being able to be supplemented with boric acid. The anodic oxidation is continued, for example at a voltage of 20 to 200 V, until a surface layer of anatase of 500 to 4000 Å, and preferably 3000 to 3500 Å, is obtained. Anatase has the advantage s

10 10

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3

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de posséder un coefficient de dilatation de 8,2-10 ~6, très voisin de celui de l'alliage de titane à 6% d'aluminium et 4% de vanadium (8,6-10 ~6). L'emploi d'acide phosphorique comme bain d'oxydation anodique présente l'avantage de n'introduire dans la couche superficielle du revêtement que des ions phosphoriques, dont une migration éventuelle vers la surface de la prothèse à travers la couche de verre biocompatible ne peut qu'être favorable à la repousse de cellules osseuses, alors qu'un bain d'acide sulfurique souvent utilisé en oxydation anodique introduirait des ions sulfate dont l'effet pourrait être nocif. Par ailleurs, il a été constaté que la couche d'anatase s'oppose à toute migration vers la surface de la prothèse d'ions vanadium, dont on pourrait craindre également un effet nocif sur la repousse de cellules osseuses. to have a coefficient of expansion of 8.2-10 ~ 6, very close to that of the titanium alloy with 6% aluminum and 4% vanadium (8.6-10 ~ 6). The use of phosphoric acid as an anodic oxidation bath has the advantage of only introducing phosphoric ions into the surface layer of the coating, any migration of which towards the surface of the prosthesis through the layer of biocompatible glass does not may only be favorable for the regrowth of bone cells, while a sulfuric acid bath often used in anodic oxidation would introduce sulfate ions, the effect of which could be harmful. Furthermore, it has been found that the anatase layer opposes any migration to the surface of the vanadium ion prosthesis, which could also be feared as having a harmful effect on the regrowth of bone cells.

On peut cependant envisager d'autres modes de formation du revêtement d'oxyde de titane, par exemple par oxydation contrôlée à chaud. L'oxyde de titane formé peut être soit de l'anatase, soit du rutile, dont le coefficient de dilatation est cependant plus 5 éloigné de celui de l'alliage de titane TA6V. However, other methods of forming the titanium oxide coating can be envisaged, for example by hot controlled oxidation. The titanium oxide formed can be either anatase or rutile, the coefficient of expansion of which is, however, more distant from that of the titanium alloy TA6V.

On forme ensuite sur la prothèse munie de son revêtement d'oxyde de titane une couche de verre biologiquement compatible avec le tissu, que l'on désignera ci-après sous l'appellation bio-îo verre; le procédé le plus simple serait, par exemple, un trempage de la prothèse dans un bain de bioverre fondu. On revêt, par exemple, la prothèse d'un verre de l'une des compositions molaires suivantes : Then formed on the prosthesis provided with its titanium oxide coating a layer of glass biologically compatible with the tissue, which will be designated below by the name bio-îo glass; the simplest method would be, for example, soaking the prosthesis in a bath of melted bioverre. For example, the prosthesis is coated with a glass of one of the following molar compositions:

Bioverre N° 1 Bioverre N° 2 Bioverre N° 3 Bioverre N° 4 Bioverre N ° 1 Bioverre N ° 2 Bioverre N ° 3 Bioverre N ° 4

Si 02 50 50 45 35 If 02 50 50 45 35

B203 15 15 10 — B203 15 15 10 -

CaO 15 10 10 30 CaO 15 10 10 30

K20 + Na20 15 20 20 25 K20 + Na20 15 20 20 25

P2O5 5 5 5 10 P2O5 5 5 5 10

CaF2 — — 10 — CaF2 - - 10 -

Le bioverre peut également contenir une certaine quantité de magnésie MgO. Il est souhaitable que son coefficient de dilatation soit relativement proche de celui de l'âme et de son revêtement d'oxyde de titane. The biogreen can also contain a certain amount of MgO magnesia. It is desirable that its coefficient of expansion is relatively close to that of the core and its coating of titanium oxide.

Le bioverre peut être mélangé d'alumine pure dans des proportions variables. A cet effet, le verre est broyé et mélangé à la poudre d'alumine avant revêtement de la prothèse par pulvérisation cathodique. Des proportions pondérales satisfaisantes sont les suivantes : The bio-glass can be mixed with pure alumina in variable proportions. To this end, the glass is ground and mixed with the alumina powder before coating the prosthesis by sputtering. Satisfactory weight proportions are as follows:

Bioverre Nos 1, 2, 3 ou 4 ci-dessus Bioverre Nos 1, 2, 3 or 4 above

Alumine pure Pure alumina

15 15

85 85

25 25

75 75

35 35

65 65

Le revêtement est effectué jusqu'à obtention d'une couche de verre biologiquement compatible, ou de mélange verre-alumine, de quelques dixièmes de millimètres jusqu'à environ 1 mm. Il se produit un excellent accrochage résistant aux sollicitations mécaniques ultérieures, entre la couche d'oxyde de titane et la couche de bioverre, du fait de réactions physico-chimiques entre l'oxyde de titane et les oxydes minéraux du verre. The coating is carried out until a layer of biologically compatible glass, or of a glass-alumina mixture, of a few tenths of a millimeter up to approximately 1 mm is obtained. Excellent bonding, resistant to subsequent mechanical stresses, takes place between the titanium oxide layer and the biogreen layer, due to physico-chemical reactions between the titanium oxide and the mineral oxides of the glass.

Des essais effectués sur des animaux ont montré qu'il se formait, sur la surface externe du bioverre, un film riche en silice, dont la zone la plus externe est elle-même riche en phosphate de calcium. Les cellules osseuses formées pénètrent dans la zone riche en phosphate de calcium, tandis que la teneur en phosphate de calcium (hydroxyapatite) de la couche organique contenant des cellules osseuses augmente. Il se produit donc une excellente adhérence entre la couche de bioverre et le nouveau tissu osseux formé. Tests carried out on animals have shown that a film rich in silica is formed on the external surface of the biogreen, the outermost region of which is itself rich in calcium phosphate. The bone cells formed enter the area rich in calcium phosphate, while the content of calcium phosphate (hydroxyapatite) in the organic layer containing bone cells increases. There is therefore excellent adhesion between the bioverre layer and the new bone tissue formed.

Pour favoriser encore plus la formation rapide de cellules osseuses sur une épaisseur notable et leur accrochage à la tige métallique, on peut entourer celle-ci d'un treillis métallique en titane ou alliage de titane, comme déjà décrit dans la demande de 30 brevet français N° 2215927 ou dans la demande de brevet allemand N° 2628284 de la titulaire. La fixation du treillis métallique sur la tige peut s'effectuer directement, par sondage de la première couche du noyau sur les arêtes de la tige, puis soudages successifs à la molette des couches suivantes sur la première. On l'effectue 35 cependant de préférence en disposant de minces bandes allongées de titane près de la tige à l'extérieur du treillis métallique, puis en soumettant les bandes métalliques à un bombardement électronique. To further promote the rapid formation of bone cells over a significant thickness and their attachment to the metal rod, it can be surrounded by a metal mesh of titanium or titanium alloy, as already described in the French patent application. No. 2215927 or in the German patent application No. 2628284 of the holder. The fixing of the wire mesh on the rod can be carried out directly, by probing the first layer of the core on the edges of the rod, then successive welds with the wheel of the following layers on the first. This is preferably done, however, by placing thin elongated strips of titanium near the rod outside the wire mesh, and then subjecting the metal strips to electron bombardment.

On munit alors la tige entourée du treillis métallique du 40 revêtement d'oxyde de titane par oxydation anodique, puis on effectue le dépôt de la couche de verre biologiquement compatible par tout moyen approprié, notamment par trempage. The rod surrounded by the wire mesh is then provided with the titanium oxide coating by anodic oxidation, then the biologically compatible glass layer is deposited by any suitable means, in particular by tempering.

Bien que la tige de fixation qui vient d'être décrite ci-dessus en détail et son procédé de fabrication paraissent préférables, on 45 comprendra que diverses modifications peuvent leur être apportées, sans sortir du cadre de l'invention, certains constituants ou certaines opérations pouvant être remplacés par d'autres qui joueraient le même rôle technique. En particulier, l'âme en alliage de titane TA6V peut être remplacée par une âme en titane pur ou 50 en un autre alliage de titane. Le revêtement d'oxyde de titane peut être de la forme cristalline rutile, comme déjà indiqué. Le bioverre peut comporter d'autres constituants ne pouvant engendrer des ions nocifs à la repousse osseuse. Although the fixing rod which has just been described above in detail and its manufacturing method appear preferable, it will be understood that various modifications can be made to them, without departing from the scope of the invention, certain constituents or certain operations can be replaced by others who would play the same technical role. In particular, the core of TA6V titanium alloy can be replaced by a core of pure titanium or 50 of another titanium alloy. The titanium oxide coating can be of the rutile crystalline form, as already indicated. The bio-green may include other constituents which cannot generate ions harmful to bone regrowth.

Bien que l'application la plus importante de l'invention 55 concerne les tiges fémorales pour prothèse de la hanche, elle s'applique aussi aux tiges d'implantation dans un os relié à une articulation, par exemple d'implantation dans le fémur ou le tibia pour une prothèse du genou, ou dans l'humérus pour l'articulation de l'épaule, ou au matériel de réparation osseuse. Although the most important application of the invention 55 relates to femoral stems for hip prosthesis, it also applies to stems for implantation in a bone connected to a joint, for example for implantation in the femur or the tibia for a knee prosthesis, or in the humerus for the shoulder joint, or bone repair material.

R R

Claims

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1. Metallic rod made of titanium or titanium alloy for cementless fixation in a long bone for joint prosthesis and bone repair material, with long-term corrosion protection coating in titanium oxide and additional external protective layer, characterized in that the additional external protective layer comprises a glass biologically compatible with living tissue and promoting bone regrowth.

2. Fastening rod according to claim 1, characterized in that the titanium oxide of the coating is anatase.

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3. Fastening rod according to claim 1, characterized in that the thickness of the titanium oxide coating is between 500 and 4000 Å, and preferably between 3000 and 3500 Å.

4. Fastening rod according to claim 1, characterized in that the biologically compatible glass contains from 2 to 12 mol% of phosphoric anhydride.

5. Fastening rod according to one of claims 1 to 6, characterized in that the biologically compatible glass has a coefficient of expansion close to that of titanium or the titanium alloy.

6. Fastening rod according to claim 1, characterized in that the outer layer comprises, in addition to the biologically compatible glass, alumina.

7. Fastening rod according to claim 1, characterized in that it is surrounded by a metallic mesh of meshes of dimensions at least equal to 0.3 mm, itself provided with a coating of titanium oxide and d '' an outer layer comprising a glass biologically compatible with living tissue.

8. A method of manufacturing a metal rod according to claim 1, characterized in that the titanium oxide is obtained from the coating by anodic oxidation of the core in a bath of phosphoric acid, and in that l 'said protective coating is covered with a glass biologically compatible with living tissue and promoting bone regrowth.

9. Method according to claim 8, characterized in that the phosphoric acid bath is supplemented with boric acid.

10. Method according to one of claims 8 or 9, characterized in that the rod is surrounded by a wire mesh, there are externally to the mesh thin longitudinal strips of titanium or titanium alloy, and fixed the trellis and the longitudinal strips on the rod by electron bombardment of the longitudinal strips.