CZ43096A3

CZ43096A3 - Process for preparing spongy shaped pieces from bone ceramics

Info

Publication number: CZ43096A3
Application number: CZ96430A
Authority: CZ
Inventors: Nies Dr Berthold
Original assignee: Merck Patent Gmbh
Priority date: 1995-02-15
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 1996-09-11
Also published as: ES2161926T3; EP0727231A3; ATE205731T1; DE19504955A1; EP0727231A2; DE59607698D1; JPH08238264A; PL312811A1; EP0727231B1; KR960030898A; CN1137928A; US5725813A

Description

Způsob výroby spongiosních tvarovek z kostní keramiky

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby spongiosních tvarovek z kostní keramiky s geometricky nepravidelnými tvary a se zaoblenými rohy a hranami.

Dosavadní stav techniky

Je už delší dobu známo, že se jako kostní náhrada výtečně hodí mineralizované kosti slinuté na keramiku. U kostní keramiky existuje přirozeně největší souhlas chemického složení, strukturní stavby a mechanické pevnosti s přirozenou kostí. Spongiosní kostní keramika se kromě toho vyznačuje tím, že je obzvláštní měrou osteokonduktivní. Otevřená, navzájem propojená trámcovitá struktura spongiosní kostní keramiky podporuje narůstání a zarůstání nové kostní matrice, takže v průběhu přihojování dochází k intenzivnímu propojování a tím k integraci kostního implantátu. Kostní keramiky zhotovené ze zvířecích kostí se proto rostoucí měrou používají jako kostní náhrady při osteosynthese a při rekonstrukcích vad kostí způsobených nemocí nebo úrazem.

Výroba kostní keramiky ze zvířecích kostí probíhá zpravidla tak, že se vybrané kosti a kusy kostí napřed zbaví mechanicky všech ulpělých měkkých částí a rozřezáním pilou se zhruba upraví na kusy vhodného tvaru a velikosti, které se pak odstraněním dalších organických částí mineralizují a nakonec upraví na konečný tvar. Mineralizace začíná napřed několikanásobným vyvařením ve vodě. Další zpracování může probíhat třeba rozpouštědly tuků a bílkovin a nebo pomocí peroxidu vodíku, jak je to například popsáno v evropském patentovém spise číslo EP 0 141004. Jako obzvlášť jednoduché a účinné se osvědčily pyrolitické postupy mineralizace. Při nich se působením tepla rozloží organický podíl kosti a výsledná kostní surovina se pak vypálí s přebytkem kysli2 běžné teploty 800 až 1400 žádoucí konečnou pevnost.

kosti spongiosních částí a přístupný jen malý podíl ku. Při kostní pyrolyse jsou běžné teploty 500 až 1000 ’C. Po mineralizaci kosti následuje slinování na keramiku, při němž jsou ’C. Slinováním získá materiál .teprve Při vyjmenovaných postupech je třeba dbát obzvláště toho, aby zůstala po možnosti zachována porézní struktura původní kosti. Při přeměně spongiosního kostního materiálu na spongiosní kostní keramiku se může postupovat s výhodou podle německého patentového spisu číslo DE 37 27 606, při kterém speciální vedení teploty a redukčního, případně oxidačního charakteru atmosféry umožňuje obzvlášť šetrnou pyrolysu.

V dalším průběhu se z hrubých kusů spongiosní kostní keramiky upraví řezáním nebo frézováním tvarovky definovaného geometrického tvaru a rozměrů. Obchodně dostupné jsou například krychle, hranoly a válce o objemu přibližně 0,2.5 až 4,25 cm³.

Možný výtěžek takových tvarovek se zřetelem na původní surovinu je však nadmíru malý. Vzhledem k přirozenému tvaru a velikostí je k získání tvarovek vhodný celkového spongiosního rozsahu surové kosti. Musí se odstranit corticalis, růstové mezery, nehomogenní a mechanicky nestabilní oblasti. Často nejsou takové oblastí zvenčí rozeznatelné, takže tvarovky .prasknou až při řezání nebo frézování, nebo se pozná po této operaci jejich nevhodnost a jsou pak odpadem.

Jmenované geometricky definované tvarovky vykazují však ostré rohy a hrany. V oblasti rohů a hran je přirozeně spongiosní kostní keramika velmi choulostivá, takže dochází například při klinické aplikaci velmi snadno k lomu a odírání. Kromě nežádoucí změny tvaru odlomením rohu nebo hrany, mohou uvolněné částice vyvolávat v místě implantace nežádoucí reakce. Toto nebezpečí je dáno obzvláště při press-fit“ implantaci takových tvarovek do kostních vad vyfrázovaných na příslušnou míru.

Praktické zkušenosti při klinickém používání spongiosních tvarovek z kostní keramiky dále ukázaly, že jen v málo případech se vyskytuje vynucená potřeba předem stanovené geometrie a rozměrů. Často provádí chirurg před implatnací nebo v jejím průběhu opracování tvarovek, aby je přizpůsobil danému místu implantace.

Při tom se nedá často rovněž vyloučit nežádoucí vnesení jemných částic. Dále by bylo výhodné při vyplňování velkoprostorových kostních vad mí_t. při ruce větší .počet spongiosních tvarovek z kostní keramiky s geometricky nepravidelnými tvary k vyplnění vady.

Nyní se s překvapením zjistilo, že lze získat žádoucí spongiosní tvarovky z kostní keramiky s geometricky nepravidelnými tvary a se zaoblenými rohy a hranami a bez mechanicky nestabilních oblastí tak, že se po mineralizaci kusů hrubě předem vytvarovaných spongiosních kostí a slinování na keramiku upravuje tvar kusů v kulovém mlýně.

Podstata vynálezu

Způsob výroby spongiosních tvarovek z kostní keramiky, při > -i kterém se kusy hrubě vytvarovaných spongiosních kostí mineralizují odstraněním všech organických podílů, pak se mineralizovaná kostní hmota slinuje na keramiku, načež následuje konečné vytvarování kusů kostní keramiky, spočívá podle vynálezu v tom, že se kusy kostní keramiky tvarují v kulovém mlýně, čímž se odstraní mechanicky nestabilní oblasti kostní keramiky a získají se-fgeometricky nepravidelné tvarovky se zaoblenými rohy a hranami.

Při způsobu podle vynálezu se postupuje napřed známým způsobem, obzvláště způsobem podle německého patentového spisu číslo 37 27 606 k mineralizaci a slinování kostního materiálu. K tomu se napřed vybraný kostní materiál, obzvláště hlavy kloubů čerstvě poraženého hovězího dobytka, který byl odstraněním měkkých částí a hrubou úpravou pilou předem upraven na kvádrové kusy, vyvaří několikrát ve vodě. Kusy kostí se pak několik hodin suší, pyrolyzují se v pprostředí dusíku, na vzduchu nebo v kyslíku se vypálí a pak se podrobí konečnému slinování. Před konečným slinováním může být, jak je popsáno v německém patentovém spisu číslo DE 40 28 683, zařazena operace zpracování ve vodném roztoku organické kyseliny, obzvláště kyseliny citrónové, čímž se materiálu se odstraní podíly oxidu vápenatého.

Podle vynálezu se provádí konečné zpracování kusů kostní ke4 raníky v kulovém mlýně k odstranění' mechanicky nestabilních částí a k vlastnímu vytvarování tvarovek se zaoblenými rohy a hranami. K tomu lze použít, kusy kostní keramiky hned po slinovánj. Účelné je -předběžné zmenšení pilou, frézou nebo čelistovým drtičem, které se zaměřuje na odstranění případných zbylých oblastí corticalis a růstových mezer a na požadované velikosti tvarovek. Stejně se hodí i úlomky a odřezky, které odpadnou při výrobě tvarovek definovaného geometrického tvaru.

Hrubě předzpracované spongiosní kusy kostní keramiky se nyní přenesou do obchodně obvykle dostupného kulového mlýna o kapacitě odpovídající příslušnému množství a tam se podrobí více či méně intenzivnímu zpracování k získání konečného tvaru. Typický kulový mlýn sestává z válcovité nádoby z dostatečně tvrdého materiálu, která může být těsně uzavřena víkem. Touto nádobou se okolo její osy otáčí na válcovací stolici s účelně regulovatelnými otáčkami. Alternativní konstrukční formou jsou odstředivé, kmitací a planetové kulové mlýny. Takové kulové mlýny mají zpravidla objem 1 až 15 1 i trů.

Obvykle se k omílané náplni přidávají během zpracování omílací tělíska z dosatečně tvrdého materiálů, zpravidla kulového tvaru. Mlecí kuličky mají zpravidla průměr 9 až 50 mm. -Účelně je kulový mlýn a mlecí kuličky z tvrdého porcelánu nebo z oxidu hlinitého. Oxid hlinitý má oproti kostní keramice zřetelně vyšší tvrdost, takže se nemusí počítat s opotřebením mlýna a s kontaminací omílaného materiálu.

Intenzita a doba zpracování v kulovém mlýně i případná přísada a velikost mlecích kuliček závisí na primární velikosti a kvalitě kusů z kostní keramiky, na požadovaném obrobení a na konečné velikosti, které má být dosaženo. Pomalý běh mlýna po delší dobu bez mlecích kuliček nebo jen s malými kuličkami je šetrnější a dává se mu přednost u spongiosní keramiky malé hustoty a pevnosti. Krátké, ‘intenzivní zpracování s poměrně velkými k.cuiemi může být účelné u hustšího, tvrdého materiálu. Typické mlecí podmínky jsou například doba chodu přibližně 2 až 6 hodin s mlecími tělísky, případně doba chodu přibližně 6 až 18 hodin bez mlecích tělísek v kulovém mlýně o obsahu 10 1 při náplni o sypném obsahu přibližně 5 1 omílaného materiálu.'

Vedle suchého” zpracování v kulovém mlýně může být účelné i provádět úpravu tvaru za vlhka. Při tom se k omílanému materiá(Ϊ ' ’ ¹ lu přidá pomocná mlecí kapalina, přičemž objemový poměr omílaného i

* materiálu ke kapalině může být 0,5 až 2,5. Zpracování při tom může být ještě šetrnější. Kromě toho se oddělené částice z velké části z kusů kostní keramiky uvolňují případně odplavují. Jako kapaliny se s výhodou používá vody. Lze použít i organických rozpouštědel jako mlecí tekutiny. Především připadají v úvahu alkoholy jako obzvláště methanol a ethanol. Může být také účelné použít jako mlecí kapaliny vodného solného roztoku s výhodou solí vápenatých nebo fosfátových. Tak se dají případně už během omílání tělesa kostní keramiky chemicky upravovat, případně dodatečným obložením povrchu ionty vápníku, čímž může být začlenění taktového implantovaného tělesa kladně ovlivněno.

Výsledkem zpracování podle vynálezu v kulovém mlýně je úplné odstranění mechanicky jen málo zatižitelných nebo vůbec nezatížitelných částí hrubě předzpracovaných těles kostní keramiky. Podle druhu a trvání omílání jsou tělesa více nebo méně zaoblená. Odstraní se obzvláště slabá místa na exponovaných rozích a hranách a při následném klinickém zpracování se nemohou odlomit a nebo.se nemohou částice uvolnit. Po zpracování v kulovém mlýně zůstane přibližně 60 až 80% vsazeného materiláku kostní keramiky v podobě zaoblených, nepravidelně tvarovaných těles. Tato nepravidelná tělesa vykazují ve srovnání se vsazeným materiálem vyšší homogenitu, vztaženo na porozitu. Vlivem zpracování zůstanou jako tvarovky pouze spongiosní oblasti vyšší hustoty a mechanické stability, jelikož všechny vysoce porézní a nestabilní oblasti se odstraní.

Je pochopitelné, že vedle kulových mlýmů může být použito £

jiných omílacích aparatur případně zpracovacích technik, pokud vedou ke stejnému výsledku.

Zpracování podle vynálezu se ukončí prosátím a následně důkladným vyplavením otěru. Po dostatečném proprání nevykazují tělesa zpracovaná podle vynálezu patrný otěr jak při skladování, tak při klinické manipulaci. Vlivem spolehlivého odstranění všech málo zatižitelných a nadměrně vysoce porézních spongiosních oblastí zůstane materiál o zřetelně vyšší ' pevnosti v tlaku, což je při klinické náhradě nezbytné. Značně zlepšené využití vneseného kostního materiálu je.další podstatnou výhodou způsobu podle vynálezu, který zvyšuje hospodárnost aplikace spongiosní kostní keramiky v endoprotetice.

Vynález blíže objasňují příklady praktického provedení, které však vynález nijak neomezují.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Surové hlavy kloubů čerstvě poraženého hovězího dobytka, zbavené měkkých částí se pilou rozřežou na kusy tvaru kvádrů o rozměrech zhruba 30x30x100 mm a třikrát se vyvaří vodou po dobu 1 hodiny.

Kusy kostí se pak 6 hodin suší při teplotě 110 ’C. Pak se zahřejí v prostředí dusíku a udržují se na teplotě 450 * C po dobu 9 hodin. Během následné 20-hodinové zahřívací periody ze 450 na 600 *C se prostředí převede lineárně na prostředí vzduchu a kyslíku a pak se 5 hodin udržuje na teplotě 900 ‘C. Po vychladnutí se kusy kostí vnoří do lázně hmotnostně 5% roztoku kyseliny citrónové (10 1 na 1 kg kostí) a v míchané lázni se ponechají při teplotě 20 *C 3 hodiny. Po tomto zpracování se kusy dodatečně promyjí třikrát demineralizovanou vodou.

Ke konečnému slinování se kusy zahřívají v průběhu 21 hodin na teplotu 1250 'C, udržují se po dobu tří hodin na této teplotě a pak se volně ochladí.

Získané kusy kostní keramiky vykazují nezměněnou porézní strukturu původní spongiosní kosti. Rentgenograficky sestává keramika z přibližně 99 % hydroxylapat i tu.

Z takto získaných kusů kostní keramiky se pomocí dutě frézy s vnitřním průměrem 10 mm vyfrézují válečky, které se pak upraví na délku 10 mm. Při tom není třeba dbát například na homogenitu, na růstové mezery a na trhliny, jak je to nutné při zhotovování geometricky definovaných tvarovek. Množství takových válečků odΊ povídající svpnému objemu přibližně 5 1 se omílá v obchodně dostupném kulovém mlýně z oxidu hlinitého o kapacitě 10 1 18 hodin í bez přísady mlecích tělísek při počtu otáček 30/min. _

V Nakonec se tvarovky v ultrazvukové lázni properou deminera* lizovanou vodou a při tom se několikrát přesypou. Pak se tvarovky dají do autoklávu s proudící párou na 15 minut při. teplotě 122 ’C. Pak se materiál suší 18 hodin při teplotě 300 ‘C a za přístupu vzduchu se zbaví znečištěnin. Získají se dobře zaoblené až téměř kulovité tvarovky o vysoké homogenitě a mechanické pevnosti, které se pak po 5 kusech uzavřou do balení s vysokým vakuem.

Příklad 2

Postupuje se jako podle příkladu 1, avšak použije se odpadní materiál, jako úlomky a výmět z výroby geometricky definovaných tvarovek. Získají se tělesa různého tvaru a velikosti s dobře zaoblenými rohy a hranami s vysokou homogenitou a mechanickou pevnost í.

Příklad 3

Postupuje se jako podle příkladu 1, avšak slinovaný materiál se zmenší po odstranění oblastí corticalis v čelistovém drtiči na kusy o velikosti 1 až 2 cm a pak se zpracuje 3 hodiny za přidání pěti kuliček o.průměru 3 cm z oxidu hlinitého v kulovém mlýně. Přitom se získají kusy vysoké hustoty a různého tvaru, které se k prohlídce vyjmou sítem. Po odstranění oděru v ultrazvukové lázni a po následném zpracování v autoklávu a vysušení se kusy zabalí po 20 kusech.

Průmyslová využitelnost

Způsob výroby spongiosních tvarovek z kostní keramiky s geometricky nepravidelnými tvary a se zaoblenými rohy a hranami použitelných v klinické praxi ke kostním náhradám.

Claims

PATENTOVÉ' NÁROKY

1. Způsob výrobv SDongiosních tvarovek z kostní, keramiky, při &

|J kterém se kusy hrubě vytvarovaných spongiosních kosti mineralizu- H i ‘- i jí odstraněním všech organických podílů, pak se mineralizovaná v kostní hmota slinuje na keramiku, načež následuje konečné vytvarování kusů kostní keramiky, vyznačující se tím,' že se kusy kostní keramiky tvarují v kulovém mlýně, čímž se odstraní mechanicky nestabilní oblasti kostní keramiky a získají se geometricky nepravidelné tvarovky se zaoblenými rohy a hranami.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se tvarování provádí v kulovém mlýně z oxidu hlinitého za přísady kuliček z oxidu hlinitého.
3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že se tvarování provádí za přítomnosti vody, vodného roztoku soli nebo organického rozpouštědla.
4. Spongiosní těleso z kostní keramiky s geometricky nepravidelnými tvary a se zaoblenými rohy a hranami , vyznačující se tím, že se vyrábí způsobem podle nároků 1 až 3.