DD300262A7 - METALLSPONGIOSA - Google Patents

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DD300262A7
DD300262A7 DD32099988A DD32099988A DD300262A7 DD 300262 A7 DD300262 A7 DD 300262A7 DD 32099988 A DD32099988 A DD 32099988A DD 32099988 A DD32099988 A DD 32099988A DD 300262 A7 DD300262 A7 DD 300262A7
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metal
bone
titanium
implant
spongiosa
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DD32099988A
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Peter Kurze
Klaus Rabending
Rainer Morgenstern
Waldemar Krysmann
Peter Daniel
Manfred Polster
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Technische Universitaet Karl-Marx-Stadt,De
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Metallspongiosa aus Titanium oder Tantal oder deren Legierungen in Form einer offenzelligen Drahtgitterstruktur, deren gesamte Oberflaeche mikrostrukturiert und bioaktiv geschichtet ist. Die Metallspongiosa dient als Knochenersatz in der Unfallchirurgie bzw. Orthopaedie und heilt bindegewebslos ein. Die Hohlraeume koennen vollstaendig oder teilweise mit resorbierbaren Biomaterialien gefuellt sein.{Metallspongiosa; metallisches Dauerimplantat; Bioaktivbeschichtung; Medizin; Unfallchirurgie; Orthopaedie; offenzelliges Stuetzgeruest; Titanium, mikrostrukturierte Oberflaeche; bindegewebsloses Einwachsen}The invention relates to a metal spongiosa of titanium or tantalum or their alloys in the form of an open-cell wire mesh structure, the entire surface of which is microstructured and bioactively layered. The metal spongiosa serves as a bone substitute in trauma surgery or orthopedics and heals without connective tissue. The cavities may be completely or partially filled with resorbable biomaterials {metal spongiosa; permanent metal implant; Bioaktivbeschichtung; Medicine; Trauma; Orthopedic; open-celled support structure; Titanium, microstructured surface; connective tissue ingrowth}

Description

aus Reinmetall können auch biokompatible Legierungen, beispielsweise Ti6AI4V Verwendung Finden. Die gesamte innere und äußere Metallspongiosaoberfläche ist mit einer bis zu 10pm starken bioaktiven Schicht versehen, die metallseitig aus reinem Oxid des Substratmaterials besteht und in Richtung zum Hohlraum bzw. zur Umgebung aber wachsende Mengen Kalziumphosphat bis zu einer Oberflächenkonzentration von 12% enthält. Die bioaktive Schicht ist außerdem derart mikrostrukturiert, daß pro mm2 mindestens 104 Poren mit einem Porendurchmesser > 1 pm und einer maximalen Porentiefe von Va der Bioaktivschichtstärke vorhanden sind. Die nach außen führenden Kanäle oder der gesamte Hohlraum können zusätzlich vollständig oder teilweise mit resorbierbaren Biomaterialien ausgefüllt sein. Der Vorteil der so aufgebauten Metallspongiosa besteht darin, daß die Gerüststruktur der natürlichen Spongiosastruktur sehr ähnlich ist, die chemische Zusammensetzung und die Mikrostrukturierung der Oberfläche den angrenzender. Knochen zum Einwachsen in das Implantat anregen. Tierexperimentelle Untersuchungen zeigen, daß bei einer lichten Weite der durchgängigen Kanäle von > 0,8mm das Implantat völlig vom Knochengewebe durchwachsen wird, wodurch sich das Implantat auch zur Defektüberbrückung bei noch nicht abgeschlossenem Längenwachstum jugendlicher Patienten eignet.Pure metal can also be used to find biocompatible alloys, for example Ti 6 Al 4 V. The entire inner and outer metal spongiosa surface is provided with up to 10pm strong bioactive layer, the metal side consists of pure oxide of the substrate material and towards the cavity or the environment but containing growing amounts of calcium phosphate to a surface concentration of 12%. The bioactive layer is also microstructured such that at least 10 4 pores with a pore diameter> 1 pm and a maximum pore depth of Va of the bioactive layer thickness are present per mm 2 . The outwardly leading channels or the entire cavity may additionally be filled completely or partially with resorbable biomaterials. The advantage of the metal spongiosa constructed in this way is that the framework structure is very similar to the natural spongiosa structure, the chemical composition and the microstructuring of the surface are adjacent. Stimulate bone to grow into the implant. Animal experiments show that with a clear width of the continuous channels of> 0.8 mm, the implant is completely penetrated by the bone tissue, whereby the implant is also suitable for bridging the defect in incomplete growth of young patients.

Ausführungsbeispielembodiment

Ein rotationssymmetrisch geformter Metallspongiosa-Implantatkörper für eine Defektüberbrückung an der Speiche nach unfallbedingten Stücktrümmerbrüchen im Unterarmbereich hat eine Gesamtlänge von 42 mm und gliedert sich in drei zylindrische Abschnitte, deren mittlerer 30mm lange Abschnitt einen Durchmesser von 18 mm aufweist, während die beiden 6mm langen Enden einen Durchmesser von jo 6mm besitzen. Der implantatkörper besteht aus einem Stützgerüst aus Reinsttitaniumdrähten mit rechteckigem Querschnitt von 0,5 mm mal 1 mm, welche jeweils im Abstand von 2 mm alternierend mit zwei anderen Drähten stoffschlüssig über eine Länge von 1mm verbunden sind, so daß zwei benachbarte Drähte jeweils alle 5 mm verbunden sind und keine stoffschlüssig ungebundenen Drähte auftreten. Die jeweils 2 mm langen nicht stoffschlüssigen verbundenen Drahtabschnitte sind in unregelmäßiger Weise umgeformt und miteinander verschlauft, so daß eine offenzellige Drahtgitterstruktur mit unregelmäßig geformtem Hohlraum vorliegt, welcher durch Kanäle unterschiedlicher Form und Größe vugängig ist. Die Dichte des Implantatkörpers, dessen Form durch mehrere Kaltumformungen erreicht wird, beträgt 56% dor Dichte des Reintitaniums.A rotationally symmetrical metal spongiosa implant body for a defect bridging at the spine after accidental fragmental fractures in the forearm has a total length of 42 mm and is divided into three cylindrical sections, the central 30mm long section has a diameter of 18 mm, while the two 6mm long ends one Diameter of jo 6mm own. The implant body consists of a support framework made of pure titanium wires with a rectangular cross-section of 0.5 mm by 1 mm, which are connected at intervals of 2 mm alternately with two other wires cohesively over a length of 1mm, so that two adjacent wires every 5 mm are connected and no cohesively unbound wires occur. The respective 2 mm long non-cohesively connected wire sections are irregularly formed and looped together, so that there is an open-cell wire grid structure with irregularly shaped cavity, which is vugängig through channels of different shape and size. The density of the implant body, whose shape is achieved by several cold forming, is 56% of the density of the pure titanium.

Die gesamte innere und äußere Oberfläche des Implantatkörpers trägt eine 5μηι dicke Titanlumoxidschicht, die an der Oberfläche 7% Kalziumphosphat enthält. Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen der Oberfläche zeigt η auf einer Fläche von 1mm2 2 104 Poren mit einem Mindestdurchmesser von 1 pm. Die Druckfestigkeit des Implantatkörp jrs beträgt > 300 N/mm2.The entire inner and outer surface of the implant body carries a 5μηι thick titanium lum oxide layer containing 7% calcium phosphate on the surface. Scanning electron micrographs of the surface show η on an area of 1mm 2 2 10 4 pores with a minimum diameter of 1 pm. The compressive strength of the implant body jrs is> 300 N / mm 2 .

In Betracht gezogene Druckschriften: DD 243855 (A61C8/00) DE-OS 3629813(A61F2/02)Documents considered: DD 243855 (A61C8 / 00) DE-OS 3629813 (A61F2 / 02)

Claims (2)

1. Metallspongiosa mitoffenzeiligerStrukturausTitanodereinerTitanlegierung mit durchbrochenen Oberflächenstrukturen in Form verbundener, unregelmäßig verschlaufter, kalt verformter Drähte, die mit einem bioaktiven Oxid allseitig beschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallspongiosa aus einem Metallkörper mit regelmäßig punktförmig und stoffschlüssig verbundenen Drähten mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt besteht und daß die Schicht metallseitig aus reinem Oxid besteht und in Richtung der Umgebung wachsende Mengen an Kalziumphosphat zu einer Oberflächenkonzentration von 12% enthält und so mikrostrukturiert ist, daß pro mm2 mindestens 104 Poren mit einem Porendurchmesser > 1 μιη und einer maximalen Porentiefe von 1Iz der Schichtdicke vorhanden sind.1. A metal-pongiosa of open-pore structure of titanium of a titanium alloy having apertured surface structures in the form of connected, irregularly twisted, cold-formed wires coated on all sides with a bioactive oxide, characterized in that the metal cancellous bone consists of a metal body with regularly punctiform and cohesively connected wires of square or rectangular cross-section and that the layer metal-side consists of pure oxide and in the direction of the environment growing amounts of calcium phosphate to a surface concentration of 12% and is microstructured so that per mm 2 at least 10 4 pores with a pore diameter> 1 μιη and a maximum pore depth of 1 lz the layer thickness are present. 2. Metallspongiosa nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Hohlräume vollständig oder teilweise mit resorbierenden Biomaterialien ausgefüllt sind.2. metal cancellous bone according to claim 1, characterized in that cavities are completely or partially filled with resorbing biomaterials. Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung betrifft eine Metalispongiosa zur Verwendung in der Humanmedizin, insbesondere in der Unfallchirurgie und der Orthopädie.The invention relates to a metal spongiosa for use in human medicine, in particular in trauma surgery and orthopedics. Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art Bekannt sind metallische Dauerimplantate aus bionierten reinen Metallen bzw. deren Legierungen, die beispielsweise in Form von Gelenkprothese in der Chirurgie Anwendung finden und deren fester Kontakt mit dem Knochen mit Hilfe von Knochenzement erfolgt.Are known metallic permanent implants of bionated pure metals or their alloys, which are used for example in the form of joint prosthesis in surgery and their firm contact with the bone with the help of bone cement. Wegen der allmählichen Strukturveränderungen des Knochenzementes kommt es zur Auslockerung und zur Liegezeitverkürzung des Implantates. Aus diesem Grund werden zementfreie Implantatknochenverbindungen gewünscht. Bekannt hierzu ist, die Oberflächen der Metallimplantate in geeigneter Weise zu strukturieren oder mit gitterförmigen Elementen zu ummanteln, wie beispielsweise in AT-PS383268 beschrieben, wodurch eine formschlüssige Verankerung mit dem Knochengewebe ermöglicht werden soll. Besonders feste Implantat-Knochen-Verbunde sollen entstehen, wenn unregelmäßige offenzellige spongiosaähnliche Implantate oder Implantatoberflächen Anwendung finden, die einen trabekulären Einwuchs oder Durchwuchs von Knochen in das Implantat ermöglichen.Because of the gradual structural changes of the bone cement it comes to the loosening and shortening of the implant. For this reason, cementless implant bone connections are desired. It is known to structure the surfaces of the metal implants in a suitable manner or to encase with lattice-shaped elements, as described for example in AT-PS383268, whereby a positive anchoring to the bone tissue is to be made possible. Particularly strong implant-bone composites are said to arise when irregular open-cell spongiosa-like implants or implant surfaces are used which allow trabecular ingrowth or bone growth into the implant. Nach HENSSGE (Focus MHL 2 [1985] 4,1-8) sind diese Metallspongiosa Gußkö-per, vorzugsweise aus Kobaltbasislegierungen, die als Soütä rimplantate zur Stabilisierung, zu Funktionszwecken bzw. zur Oberflächonstrukturierung für Gelenkersatzimplantate entwickelt wurden. Die Entwicklung auf diesem Gebiet ist noch nicht abgeschlossen (und gesicherte Langzeitergebnisse fehlen noch). Es ist allerdings bekannt, daß bei der Verwendung von Kobaltbasislegierur.gen kein bingegewebsloser Kontakt mit dem Knochen erreicht wird und es zu Abstoßungsreaktionen kommen kann. Außerdem ist die Herstellung der Metallspongiosa· Gußkörper technisch aufwendig und die Oberflächenreinheit ungenügend. Es ist auch allgemein bekannt. Titan oder Titanlegierungen für Implantate zu verwenden, wobei diese zusätzlich mit bioaktiven Materialien beschichtet sein können (DEOS3629813, DDPS243855). Hierbei beinhaltet der Herstellungsprozeß des Titanimplantats gemäß DEOS3629813 Arbeitsgänge (Schweißen, selektives Auflösen mittels Säure), die ein sehr aufwendiges Beseitigen biologisch unverträglicher Verunreinigungen erfordern. Des weiteren können an den Schweißstellen lokale Potentialdifferenzen zur Korrosion führen. In der DD-PS243855 wird in allgemeiner Form auf biegsame Metall- und Koramikstrukturen für Implantate verwiesen, ohne jedoch praktikable Ausgestaltungen zu benennen.According to HENSSGE (Focus MHL 2 [1985] 4,1-8), these metal spongiosa are casting bodies, preferably of cobalt-base alloys, which have been developed as soutae implants for stabilization, for functional purposes or for surface structuring for joint replacement implants. Development in this area is not yet completed (and long-term results are still missing). However, it is known that using cobalt-based alloy tissue does not result in binge-tissue-free bone contact and can lead to rejection reactions. In addition, the production of the metal spongiosa casting is technically complicated and the surface purity is insufficient. It is also well known. To use titanium or titanium alloys for implants, which may be additionally coated with bioactive materials (DEOS3629813, DDPS243855). Here, the manufacturing process of the titanium implant according to DEOS3629813 operations (welding, selective dissolution by means of acid), which require a very complicated removal of biologically incompatible impurities. Furthermore, local potential differences can lead to corrosion at the welds. In DD-PS243855 reference is made in general terms to flexible metal and Koramikstrukturen for implants, but without naming practicable embodiments. Ziel der ErfindungObject of the invention Ziel der Erfindung ist, eine hochfeste Metallspongiosa mit geringem technischen Aufwand zu schaffen, die eine lange Liegedauer garantiert, postoperativ sofort mindestens übungsstabil ist und die Hospitalisierungszeiten der Patienten verkürzt.The aim of the invention is to provide a high-strength metal cancellous bone with little technical effort, which guarantees a long period of time, postoperatively immediately at least exercise-stable and shortens the hospitalization of patients. Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochfeste sr.hwermetallfreie oder schwermetallarme Metallspongiosa zu schaffen, die über die gesamte Oberfläche mikrostrukturiesi und bioaktiv ist und ein bindegewebsloses Einwachsen bzw. Durchwachsen des Knochengewebes fördert. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe unter Verwendung offenzelliger bioinerter Zellstrukturen aus Titan oder Titanlegierungen mit durchbrochenen Oberflächenstrukturen in Form verbundener, unregelmäßig verschlaufter und kalt verformter Drähte dadurch gelöst, daß die Metallspongiosa in der erforderlichen Gestalt aus miteinander in regelmäßigen Abständen punktförmig und stoffschlüssig verbundenen, sowie unregelmäßig formschlüssig miteinander verschlaufton, hochgradig kaltgeformten Drähten mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt aus Titanium oder Titaniumlegierungen, Tantal odor Tantallogierungen besteht, so daß ein Stützgerüst der Dichte von 50 bis 90% der Diciite des Substratmaterials mit unregelmäßig strukturierten Zellen vorliegt. Die Zellen haben miteinander Verbindung, so daß der gesamte Implantatkörper einen unregelmäßig durchbrochenen Hohlraum besitzt, der allseitig durch unregelmäßig geformte Kanäle dem einwachsenden Knochengewebe zugängig ist. Die Drähte haben einen Querschnitt bis 3 mm2. Anstelle von DrähtenThe invention has for its object to provide a high-strength sr.hwermetallfreie or heavy metal metal spongiosa, which is mikrostrukturiesi and bioactive over the entire surface and promotes a connective tissue ingrowth or growth of bone tissue. According to the invention, the object is achieved by using open-cell bioinert cell structures of titanium or titanium alloys with open-surface structures in the form of connected, irregularly twisted and cold-formed wires in that the metal cancellous bone in the required shape punctiform and cohesively connected with each other at regular intervals, and irregularly form-fitting with each other devoid of tone, highly cold-formed wires of square or rectangular cross-section made of titanium or titanium alloys, tantalum or tantalum logs, so that a scaffold of the density of 50 to 90% of the Diciite of the substrate material is present with irregularly structured cells. The cells are connected to each other, so that the entire implant body has an irregularly perforated cavity which is accessible on all sides by irregularly shaped channels the ingrowing bone tissue. The wires have a cross section up to 3 mm 2 . Instead of wires
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