DE10003824C2 - Verfahren zur Herstellung von Knochenersatzmaterial - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Porenstrukturen in einem durch Sol-Gel-Prozesse hergestellten Material, das als Knochenersatz zur Ausfüllung von Knochendefekten, die durch Knochenkarzinom, Unfälle o. ä. entstanden sind bzw. die angeboren sind, dient.

Durch die Poren, deren Größe von 50 µm bis einige 1000 µm reicht, also in einem wesentlich größerem Bereich als die durch den Sol-Gel-Prozeß hergestellten Poren liegt DE 198 25 419 A1, ist ein schnelles Einwachsen von Gewebe und insbesondere von Blutgefäßen möglich. Eine Resorption des Materials ist damit schneller gewährleistet.

In der Patentliteratur sind eine Vielzahl von porösen Keramiken als Knochenersatz beschrieben. Im Patent US 5133756 wird die Keramik aus Rinderknochen hergestellt. Die gesamte organische Matrix wird entfernt und der keramische Anteil wird bei Temperaturen von 1100°C bis 1500°C getempert.

Ein anderes Verfahren (US 4861733) geht vom Gerüst natürlicher Korallen aus und wandelt das Kalziumcarbonat in einem hydrothermalen Prozess in Kalziumphosphat um. Der Vorteil dieser Verfahren ist, dass die Porenstruktur (Größenverteilung, Morphologie) ideal zum Einwachsen des Knochengewebes ist.

Der entscheidende Nachteil dieser Keramiken ist, dass sie nicht resorbierbar sind. Gebildeter Knochen unterliegt einem ständigen Umbau, auch als Remodelling bezeichnet, wobei Osteoklasten den Knochen abbauen und die Osteoblasten ihn wieder aufbauen. Für die beschriebenen Materialien bedeutet das, dass das Knochengewebe zwar ausgezeichnet in die Porenstruktur hinein wächst. Der hochkristalline Hydroxylapatit der Keramik ist jedoch nicht am Knochenremodelling beteiligt. Es bleibt daher ein Fremdkörper und beeinflusst die mechanischen Eigenschaften. Insbesondere beim Knochenwachstum kommt es zu Entzündungen im Übergang vom Gewebe zur Keramik.

Poröses Hydroxylapatit bzw. poröse, auf Hydroxylapatit basierende Keramiken sind eigentlich ein idealer Knochenersatz, da sie durch eine spezielle Oberflächencharakteristik osteoinduktiv sein können. Das bedeutet, dass diese Materialien eine Knochenbildung induzieren können, wenn sie unter die Haut oder in Muskelgewebe implantiert werden, auch wenn keine osteoinduktiven Proteine eingebaut sind.

Resorbierbare Keramiken werden auf der Basis von Tricalciumphosphat beschrieben (US 5141511). Auch hierbei handelt es sich um ein festes, durch Sinterprozesse entstandenes Kristallgefüge. Die Resorption erfolgt auf der Basis der Löslichkeit des Tricalciumphosphates. Damit tritt lokal eine erhöhte Ionenkonzentration auf und es kommt zu einer resorptiven Entzündung.

Im Patent US 4654314 wird für ein Knochenersatzmaterial eine Calciumphosphatkeramik mit einer Porenstruktur im Bereich von 300 bis 700 µm bevorzugt. Um die günstige Porenstruktur in der Keramik zu erzeugen, wird ein Verfahren angewandt, das durch Aufschäumen von Eiweiß, anschließendem Mischen mit keramischem Pulver und einer Temperaturbehandlung, die ein Härten des Eiweißes und eine anschließende Karbonisierung einschließt, gekennzeichnet ist. Ein Oxidieren des Kohlenstoffs und eine Sinterung des Calciumphosphats komplettiert den Herstellungsprozess.

Organische Fasern mit einem Durchmesser von 1-30 µm, die im Verlauf des Prozesses zersetzt werden, erzeugen zusätzlich für das Einwachsen des Knochengewebes günstige Strukturen (US 4654314).

Für ein Zellwachstum günstige Poren können ebenfalls durch Einbringen eines sublimierbaren Materials bestimmter Größe erreicht werden (US 5686091).

Um den Prozess des Knochenremodelling unter Einbeziehung des Knochenersatzmaterials zu optimieren, besteht die Aufgabe, eine optimale Porenstruktur zu schaffen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein hochporöses Knochenersatzmaterial herzustellen, in dem sich in vivo und auch bei Bedarf schon in vitro Knochengewebe bildet und das vollständig resorbierbar ist, d. h. das den Remodellierungsprozess unterstützt. Es besteht die Aufgabe, den Feststoffgehalt zu minimieren und die Porenstruktur dem Prozess des Knochenremodelings anzupassen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines hochporösen Knochenersatzmateriales gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine hochviskose Suspension, bestehend aus einem Sol eines oder mehrerer Oxide der Elemente X (X = Al, Ca, Mg, P, Si, Ti, Zr), versetzt mit einem Calciumphosphatpulver, durch eine Düse oder ein Düsensystem unter Ausbildung von Fäden gedrückt und anschließend in eine beliebige Form gebracht wird, so dass durch die Packung der Fäden aus der hochviskosen Suspension, deren Viskosität ein Verlaufen des Materials verhindert, eine offene Porenstruktur im Größenbereich der Fädendurchmesser entsteht, die Fäden sich aber durch den noch nicht abgeschlossenen Gelübergang an den Berührungsstellen verbinden.

Zur Herstellung der hochviskosen Suspension wird Calciumphosphatpulver oder -granulat, das durch die verwendete Komponente, die Korngrößenverteilung, die Morphologie, den Kristallinitätsgrad und vorhandene Gitterdefekte variierbar ist, mit einem Sol eines oder mehrerer Oxide des Elementes X (X = Al, Ca, Mg, P, Si, Ti, Zr) möglichst homogen vermischt.

Anschließend wird das Gemisch in einen Behälter so gefüllt, dass sich keine Luft in dem geschlossenen Behälter befindet und der Behälter wird um eine horizontale Achse gedreht, um ein Absinken der schwereren Feststoffanteile zu verhindern.

Der Durchmesser der Düse bzw. der Düsen liegt vorzugsweise im Bereich von 50 µm bis 1000 µm, wobei mit 200 µm ein Werte erreicht wird, der dem Durchmesser der Trabekel im Knochen entspricht und technisch gut zu realisieren ist.

Die durch die Düsen oder das Düsensystem entstehenden Fäden aus der hochviskosen Suspension werden derart in die beliebige Form, wie Zylinder, Hohlzylinder oder Kugelschalensegment gedrückt, dass die durch die Packung der Fäden determinierten Poren einen bestimmten Volumenanteil von bevorzugt 50% erhalten und eine Verbindung der sich berührenden Fäden gewährleistet ist.

Die Viskosität der die Fäden bildenden Suspension darf nicht so niedrig sein, dass die Fäden ineinander verlaufen.

Gegebenenfalls, insbesondere wenn sehr dünne Fäden hergestellt werden sollen, kann es notwendig sein, die Viskosität nach Passieren der Düse bzw. der Düsen zu erhöhen, um zum einen ein Verstopfen der Düsen zu verhindern (geringere Viskosität) und zum anderen ein Verlaufen der Fäden zu vermeiden (höhere Viskosität).

Das wird dadurch erreicht, dass der Suspension nach Verlassen der Düse(n) schnell Lösungsmittel entzogen wird. Das kann durch eine schnelle Temperaturerhöhung und bzw. oder durch eine Verringerung des Partialdruckes des Lösungsmittels erfolgen. Am einfachsten erweist es sich, die Fadenpackung mit heißer trockner Luft zu spülen.

Vor dem Trocknen des Formkörpers erfolgt ein Altern der Gelstruktur. Eine gesättigte Lösungsmittelatmosphäre verhindert das vorzeitige Trocknen.

Das Trocknen wird anschließend bei einer Temperatur von bevorzugt 90-150°C 2 Stunden lang durchgeführt. Das Gel bleibt dann in einem nanoporösen Zustand, was die Resorption erleichtert. Soll die Festigkeit erhöht werden erfolgt eine Temperaturbehandlung in einem Bereich zwischen 600°C und 800°C.

Nach dem Trocknen erfolgt ein Puffern des hochporösen Formkörpers bevorzugt mit Phosphatpuffer bei pH 7,2.

Der danach erforderliche Trocknungsprozess wird mit einer Sterilisation verbunden.

Beispiel 1

60 ml Tetraethoxysilan werden unter Rühren 18 ml Wasser und 18 ml Salzsäure Masslösung zugegeben.

Nach der Hydrolyse wird diesem Ansatz ca. 60 g Hydroxylapatit und 40 g β Tricalciumphosphat zugegeben. Diese Suspension wird in einem geschlossenen zu 100% gefüllten Gefäß um eine horizontale Achse gedreht, um eine Ablagerung der Phosphate am Boden zu verhindern.

Nach 2 Stunden ist die Viskosität so hoch, dass das Sol durch eine Düse mit 1 mm Durchmesser gedrückt wird und stabile Fäden erzeugt, die als zufällige Packung in eine rechteckige Form gebracht werden, dass die Fäden ca. 50% Raumausfüllung ergeben.

Die Probe wird nun 12 h im Exsikkator bei gesättigtem Ethanoldampf gelagert. Anschließend erfolgt eine Trocknung bei 120°C 2 h in einem Ofen.

Nach dem Trocknungsprozess wird mittels Phosphatpuffer ein pH-Wert von 7.2 eingestellt. Die Proben werden an der Luft getrocknet, später bei 200°C (Aufheizrate: 1°C/min; Dauer: 3 Stunden) getrocknet und sterilisiert.

Die Tierexperimente wurden mit Göttinger Minischweinen (ausgewachsen, ca. 60 kg schwer) durchgeführt. Dabei wurde ein ca. 5 cm³ großer Defekt im Unterkiefer gesetzt und mit dem Material gefüllt. Nach fünf Wochen wurden die Schweine getötet, um das Anfangsstadium der Regeneration des Defekts auszuwerten. Eine lichtmikroskopische Abbildung eines histologischen Schnitts ist in Abb. 1 dargestellt. Es ist ein extrem schnelles Wachstum des Knochens (einschließlich von Blutgefäßen) in den Poren des Knochenersatzmaterials und eine Resorption des Materials zu erkennen (A - Knochen des Unterkiefers; B - neugebildeter Knochen; C - Reste des Knochenersatzmaterials, wobei die ursprünglich fadenförmige Struktur - zu sehen ist hier ein Schnitt senkrecht zu den liegenden Fäden - durch Resorption stark verändert wurde; D - Blutgefäße in den Poren des Materials).

Beispiel 2

60 ml Tetraethoxysilan werden unter Rühren 18 ml Wasser und 18 ml Salzsäure Masslösung zugegeben.

Nach der Hydrolyse wird diesem Ansatz ca. 40 g Hydroxylapatit zugegeben. Diese Suspension wird in einem geschlossenen zu 100% gefüllten Gefäß um eine horizontale Achse gedreht, um eine Ablagerung der Phosphate am Boden zu verhindern.

Nach 2 Stunden ist die Viskosität so hoch, dass das Sol durch eine Düse mit 0.2 mm Durchmesser gedrückt wird und stabile Fäden erzeugt, die als zufällige Packung in eine rechteckige Form gebracht werden, dass die Fäden ca. 50% Raumausfüllung ergeben.

Die Probe wird nun 12 h im Exsikkator bei gesättigtem Ethanoldampf gelagert. Anschließend erfolgt eine Trocknung bei 120°C 2 h in einem Ofen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines hochporösen Festkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass eine hochviskose Suspension eines Sols eines oder mehrerer Oxide der Elemente X (X = Al, Ca, Mg, P, Si, Ti, Zr), versetzt mit einem Calciumphosphatpulver, durch eine Düse oder ein Düsensystem unter Ausbildung von Fäden gedrückt und anschließend in eine beliebige Form gebracht wird, so dass durch die Packung der Fäden aus der hochviskosen Suspension, deren Viskosität ein Verlaufen des Materials verhindert, eine offene Porenstruktur im Größenbereich der Fädendurchmesser entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität der Suspension nach dem Verlassen der Düse oder des Düsensystems vergrößert wird und damit ein Verlaufen der Fäden in der Form verhindert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine schnelle Erhöhung der Temperatur der Fäden aus der hochviskosen Suspension nach dem Verlassen der Düse oder des Düsensystems Lösungsmittel verdampft und die Viskosität der Suspension steigt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine schnelle Verringerung des Partialdrucks des Lösungsmittels der Suspension nach dem Verlassen der Düse oder des Düsensystems Lösungsmittel verdampft und die Viskosität der Suspension steigt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fäden derart in die Form gepresst werden, dass die durch die Packung der Fäden entstandenen Poren den gewünschten Volumenanteil am Formkörper besitzen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 3, 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Material vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 90°C bis 200°C getrocknet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 3, 4, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Material zur Erhöhung der Festigkeit vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 600°C bis 1000°C temperaturbehandelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 3, 4, 5, 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Material vorzugsweise mit einem Phosphatpuffer mit pH 7.2 gepuffert wird.