DE102005040848A1

DE102005040848A1 - Osteoinduktives Material und Verfahren zur Herstellung desselben

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Publication number: DE102005040848A1
Application number: DE102005040848A
Authority: DE
Inventors: Thomas Prof. Dr. Gerber
Original assignee: Artoss GmbH
Current assignee: Artoss GmbH
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2007-03-01
Also published as: WO2007025698A3; WO2007025698A2

Abstract

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Hydroxylapatit/Siliziumdioxid Granulat definierter Morphologie, ein auf diesem Granulat basierenden hochporösen Knochenersatzmaterial und einer wiederum darauf basierenden Glaskeramik als Knochenersatzmaterial, die sich durch eine mit variable mechanische Festigkeit auszeichnet, und Formkörper aus diesem Material, wobei im Formkörper bevorzugt Materialien unterschiedlicher mechanischer Festigkeit verwendet werden. Die erfindungsgemäßen Knochenersatzmaterialien zeichnen sich durch eine gute Resorbierbarkeit in vivo aus. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung des Knochenersatzmaterials zur Osteoinduktion, insbesondere zur ektopen Osteoinduktion.

Description

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Hydroxylapatit/Siliziumdioxid-Granulat definierter Morphologie, ein auf diesem Granulat basierenden hochporösen Knochenersatzmaterial und einer wiederum darauf basierenden Glaskeramik als Knochenersatzmaterial, die sich durch eine variable mechanische Festigkeit auszeichnet, und Formkörper aus diesem Material, wobei im Formkörper bevorzugt Materialien unterschiedlicher mechanischer Festigkeit verwendet werden. Die erfindungsgemäßen Knochenersatzmaterialien zeichnen sich durch eine gute Resorbierbarkeit in vivo aus. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung des Knochenersatzmaterials zur Osteoinduktion, insbesondere zur ektopen Osteoinduktion.

Die Transplantation von Knochen ist nach der Applikation von Blutbestandteilen die zweithäufigste Transplantationsform beim Menschen (Fox, R.: New bone The Lancet 339, 463f. (1992)). So wurden in den USA 1993 250000 Knochentransplantationen durchgeführt (Kenley et al.: Biotechnology and bone graft substitutes. Pharmaceut. Res. 10, 1393 (1993)). Der Ersatz kongenitaler, posttraumatischer, als Folge von Osteomyelitiden und Tumoroperationen auftretender sowie osteoporotischer Knochendefekte ist von eminenter klinischer Bedeutung, da nur auf diese Weise eine funktionell umfassende Rehabilitation möglich ist.

In der Literatur werden eine Vielzahl von porösen Materialien als Knochenersatz beschrieben. 1992 wurde eine aus Rinderknochen hergestellte Keramik publiziert, wobei die gesamte organische Matrix entfernt und der keramische Anteil bei Temperaturen von 1100°C bis 1500°C getempert wird (Bauer G, Vizethum, F. Process for producing a bone replacement material. US Patent 5,133,756; 1992).

Einige Verfahren zur Herstellung von porösen Knochenersatzstoffen nutzen das Gerüst natürlicher Korallen (Pollick S, Shors, EC, Holmes RE, Kraut RA. Bone formation and implant degradation of coralline porous ceramics placed in bone and ectopic sites. J Oral Maxillofac Surg 1995; 53(8): 915-23, White, EW. Calcium phosphate bone substitute materials. US Patent 4,861,733; 1989), die eine ideale Porenstruktur (Größenverteilung, Morphologie) für das Einwachsen des Knochengewebes aufweisen.

Der entscheidende Nachteil dieser Keramiken ist, daß sie nicht resorbierbar sind (Jenssen SS, Aaboe M, Pinholt EM, Hjorting-Hansen E, Melsen F, Ruyter IE. Tissue reaction and material characteristics of four bone substitutes. Int J Oral Maxillofac Implants. 1996; 11(1): 55-66). Gebildeter Knochen unterliegt einem ständigen Umbau, auch als Remodeling 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 hineinwächst, während der hochkristalline Hydroxylapatit der Keramik allerdings nicht am Knochenremodeling beteiligt ist. Er bleibt daher ein Fremdkörper und beeinflusst die mechanischen Eigenschaften des Knochenregenerates ungünstig. Zudem kommt es zu einer Entzündungsreaktion im Grenzbereich von Gewebe und Keramik (Günther KP, Scharf H-P, Pesch H-J, Puhl W. Einwachsverhalten von Knochenersatzstoffen. Orthopädie 1998; 27: 105-117, Sailer JD, Weber FE. Knochenersatzmaterialien. Mund Kiefer Gesichts Chir 2000; 4 (Suppl.1) 384-391).

Poröse, auf Hydroxylapatit (HA) basierende Materialien sind ein idealer Knochenersatz, da sie durch eine spezielle Oberflächencharakteristik die Geweberegeneration fördern. In der Literatur wird im allgemeinen festgestellt, dass diese Keramiken jedoch nicht im eigentlichen Sinne osteoinduktiv wirken (Heymann D, Delecrin J, Deschamps C, Gouin F Padrines M, Passuti N. In vitro assessment of associating osteogenic cells with macroporous calcium-phosphate ceramics. Rev Chir Orthop Reparatrice Appar Mot 2001; 87(1): 8-17, Osborne JF, Newesely H. The material science of calcium phosphate ceramics. Biomaterials 1980; 1: 108-112, Vuola J, Taurio R, Goransson H, Asko-Seljavaara S. Compressive strength of calcium carbonate and hydroxyapatite implants after bonemarrow-induced osteogenesis. Biomaterials 1998; 19(1-3): 223-7). Es erfolgt vielmehr ein stoffschlüssiger Knochenanbau (bonding) durch die Proteinadsoption und die Anlagerung von Osteoblasten an eine primär das Implantat bedeckende biologische Apatitschicht (De Bruijn JD, Klein CPAT, De Groot K, Van Blitterswijk CA. Ultrastructure of the bonehydroxylapatit Interface in vitro. J Biomed Mater Res. 1992; 26: 1365-1382, Donath K, Hormann, K, Kirsch A. Welchen Einfluss hat Hydroxylapatitkeramik auf die Knochenbildung? Dtsch Z Mund Kiefer Gesichtschir. 1985; 9(6): 438-40).

Dagegen stellt Yuan et. al (Yuan H, Kurashina K, de Bruijn JD, Li Y, de Groot K, Zhang X. A preliminary study on osteoinduction of two kinds of calcium phosphate ceramics. Biomaterials 1999; 20(19): 1799-806) fest, dass in Abhängigkeit von der Mikrostruktur der Keramik bei gleicher chemischer und kristallographischer Struktur des Kalziumphosphates osteoinduktive Eigenschaften hervorgerufen werden können.

Das bedeutet, dass diese Materialien eine dystope Knochenbildung induzieren können, z.B. wenn sie unter die Haut ins Fettgewebe oder ins Muskelgewebe implantiert werden, wo keine anderen osteoinduktiven Stimuli vorhanden sind. Diese osteoinduktive Eigenschaften (bone formation in extraosseal sites) wird bei verschiedenen Hydroxylapatit-Keramiken (HA-Keramiken) ebenfalls hervorgerufen, wenn sie mit Knochenmarkzellen getränkt wurden (Heymann D, Delecrin J, Deschamps C, Gouin F Padrines M, Passuti N. In vitro assessment of associating osteogenic cells with macroporous calcium-phosphate ceramics. Rev Chir Orthop Reparatrice Appar Mot 2001; 87(1): 8-17, Vuola J, Taurio R, Goransson H, Asko-Seljavaara S. Compressive strength of calcium carbonate and hydroxyapatite implants after bone-marrow-induced osteogenesis. Biomaterials 1998; 19(1-3): 223-7). Der Nachteil im Stand der Technik besteht jedoch darin, dass die Osteoinduktion nur in äußerst geringem Umfang erfolgt, d.h. Knochen nur in mikroskopisch sichtbarem Umfang gebildet wird. Viele Autoren vertreten die Meinung, dass eine Osteoinduktion ausschließlich durch so genannte „bone morphogenetic proteins" (BMP's) hervorgerufen werden kann, also rein anorganische Materialien diese Eigenschaft nicht bewirken können (siehe z.B. Sonobe J, Okubo Y, Kaihara S, Miyatake S, Bessho K.: "Osteoinduction by bone morphogenetic protein 2-expressing adenoviral vector: application of biomaterial to mask the host immune response." Hum Gene Ther. 2004 Jul; 15(7):659-68).

Dagulsi beschreibt die Zellreaktion, Biodegradation und -resorption sowie die Transformation in Karbonat-Hydroxylapatit eines zweiphasigen Materials (HA/TCP), das als Formkörper, Beschichtung als auch injizierbares Knochenersatzmaterial verwendet wurde (Dagulsi G. Biphasic calcium phosphate concept applied to artificial bone, implant coating and injectable bone substitute. 1998, 19(16): 1473-8).

Im Rahmen der Entwicklung eines resorbierbaren Knochenersatzstoffes wurde der Einfluss verschiedener Kalziumphosphate und Kombinationen von Kalziumphosphaten auf die Entwicklung von Osteoblasten in vitro untersucht. In einer vergleichenden Studie implantierten Oonishi et al. verschiedene biokeramische Materialien in Femurkondylen ausgewachsener Japanischer Weißer Kaninchen und geben im Ergebnis folgende Resorptionsaktivitäten an: HA mit geringem Kristallinitätsgrad, OCP > TeCP, TeDCPD, TeDCPA > αTCP, βTCP (Oonishi H, Hench LL, Wilson J, Sugihara F, Tsuji E, Kushitani S, Iwaki H. Comparative bone growth behavior in granules of bioceramic materials of various sizes. J Biomed Mater Res 1999; 44(1): 31-43).

Sun et al. stellten dabei fest, dass eine Kombination von Hydroxylapatit und β-Tricalziumphosphat (βTCP) eine hemmende Wirkung auf das Wachstum der Osteoblasten hat (Sun JS, Tsuang YH, Liao CJ, Liu, HC, Hang YS, Lin FH. The effects of calcium phosphate particles on the growth of osteoblasts. J Biomed Mater Res 1997; 37(3): 324-334).

Auch der Einfluss verschiedener resorbierbarer Keramiken, wie z. B. CaNaPO₄, CaNaPO₄+MgNaPO₄, CaNaPO₄+Mg₂SiO₄ u.a., auf das Wachstum der Osteoblasten wurde in vitro untersucht (Knabe C, Gildenhaar R, Berger G, Ostapowicz W, Fitzner R, Radlanski RJ, Gross U. Morphological evaluation of osteoblasts cultured on different calcium phosphate ceramics. Biomaterials 1997; 18(20): 1339-1347). Die beste Unterstützung des Wachstums der Osteoblasten wurde bei CaNaPO₄+MgNaPO₄ und bei Ca₂KNa(PO₄)₂ gefunden. Werden von der Keramik zu viele Ca²⁺-Ionen abgegeben, wird das Zellwachstum gehemmt.

Oonishi et al. vergleichen in einer Studie an Femurkondylen ausgewachsener Kaninchen das Einwachsverhalten von Granulaten eines Bioglases und synthetischem, temperaturbehandeltem Hydroxylapatit (Oonishi H, Hench LL, Wilson J, Sugihara F, Tsuji E, Matsuura M, Kin S, Yamamoto T, Mizokawa S. Quantitative comparison of bone growth behavior in granules of Bioglass, A-W glass-ceramic, and hydroxyapatite. J Biomed Mater Res 2000; 51(1): 37-46). Im Gegensatz zum Bioglas wird der synthetische Hydoxylapatit nicht vollständig resorbiert.

Bioaktive Gläser werden ebenfalls als Knochenersatzmaterial beschrieben ( US 6,054,400 ; 2000; US 5,658,332 ; 1997). Das anorganische Material liegt hier als glasiger Festkörper vor. Poren in der Größenordnung der Spongiosa erlauben ein Einwachsen des Gewebes. Kleinere Poren liegen in dem Material nicht vor.

Auch Glaskeramiken werden als Knochenersatz angeboten (z.B. US 5,981,412 ; 1999). Sie sind mit den bioaktiven Gläsern zu vergleichen, wobei in die Glasmatrix, die im Allgemeinen ein bioaktives Calciumsilicatglas ist, kristalline Komponenten wie z.B. Na₂O 2CaO·3SiO₂ eingelagert sind.

Als weitere Stoffgruppe für den Einsatz als Knochenersatz wurden Calciumphosphatzemente entwickelt ( US 5,997,624 ; 1999; US 5,525,148 ; 1996). Ein entscheidender Nachteil dieser Stoffgruppe ist, dass keine definierten interkonnektierenden Poren in das Material eingebracht werden, womit sie auf sehr kleine Knochendefekte beschränkt sind.

In den Patenten DE 198 25 419 und DE 100 03 824 wurden Verfahren dargestellt, mit denen hochporöse Calciumphosphatkeramiken auf der Basis von Hydroxylapatit unter Verwendung der Sol-Gel-Technik hergestellt werden können, die speziell für die Auffüllung und Rekonstruktion von Knochendefekten verschiedener Größe bestimmt ist. Die Verfahren zielen darauf ab, hochporöse Strukturen zu erzeugen. Mit dem Verfahren des Patentes DE 198 25 419 wird eine Porosität von bis zu 70% erreicht, wobei die Poren im Bereich von 1-10 Mikrometer liegen. Mit dem Patent DE 100 03 824 wird ein Verfahren beschrieben, das zusätzlich eine Porenstruktur im Größenbereich von 0,1 bis ca. 1 Millimeter erzeugt, wie sie auch in der natürlichen Spongiosa vorliegt.

In DE 100 60 036 wird ein anorganisches resorbierbares Knochenersatzmaterial beschrieben, das ein lockeres Kristallgefüge besitzt, d.h. die Kristallite sind nicht wie in einem Festkörper (Keramik) dicht zusammengefügt, sondern nur über einige Molekülgruppen miteinander verbunden. Das Volumen, das im natürlichen Knochen vom Kollagen eingenommen wird, ist in dem Material als interkonnektierende Poren im Nanometerbereich vorhanden. Eine zweite Porengröße, ebenfalls interkonnektierend und im Bereich von einigen Mikrometern, ermöglicht ein Einwachsen von Kollagenfasern bei der Gewebebildung. Diese Fasern sind Keimbildner für die einsetzende Biomineralisierung (Bildung des körpereigenen biologischen Apatits). Das Material enthält eine dritte interkonnektierende Porenkategorie, die der Spongiosa nachempfunden ist, im Bereich von ca. 100μm bis 1000μm liegt und damit ein Einwachsen von Blutgefäßen ermöglicht, wodurch die Resorption und die Knochenneubildung nicht nur als Front vom gesunden Knochen aus erfolgt, sondern aus dem gesamten Defekt heraus geschieht.

Bei diesem Material steht die Förderung der Osteogenese und die Resorptionseigenschaft im Vordergrund, so dass das Remodellierung des Knochens unterstützt wird.

In der einschlägigen Fachliteratur wird darauf verwiesen, dass Knochenersatzmaterialien auf der Basis von Hydroxylapatit praktisch nicht resorbiert werden und einen Fremdkörper auf Dauer darstellen. Im Gegensatz dazu wird das in DE 100 60 036 beschriebene Material, das im wesentlichen aus Hydroxylapatit besteht, sehr gut resorbiert und gleichzeitig die Knochengewebsneubildung beschleunigt. Diese Eigenschaft wird durch das beschriebene lockere Kristallgefüge von Kalziumphosphaten determiniert.

Die mechanische Festigkeit dieses Materials ist jedoch relativ gering. Es kann keine mechanische Stützfunktion übernehmen. Darüber hinaus sind die Variationsmöglichkeiten des Knochenersatzmaterials, um für den Ersatz ganzer Knochenfragmente (z.B. Teile eines Röhrenknochens) verwendet werden zu können, sehr beschränkt.

In der Rekonstruktionschirurgie und in der Orthopädie werden insbesondere bei größeren Defekten Knochenersatzmaterialien benötigt, die Komponenten mit höherer mechanischer Festigkeit enthalten. Im Zusammenhang mit Computertomographie am Patienten und computergestützter Fertigung können z.B. Ersatzpartien der Schädelknochens nachgeformt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Knochenersatzwerkstoff bereitzustellen, der eine Bildung von Knochengewebe unterstützt (der also osteokonduktiv bzw. osteoinduktiv ist), der über die natürlichen Prozesse des Knochenremodeling resorbiert wird und der eine mechanische Festigkeit besitzt, die den verschiedenen Anwendungen entsprechend angepasst werden kann. Defekte im Knochen, die z.B. durch Entzündungen entstehen, sind meist von mehreren Seiten von gesundem Knochen umgeben. Für diese Defekte spielt die mechanische Festigkeit des Knochenersatzmaterials keine Rolle. Fehlen jedoch durch einen Trümmerbruch oder durch das Entfernen eines Knochentumors ganze Knochensegmente, muss das Knochenersatzmaterial eine tragende Funktion übernehmen. In diesem Fall wird aus dem Knochenersatzmaterial ein Ersatzknochen (z.B. für ein fehlendes Stück Röhrenknochen ein Hohlzylinder) aus dem Knochenersatzmaterial gefertigt, das dann mit Osteosyntheseplatten (Metallplatten, die nach der Heilung wieder entfernt werden) mit dem verbliebenen Knochen verschraubt wird. Die tragende Funktion übernimmt jetzt das System aus Ersatzknochen aus Knochenersatzmaterial und Osteosyntheseplatte. Da sicher ist, das eine erhöhte mechanische Festigkeit eine verschlechterte Resorption zur Folge hat, muss je nach Defektgröße und mechanischer Belastung ein Kompromiss in den Materialeigenschaften eingegangen werden.

Weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Materialien bereitzustellen, die in der Lage sind, eine wirksame Osteoinduktion zu bewirken, d.h. eine Knochenneubildung in einem zum Stand der Technik wesentlich größeren Umfang.

Zur Lösung der Aufgaben werden Granulate, auf diesen Granulaten basierende hochporöse Knochenersatzmaterialien, darauf basierende Glaskeramiken als Knochenersatzmaterialien mit variabler mechanischer Festigkeit, Verwendungen, Mittel, Formkörper, Verfahren etc. vorgeschlagen. Zur Lösung werden insbesondere die Verwendungen der angefügten Ansprüche 1 bis 14 vorgeschlagen.

Die Aufgabe wird somit erfindungsgemäß durch ein Material gelöst, das kristallines Calciumphosphat in eine Xerogelmatrix eingebettet enthält. Diese Xerogelmatrix besteht aus Siliziumdioxid.

Ein Xerogel ist ein trockenes Gel, das durch eine hohe innere Oberfläche und eine unvollständige Vernetzung der Baugruppen charakterisiert ist.

Damit liegt ein vollkommen neuer Materialtyp vor, der vergleichbar mit einer Glaskeramik ist, wobei nun die Matrix, die die kristallinen Komponenten enthält, kein Glas sondern ein Xerogel mit seiner typischen porösen Struktur ist. Die Xerogelmatrix soll vorzugsweise einen Gewichtsanteil von 4 bis 80% bezogen auf die Gesamtmasse des Knochenersatzmaterials einnehmen. Da ein Silicaxerogel ein poröses Material ist, in dem SiO₄/2 Tetraeder locker verknüpft sind und das eine hohe innere Oberfläche mit -SiOH Gruppen besitzt, kann in Abhängigkeit von der Größe der Kristallite des Calciumphosphates schon mit geringen Gewichtsanteilen eine Matrix aufgebaut werden, die die kristallinen Komponenten umschließt. In Abhängigkeit von der Größe der Kristallite ist eine Reduktion des Matrixanteils bis unter 5 Gew.-% möglich.

Die Xerogelmatrix hat verschiedene Aufgaben. Zum einen verbindet sie natürlich die kristallinen Komponenten des Materials. Durch die relativ lockere Verknüpfung des Siliziumdioxids ist die mechanische Festigkeit des Materials eingeschränkt. Die Bruchfestigkeit liegt typischerweise im Bereich von 2 bis 15 MPa (siehe Beispiel 6). Zum anderen erlaubt die Porosität des Xerogels die Resorption des Biomaterials und verbessert die Bioaktivität, die natürlich in erster Linie durch die Calciumphosphatkomponenten gegeben ist, indem sich während der Anwendung an die hohe innere Oberfläche körpereigene Proteine aus dem Blut des Patienten anlagern. Die Zellen stufen daher das Biomaterial nicht als körperfremd ein.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Granulat und eine darauf basierende Gruppe von Knochenersatzmaterialien, die im weiteren beschrieben werden. Das Granulat basiert auf Calciumphosphat, bei dem kristallines Calciumphosphat in einer Siliziumdioxid-Xerogelmatrix eingebettet ist, wobei die Kristallite einen mittleren Durchmesser von etwa 10 nm bis etwa 2000 nm, bevorzugt von 10 nm bis 200 nm aufweisen, wobei besonders bevorzugt plättchenförmige Kristallite mit einer Dicke von 2.5 nmm bis 10 nm und einem mittleren Durchmesser von 10 nm bis 200 nm enthalten sind. Die Granulatkörner weisen einen mittleren Durchmesser von etwa 1 μm bis etwa 1000 μm auf und der Siliziumdioxid-Anteil im Bereich von etwa 2 bis etwa 80 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von etwa 4 bis etwa 50 Gew.-% liegt.

Die Poren im Xerogel weisen einen durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 0,5 nm bis 20 nm auf. Sie machen in den Granulatkörnern jeweils etwa 10 Vol.-% bis etwa 60 Vol.-% bezogen auf das Volumen des Granulatkorns aus.

Vorzugsweise ist das Calciumphosphat Hydroxylapatit.

Das Granulat kann in einer besonderen Ausführungsform ferner lösliches Calciumphosphat umfassen, wobei das lösliche Calciumphosphat vorzugsweise in einem Anteil von etwa 5 Gew.%. bis 50 Gew.-% bezogen auf den Calciumphosphatanteil vorliegt. Das lösliche Calciumphosphat ist insbesondere β-Tricalciumphosphat (βTCP). Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist das lösliche Calciumphosphat Brushit (CaHPO₄·2H₂O), insbesondere Brushit mit Fehlstellen, so dass das Verhältnis von Calcium zu Phosphor nicht 1 sondern etwa 1,67 beträgt.

Das Xerogel des Granulats kann ferner ein oder mehrere Netzwerkwandleroxide umfassen. Das (die) Netzwerkwandleroxid(e) liegt (liegen) bevorzugt in einem Anteil von etwa 0,5 bis etwa 35 Mol.-%, vorzugsweise in einem Anteil von etwa 17 Mol.% bis etwa 30 Mol.-%, bezogen auf das Siliziumdioxid vor. Das Netzwerkwandleroxid ist insbesondere Na₂O.

In 1 ist ein erfindungsgemäßes Granulatteilchen beispielhaft schematisch dargestellt. Die Kristallite (schwarz dargestellt) im Granulat werden durch das SiO₂-Xerogel (grau dargestellt) zusammengehalten. An der Oberfläche der Granulatteilchen befindet sich SiO₂-Xerogel. Es soll kurz bemerkt werden, das ein Granulatkorn aus dem bevorzugten Größenbereich mit einem Durchmesser von z.B. 1 μm in der Größenordnung 10⁴ Kristallite enthält, wenn diese z.B. Plättchen mit einem Durchmesser von 100 nm und einer Dicke von 10 nm sind und die Xerogelmatrix 40 Gew.-% des Granulatkorns einnimmt.

Aufbauend auf dem beschriebenen Hydroxylapatit/Siliziumdioxid Granulat erhält man ein hochporöses Knochenersatzmaterial und eine Glaskeramik als Knochenersatzmaterial mit variabler mechanischer Festigkeit.

Ausgangspunkt ist ein hochporöses Knochenersatzmaterial, das dadurch gekennzeichnet ist, das die Granulatkörner miteinander über die Xerogelmatrix verbunden sind und durch die Packung der Granulatkörner Poren entstehen, die in der Größenordnung der Granulatkörner liegen. Das hochporöse Knochenersatzmaterial hat demnach zwei Porenkategorien. Neben den eben beschriebenen Poren, die durch die Packung der Granulatkörner zustande kommen und damit im Mikrometerbereich liegen, sind die Poren, die innerhalb des Granulates liegen und die oben beschrieben wurden, weiterhin vorhanden. Es sind die Poren im Xerogel, die einen durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 0.5 nm bis 20 nm aufweisen.

Damit liegt in dem hochporösen Knochenersatzmaterial eine Porosität von bevorzugt etwa 30 Vol.-% bis etwa 80 Vol.-% vor.

In 2 ist die Struktur des hochporösen Knochenersatzmaterials schematisch dargestellt. Ein wesentlicher Unterschied zu Knochenersatzmaterialien im Stand der Technik besteht darin, dass das Innere der Granulatteilchen (d.h. die Kristallite) definiert durch SiO₂ zusammengehalten wird. Die Struktur kann so beschrieben werden, dass jeder einzelne Kristallit in einer Xerogelmatrix liegt. Das Produkt ist durch z.T. herkömmliche Keramikherstellungsprozesse bei Verwendung der beschriebenen Granulate erhältlich, wie weiter unten ausführlich beschrieben werden.

Die Erfindung betrifft ferner ein hochporöses Knochenersatzmaterial, das Granulatkörner des vorgenannten Granulats umfasst, die eine dreidimensionale Struktur bilden, die neben den in den Granulatkörnern vorhandenen Poren ferner Poren in etwa der Größe der Granulatkörner aufweist. Die Porendurchmesser liegen damit im Bereich von etwa 1 μm bis etwa 1000 μm, bevorzugt im Bereich von etwa 1 μm bis etwa 50 μm.

Kleine Stücke (z.B. Formkörper, Teilchen, Körper) aus diesem hochporösen Knochenersatzmaterial, bevorzugt in der Form von Zylindern mit einem mittleren Durchmesser von etwa 0,4 bis etwa 2 mm und einer Länge von etwa 1 bis etwa 6 mm, dienen zur Auffüllung von kleinen Knochendefekten, bevorzugt bis zu einer Größe von 10 cm³ insbesondere, wenn die Defekte bis auf zwei Seiten von gesundem Knochen begrenzt sind.

Die Erfindung betrifft somit ferner ein hochporöses Knochenersatzmaterial, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es weiterhin (d.h., zusätzlich zu den Poren innerhalb der einzelnen Granulatkörner und zusätzlich zu den Poren, die durch die (dreidimensionale) Granulatkörnerpackung zustande kommt) interkonnektierende Makroporen im Bereich von etwa 100 μm bis zu mehreren 1000 μm aufweist, die einen Volumenanteil von etwa 10 Vol.-% bis etwa 60 Vol.-% haben. Damit hat das hochporöse Knochenersatzmaterial bevorzugt eine Gesamtporosität von etwa 30 Vol.-% bis etwa 90 Vol.-%, besonders bevorzugt eine Gesamtporosität von etwa 60 Vol.-% bis etwa 80 Vol.-%.

Die Bruchfestigkeit des hochporösen Knochenersatzmaterials ohne die beschrieben Makroporen, liegt bei etwa 2 MPa bis zu etwa 15 MPa, vorzugsweise etwa 3 bis etwa 10 MPa. Durch die Makroporen sinkt die Bruchfestigkeit des Materials und erreicht nur noch Werte von 0,1 MPa bis 4 MPa.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform umfasst das hochporöse Knochenersatzmaterial ferner ein oder mehrere Netzwerkwandleroxide. Das (die) Netzwerkwandleroxid(e) liegen bevorzugt in einem Anteil von etwa 0,5 bis etwa 35 Mol.-%, vorzugsweise in einem Anteil von etwa 17 bis etwa 30 Mol.-%, bezogen auf das Siliziumdioxid vor. Na₂O ist besonders bevorzugt.

Die Erfindung betrifft ferner eine Glaskeramik als Knochenersatzmaterial (oder – anders ausgedrückt – ein eine Glasmatrix umfassendes Knochenersatzmaterial), die (das) dadurch gekennzeichnet ist, dass kristallines Calciumphosphat in eine Glasmatrix eingebettet ist, wobei die Kristallite eine Größe von etwa 10 nm bis etwa 2000 nm aufweisen und der Glasanteil im Bereich von etwa 4 bis etwa 80 Gew.-% (bezogen auf die Gesamtmasses des Materials), vorzugsweise im Bereich von etwa 2 bis etwa 50 Gew.-%, liegt, das Glas als Netzwerkbildner Siliziumdioxid enthält. Ebenso wie das hochporöse Knochenersatzmaterial kann das Knochenersatzmaterial ferner ein oder mehrere Netzwerkwandleroxide umfassen. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Hinblick auf die Netzwerkwandleroxide vollumfänglich auf die entsprechenden Ausführungen oben Bezug genommen, die gleichermaßen für das hier beschriebene Knochenersatzmaterial gelten.

Die erfindungsgemäße Glaskeramik als Knochenersatzmaterial ist aus einem vorgenannte hochporösem Knochenersatzmaterial erhältlich, indem die Siliziumdioxid-Xerogelmatrix mit dem Netzwerkwandler, bevorzugt Natriumoxid, in den Glaszustand umgewandelt wird.

Mit diesem Umwandlungsprozess wird aus dem nanoporösem Xerogel ein vollständig verknüpftes Glasnetzwerk, das mit einer Bruchfestigkeit von etwa 300 MPa bis etwa 400 MPa die mechanische Stabilität des Knochenersatzmaterials erhöht. Die Bruchfestigkeit des beschriebenen Knochenersatzmaterials ist von der weiter unten beschriebenen Restporosität abhängig, so dass die theoretischen Werte nicht erreicht werden.

Die Erfindung betrifft somit auch ein Knochenersatzmaterial, bei dem die Glasmatrix Natriumsilikat ist. Es weist vorzugsweise eine mechanische Festigkeit im Bereich von etwa 30 MPa bis etwa 200 MPa, vorzugsweise etwa 50 MPa bis etwa 120 MPa, auf und hat eine Restporosität von etwa 5 bis etwa 35 %, wobei die Poren einen Durchmesser im Bereich von etwa 1 μm bis etwa 200 μm haben.

Die 3 zeigt schematisch die Struktur der Glaskeramik. Die schwarz gezeichneten Calciumphosphatkristallite haben die identische Struktur wie in hochporösem Knochenersatzmaterial, sie liegen aber jetzt in einer Glasmatrix, die grau dargestellt ist. Die Restporosität wurde in der schematischen Abbildung nicht dargestellt.

Der Prozess der Umwandlung von Gel in das Glas ist mit einem Sintern des hochporösen Knochenersatzmaterials verbunden. Die Nanoporosität wird vollständig beseitigt und die beschriebene Porosität im Mikrometerbereich wird verringert, so dass eine Restporosität von etwa 2 bis etwa 35 Vol.-% erhalten bleibt.

Durch den beschriebenen Anteil an Calciumphosphaten in der Glasmatrix ist das Material biokompatibel. Der Prozess der Resorption hat sich jedoch vollständig geändert, da keine Nanoporosität übrig geblieben ist.

Da die Glasmatrix bevorzugt Natriumsilikatglas ist, gehen bei der Anwendung der Glaskeramik als Knochenersatzmaterial die Natriumionen langsam in Lösung, und das Glas wandelt sich wieder in eine gelähnliche Struktur mit Nanoporen um. Die Restporosität im Mikrometerbereich verstärkt diesen Effekt noch. Durch diesen Prozess ist letztendlich eine Resorption dieses Knochenersatzmaterials möglich.

Sofern der Prozess des Übergangs der Xerogelmatrix des beschriebenen hochporösen Knochenersatzmaterials in die Glasmatrix nur partiell erfolgt, ist ein Knochenersatzmaterial erhältlich, das in den mechanischen Eigenschaften und in den Resorptionseigenschaften kontinuierlich zwischen den beiden Extrema, dem hochporösen Knochenersatzmaterial und der Glaskeramik als Knochenersatzmaterial, eingestellt werden kann.

Die Erfindung betrifft (dementsprechend) ein Knochenersatzmaterial, das dadurch gekennzeichnet ist, das kristallines Calciumphosphat in eine Matrix eingebettet ist, wobei die Kristallite eine Größe von etwa 10 nm bis etwa 2000 nm aufweisen, die Matrix aus einem Xerogel und aus einem Glas besteht, der Glasanteil der Matrix zwischen 0 und 100 Vol.-%, vorzugsweise etwa 10 Vol.-% bis etwa 80 Vol.-% und besonders bevorzugt zwischen etwa 60 Vol.-% und etwa 80 Vol.-%, liegt, Xerogel und Glas aus Siliziumdioxid und einem Netzwerkwandler bestehen, bevorzugt in einem Anteil von etwa 0,5 bis etwa 35 Mol.-%, vorzugsweise in einem Anteil von etwa 17 Mol.-% bis etwa 30 Mol.-%, bezogen auf das Siliziumdioxid vor, der Netzwerkwandler bevorzugt Natriumoxid ist und die Matrix im Bereich von etwa 2 bis etwa 80 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von etwa 4 bis etwa 50 Gew.%, des Knochenersatzmaterials liegt.

Der teilweise Übergang vom Xerogel zum Glas ist durch eine Wärmebehandlung realisierbar. Da die Glastemperatur von Natriumsilikatglas in Abhängigkeit vom Natriumgehalt im Bereich von etwa 460°C bis etwa 800°C liegt, ist es klar, dass eine Wärmebehandlung über diesem Temperaturbereich sehr schnell zum Glas führt. Wird eine Temperaturbehandlung etwa 20% bis etwa 5% unter der für die Zusammensetzung festgelegten Glastemperatur durchgeführt, verlangsamt sich der Prozess und benötigt mehrere Stunden und kann zu jedem Zeitpunkt abgebrochen werden.

Eine zweite Möglichkeit, den Übergang vom Xerogel zum Glas nur partiell durchzuführen, besteht in der Verwendung zweier beschriebener Calciumphosphat/Siliziumdioxid Granulate, die sich im Anteil der Netzwerkwandler unterscheiden. Bevorzugt wird ein Granulat ohne Netzwerkwandler (Na₂O) und ein Granulat mit ca. 20 Mol.-% Na₂O bezogen auf das Xerogel gewählt. Aus diesen Granulaten wird nach dem unten beschrieben Verfahren der hochporöse Knochersatzwerkstoff hergestellt. Wird anschließend eine Wärmehandlung bei ca. 520°C durchgeführt, so gehen die Bereiche mit dem Na₂O in den Glaszustand über, die Bereichte ohne Na₂O bleiben im Zustand des Xerogels, da hier Temperaturen von ca. 1000°C benötigt werden.

Bei dem Knochenersatzmaterial handelt es sich gemäß einer besonderen Ausführungsform um einen Formkörper, insbesondere einen Quader, eine Platte, einen Hohlzylinder oder einen Keil.

Gegenstand der Erfindung ist somit auch ein Formkörper aus den beschriebenen hochporösen Knochenersatzmaterial, der auf mindestens einer Seite eine Schicht aus einem vorgenannten Knochenersatzmaterial mit höherer mechanischer Festigkeit, bevorzugt der beschriebenen Glaskeramik, umfasst, wobei in dieser Schicht Löcher mit einem Durchmesser von etwa 0,5 bis etwa 5 Millimeter enthalten sind, die einen Volumenanteil von etwa 5 bis etwa 80 % bezogen auf das Gesamtvolumen der Schicht aufweisen und diese Löcher wiederum mit dem vorgenannten Granulat und/oder mit dem vorgenannten hochporösen Knochenersatzmaterial gefüllt sind.

Bei den Herstellungsverfahren der vorliegend beschriebenen Materialien, die ferner Gegenstand der Erfindung sind, ist der Ausgangspunkt die Herstellung eines Calciumphosphatgranulats, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kristallite, wie beschrieben, in einer Xerogelmatrix liegen. Ausgehend von diesem Granulat wird der hochporöse Knochenersatzwerkstoff hergestellt, der wiederum Voraussetzung zur Herstellung der Glaskeramik als Knochenersatzwerkstoff ist.

Erfindungsgemäß wird bei der Herstellung des siliziumdioxidhaltigen Granulats die Herstellung des Calciumphosphats über eine Fällungsreaktion, bei der ein sogenannter Schlicker entsteht, mit einem Gelbildungsprozess des Siliziumdioxides verbunden. Nur so kann realisiert werden, dass separate Nanokristallite in eine Xerogelmatrix eingebaut werden können.

Bei den siliziumdioxidhaltigen Calciumphosphat-Granulaten handelt es sich vorzugsweise um Hydroxylapatit/Siliziumdioxid-Granulate, die optional ferner lösliches Calciumphosphat umfassen.

Im allgemeinen erfolgt die Synthese zur Herstellung von Calciumphosphaten und auch insbesondere von Hydroxylapatit in wässriger Lösung (C.P.A.T. Klein, J.M.A. De Blieck-Hogerworst, J.G.C. Wolke, K. De Groot, Biomaterials, 11,509(1990)). Die Hydroxylapatitsynthese kann in alkalischen Medium erfolgen und ergibt thermisch stabile phasenreine Kristallite (M. Asada, Y. Miura, A. Osaka, K. Oukami, S. Nakamura, J.Mat.Sci. 23, 3202(1988); S. Lazic, j. Cryst. Growth, 147,147(1995)). Die Hydroxylapatitsynthese in neutraler oder leicht saurer Umgebung ist auch möglich, jedoch schwieriger zu steuern (H.E.L. Madsen, G. Thodvadarson, J. Cryst. Growth, 66,369(1984)).

Ausgegangen wird z.B. von Calciumnitrat und Ammoniumhydrophosphat mit einem Verhältnis von Calcium zu Phosphat von 10:6, wenn Hydroxylapatit erhalten werden soll ( US 5,858,318 ). Andere Ausgangsmaterialien sind NaHCO₃ und CaHPO₄ (Th. Leventouri, H.Y. Moghaddam, N. Papanearchou, C.E. Bunaciu, R.L.Levinson, O. Martinez, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 599, 79 (2000)) oder Ca (H₂PO₄)₂ und CaCl₂ (M.Okido, R. Ichina, K. Kuroda, R. Ohsawa, O. Takai, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 599,153(2000)). Auch hier wird, wenn Hydroxylapatit erhalten werden soll, ein Verhältnis von Calcium zu Phosphor von 1,67 gewählt.

Es ist auch möglich, die Fällungsreaktion mit Kalkmilch und Phosphorsäure durchzuführen ( DE 42 32 443 C1 , US 4,274,879 ). Wird z.B. Hydroxylapatit über diese Ausgangsstoffe hergestellt, was wiederum durch das Verhältnis von Calcium zu Phosphor der Ausgangsstoffe steuerbar ist, entsteht häufig Dicalciumphosphat als Nebenprodukt, was unerwünscht ist. Es ist also von Vorteil, von rein löslichen Ausgangsstoffen auszugehen und nicht Kalkmilch (eine Dispersion) zu verwenden.

In der zitierten Literatur ist beschrieben, wie die Parameter pH-Wert, Homogenität des Gemisches der Ausgangsstoffe und Temperatur die Kristallitgröße und den Kristallinitätsgrad der Endprodukte beeinflussen. Insbesondere ist der Zusammenhang zwischen pH-Wert und Temperatur der Lösung von Bedeutung (M.Okido, R. Ichina, K. Kuroda, R. Ohsawa, O. Takai, Mat. Res. Soc. Symp. Proc.599,153(2000)). Bemerkenswert ist, dass Hydroxylapatit in nahezu allen Lösungen feinkristallin, d.h. als Nanokristallite, ausfällt und für bestimmte Anwendungen, z.B. als Putzkörper bei der Zahnpflege eher nach Verfahrensschritten gesucht wird, die zu größeren Kristalliten führen ( DE 42 32 443 C1 ).

Die Mengen der Ausgangsstoffe werden so gewählt, dass ein Ca/P Verhältnis von 1,50 bis 1,67 entsteht. Das Fällungsprodukt ist in diesem Bereich immer sogenanntes „precipitated hydroxyapatite" (PHA. Ca_10-x(HPO₄)_x(PO₄)_6-x(OH)_2-x). Im Laufe der weiteren Behandlung, die auch Temperaturbehandlungen einschließt, entsteht bei Temperaturen über ca. 650°C aus dem precipitated hydroxyapatite" z.T. vollständig Hydroxylapatit, wenn das Verhältnis von Calcium zu Phosphat (Ca/P-Verhältnis) genau 1,67 ist. Bei einem Ca/P-Verhältnis von 1,5 wird nahezu das gesamte Hydroxylapatit in β-Tricalciumphosphat umgewandelt. Durch ein Ca/P-Verhältnis zwischen 1,5 und 1,67 wird ein Gemische aus β-Tricalciumphosphat und Hydroxylapatit erhalten, dessen endgültige Zusammensetzung durch das Ca/P-Verhältnis eingestellt wird. Bevorzugt wird ein Ca/P-Verhältnis von 1,67 gewählt, um vorzugsweise ausschließlich Hydroxylapatit im Granulat zu erhalten. Soll ein lösliches Calciumphosphat (für die in vivo Anwendung gilt der pH-Wert 7) im Granulat enthalten sein, wird ein Ca/P-Verhältnis kleiner 1,67 gewählt, und es entsteht im Laufe des Prozesses das lösliche β-Tricalciumphosphat.

Die Kristalle in der Lösung neigen zum Agglomerieren. Wird der Feststoff im Anschluss an die Fällung isoliert, so ist das Agglomerieren der Kristalle, insbesondere der Nanokristalle, nicht zu vermeiden ( DE 42 32 443 C1 ). Es entstehen also Granulate aus Calciumphosphatkristalliten, aus denen nicht mehr das erfindungsgemäße Granulat, bei dem die Kristallite in einer Xerogelmatrix liegen, erhalten werden kann.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem gelöst, indem die Lösung mit dem ausgefällten Calciumphosphat durch Rühren homogenisiert wird und eine hochkonzentrierte Kieselsäurelösung, wobei bevorzugt Orthokieselsäure genutzt wird, zugeführt wird. Bevorzugt wird Tetraethyloxisilan (TEOS) verwendet, das man vollständig hydrolysiert. Dazu wird bevorzugt TEOS und 0,1 molare Salzsäure im bevorzugtem Volumenverhältnis 30:9 unter starkem Rühren bis zur Hydrolyse gemischt. Das für die Hydrolyse notwendige Wasser liefert die Salzsäurelösung.

Das Verhältnis von Calciumphosphat in der ausgefällten Lösung und der zugegebenen Kieselsäure wird so gewählt, dass die erfindungsgemäße Zusammensetzung des Granulats von etwa 2 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-% Siliziumdioxid erhalten wird. Insbesondere ist dabei zu beachten, dass aus einem Liter TEOS 270 g Siliziumdioxid entstehen. Soll z.B. ein Granulat erhalten werden, das 30 Gew.-% Siliziumdioxid enthält, so sind für eine Lösung mit 100 g Calciumphosphat 43 g Siliziumdioxid notwendig, was wiederum bedeutet, dass ca. 160 ml TEOS verwendet werden. Das ist unabhängig davon, wie viel Lösungsmittel die ausgefällte Lösung enthält.

Erfindungsgemäß wird nun der pH-Wert des Gemisches aus dem gefällten Calciumphosphat und der Kieselsäure in einem Bereich von etwa 2 bis etwa 8, bevorzugt in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 6,5 eingestellt.

Die Kieselsäure im Schlicker beginnt zu kondensieren und damit die Viskosität des Gemisches zu erhöhen. Bis zu einer Viskosität von bevorzugt 2·10⁵ cP wird in dem Gemisch durch Rühren eine Sedimentation des Calciumphosphates verhindert.

Durch die einsetzende Gelbildung des Siliziumdioxides wird das Gemisch fixiert. Die Calciumphosphatkristallite liegen nun in einer Matrix aus einem Siliziumdioxidhydrogel. Durch Entfernen des Lösungsmittels wird aus der Hydrogelmatrix die erfindungsgemäße Xerogelmatrix. Da ein erfindungsgemäßes Granulat eine Granulatkorngröße von etwa 1 μm bis etwa 1000 μm hat, ist ein Zerkleinern notwendig. Diese Zerkleinerung erfolgt bevorzugt im Zustand des Hydrogels.

Das Hydrogel wird nun in einem abgeschlossenen Gefäß, vorzugsweise bei Raumtemperatur (ggf. auch bei Temperaturen von etwa 60°C bis etwa 80°C), gelagert, bevorzugt über einen Zeitraum von etwa 24 h bis 48 h. Während dieser Zeit findet eine Alterung des Siliziumdioxidgels statt, d.h. in dem festen Gel finden weitere Kondensationsreaktionen statt.

Anschließend wird das Gel mit dem Calciumphosphat getrocknet, um Lösungsmittel zu entfernen. Die Trocknungstemperatur liegt bevorzugt bei etwa 20°C bis etwa 150°C, vorzugsweise wird bei etwa 120°C getrocknet.

Durch ein Ausfrieren des feuchten Hydrogels erhält man erfindungsgemäß ebenfalls ein Calciumphosphat/Siliziumdioxid-Granulat (Hydroxylapatit/Siliziumdioxid-Granulat). Durch die Kristallisation des Wassers werden das Calciumphosphat und das Siliziumdioxid des Hydrogels zusammengedrückt und bilden damit Granulate, die nach dem Auftauen des Eises abfiltriert werden. Die abfiltrierten Granulate werden bevorzugt bei etwa 20°C bis etwa 150°C, vorzugsweise bei etwa 120°C, getrocknet.

Eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellung der Granulate ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus dem gefällten Calciumphosphat und der Kieselsäure, dessen pH-Wert in einem Bereich von etwa 2 bis etwa 8, bevorzugt in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 6,5 eingestellt ist, vor der Gelbildung sprühgetrocknet wird, was den Vorteil hat, dass auf eine einfache Weise Granulatkorngrößen im erfindungsgemäßen Bereich erhältlich sind.

Sprühtrocknen ist ein im Stand der Technik (vgl. z.B. K. Masters, „Spray Drying", 2nd ed., John Wiley&Sons, New York, 1976) bekanntes Verfahren.

Beim Sprühtrocknen werden flüssige Produkte am oberen Ende eines Trockenturms in feine Tröpfchen zerstäubt. Die Tropfen werden während ihres freien Falls durch einen Heißluftstrom im Turm getrocknet. Die Temperatur des Heißluftstroms liegt zwischen etwa 80°C und etwa 200°C und wirkt nur für die Dauer von einer halben bis einer Sekunde auf die Produkte ein. Nach der Gefriertrocknung ist die Sprühtrocknung die zweitschonendste industriell angewandte Trockenmethode, insbesondere in der Lebensmittelindustrie.

Wird durch die einsetzende Kondensation der Kieselsäure eine kinematische Viskosität von bevorzugt 0,5 bis 50 cst erreicht, wird das Gemisch sprühgetrocknet, wobei der Druck so auf die Konzentration und die Viskosität abgestimmt wird, dass Granulate von 10 μm und kleiner entstehen. (Siehe hierzu Masters, Spray Drying Handbook, (1979) Georg Godwin Ltd;).

Durch das Verdunsten des Lösungsmittels wird die Gelbildung erreicht und ein Übergang vom nassen Gel zum Xerogel eingeleitet. Das Sprühtrocknen bewirkt, dass mit Gelbildung der kleinen Tröpfchen und dem Trocknen der kleinen Tröpfchen Granulatkörner entsprechender Größe entstehen.

Das Granulat ist dadurch gekennzeichnet, dass die Calciumphosphat-Kristallite (vorzugsweise HA-Kristallite) durch ein poröses Siliziumdioxidgel zusammengehalten werden.

Eine Charakterisierung der Granulate erfolgt mit Elektronenmikroskopie und mit Photokorrelationspektroskopie. (E.R. Pike and J.B. Abbiss eds. Light Scattering and Photo Correlation Spectroscopy. Kluwer Academic Publisher, 1997).

Eine im Bereich von etwa 200°C bis etwa 800°C liegende Temperaturbehandlung des Granulates, das nach einem der oben beschriebenen Verfahren erhältlich ist, gewährleistet, dass restliches Lösungsmittel aus den Poren beseitigt wird. Dabei ist zu beachten, dass vorhandener Alkohol, soweit als Lösungsmittel verwendet, vor der Temperaturbehandlung möglichst vollständig entfernt wird, da er sonst nachfolgend bei höheren Temperaturen durch Bildung von Kohlenstoff das Produkt verunreinigt.

Eine Temperaturbehandlung bei etwa 700°C bis etwa 900°C bevorzugt (etwa 800°C bei Anwesenheit von Sauerstoff (normale Luftatmosphäre)) entfernt den gegebenenfalls vorhandenen Kohlenstoff durch Oxidation.

Eine besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Granulats enthält, wie oben beschrieben, etwa 0,5 Mol-% bis etwa 35 Mol-% eines Netzwerkwandlers im Xerogel, bevorzugt Na₂O.

Der Netzwerkwandler wird bevorzugt in das fertige nanoporöse Granulat eingebracht, indem bevorzugt eine wässrige Lösung verwendet wird. Ein Trocknungsprozess bei bevorzugt etwa 120°C bis etwa 200°C entfernt anschließend das Lösungsmittel. (Beispiel: Für 100 g eines Granulats mit 30 Gew.-% Siliziumdioxid werden 8 g NaOH in 50 ml destilliertem Wasser gelöst. Das poröse Granulat nimmt diese Lösung auf, und es wird sofort getrocknet, um ein Auflösen der Xerogels in der basischen Lösung zu verhindern.) Im Granulat liegt damit das Netzwerkwandleroxid mit 21 Gew.-% vor, was 19,3 Mol-% Na₂O bezogen auf das Xerogel entspricht.

Die Erfindung betrifft somit auch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Granulats bei dem unter Verwendung entsprechender Orthophosphat-Verbindungen und Calcium-Verbindungen (wie z.B. Calciumnitrat und Ammoniumhydrophosphat) durch die Reaktion der Orthophosphatgruppe PO₄ ^3– und Calciumionen in wässriger Lösung ein Hydroxylapatit ausgefällt wird, das durch die in der Lösung festgelegten Ionenkonzentrationen ein Ca/P-Verhältnis von 1,50 bis 1,67 aufweist, wobei bevorzugt ein Ca/P-Verhältnis von 1,67 gewählt wird, wenn das Endprodukt ausschließlich als Calciumphosphat Hydroxylapatit enthalten soll, und wobei ein Ca/P-Verhältnis kleiner 1,67 gewählt wird, wenn im Endprodukt zusätzlich das lösliche β-Tricalciumphosphat vorhanden sein soll.

Das Verfahren ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass das ausgefällte Hydroxylapatit, ohne dass es in der wässrigen Lösung Agglomerate bildet, homogen in ein Siliziumhydrogel eingebettet wird, was man dadurch realisiert, dass man der wässrigen Lösung Kieselsäure, bevorzugt Orthokieselsäure, insbesondere hydrolysiertes Tetraethyloxisilan (TEOS), zuführt und man den pH-Wert so einstellt, dass er im Bereich von etwa 2 bis etwa 8, bevorzugt von etwa 5 bis etwa 6,5 liegt, so dass eine Gelbildung erfolgt. Die verwendete Menge TEOS wird so gewählt, dass der Siliziumdioxid-Anteil im Bereich von etwa 4 bis etwa 80 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von etwa 2 bis etwa 50 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse der Granulatkörner, liegt. Durch einen Trocknungsprozess kommt es zu einem Übergang vom Hydrogel zum Xerogel, wodurch die Calciumphosphatkristallite in einer Xerogelmatrix liegen.

Das erfindungsgemäß hergestellte Calciumphosphat-Granulat (unlösliches Calciumphosphat, welches vorzugsweise Hydroxylapatit ist, gegebenenfalls in Kombination mit löslichem Calciumphosphat, bevorzugt β-Tricalciumphosphat, das in definierter Konzentration und Morphologie Siliziumdioxid enthält, dient, wie bereits erwähnt, als Ausgangsmaterial für die Herstellung des hochporösen Knochenersatzmaterials. Das Herstellungsverfahren wird weiter unten beschrieben. Eine Anwendung als Ausgangsmaterial für die Plasmaspraybeschichtung (siehe R. B. Heimann, Plasma-Spray Coatings. Principles and Applications, Wiley-VCH Verlag (1998)) von Implantaten. Hierbei werden die Teile, die direkten Kontakt zum Knochen haben, wie z.B. der Schaft einer Hüftgelenksprothese mit dem Material beschichtet. Eine Anwendung bei Zahnimplantaten ist ebenso möglich.

Wird das Granulat mit Knochenmarkflüssigkeit oder mit Eigenblut des Patienten gemischt, so ist es als injizierbares Arzneimittel bzw. Medizinprodukt anzuwenden, das dazu dient, osteoporotische Knochen aufzubauen, den Knochenaufbau im Übergangsbereich zu gelockerten Metallimplantaten anzuregen oder die Heilung von Parodontaldefekten anzuregen.

Aus dem erfindungsgemäßen Granulat wird der erfindungsgemäße hochporöse Knochersatzwerkstoff hergestellt. Dabei wird ein Schlicker aus den beschriebenen Granulat und bevorzugt Wasser hergestellt. Auf etwa 100 g Granulat werden bevorzugt etwa 100 ml bis etwa 300 ml Wasser gegeben. Nachdem der pH-Wert bevorzugt so eingestellt wird, dass er im Bereich von etwa 5 bis etwa 6,5 liegt, wird der Schlicker in eine beliebige Form gegossen und getrocknet. Damit wird ein hochporöses Knochenersatzmaterial erhalten. Vergleichbar ist der entstandene Formkörper mit einem Grünkörper, wie er üblicherweise bei keramischen Verfahren anfällt (siehe hierzu: D. Richerson, Modern Ceramic Engineering, Dekker Publ., J. Reed, Principles of Ceramic Processing, Nanocrystalline Ceramics, M. Winterer, Springer 2002).

Da bei dem erfindungsgemäßen Calciumphosphatgranulat die Calciumphosphatkristallite in einer Matrix aus Siliziumdioxidxerogel liegen, besteht die Oberfläche der Granulate natürlich aus Silizumdioxid, das in dem gewählten pH-Bereich bestrebt ist, zwischen den -SiOH-Gruppen der Oberflächen sich berührender Granulatkörner eine Kondensationsreaktionen durchzuführen. Durch den Kapillardruck beim Trocknungsprozess werden die Oberflächen der Granulatkörner aufeinander gedrückt und durch -SiOSi-Bindungen verbunden. Dadurch erhält das hochporöse Knochenmaterial seine mechanische Stabilität und die beschriebenen erfindungsgemäßen Eigenschaften. Als zusätzlicher Binder kann Kieselsäure, insbesondere Orthokieselsäure, in den Schlicker gegeben werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird dazu TEOS mit Salzsäure hydrolysiert und dem Schlicker zugegeben. Dabei werden auf 100 g Granulat bevorzugt 3 ml bis 15 ml TEOS genommen.

Die Trocknung des Schlickers erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur zwischen etwa Raumtemperatur und etwa 200°C, besonders bevorzugt zwischen etwa 80°C und etwa 130°C. Nach dem Trocken erfolgt eine weitere Temperaturbehandlung zum Verfestigen des hochporösen Knochenersatzmaterials bei einer Temperatur, die vom Vorhandensein von Netzwerkwandlern im Xerogel des Granulates abhängt. Ohne Netzwerkwandler (reines Siliziumdioxidxerogel) erfolgt die Temperaturbehandlung bevorzugt bei etwa 700°C bis etwa 900°C, vorzugsweise bei ca. 800°C. Mit Netzwerkwandler im Xerogel liegt die Temperatur bevorzugt im Bereich zwischen etwa 300°C und etwa 500°C.

Durch das beschriebene Verfahren erhält das hochporöse Knochenersatzmaterial seine beschrieben Struktur und damit die beschriebenen Eigenschaften.

Zusätzlich zu den Nanoporen im Xerogel entsteht eine Porenkaterorie, die durch die Packung der Granulatkörner und deren Größe bestimmt ist. Eine weitere Porenstruktur im Größenbereich von einigen hundert μm bis in den mm-Bereich, die ein Einwachsen von Blutgefäßen ermöglichen soll, wird im Formkörper erzeugt, indem dem Schlicker zusätzlich bevorzugt organische Pulver mit einer Korngröße in der später gewünschten Porengröße zugegeben werden, die nach dem Trocknungsprozess herausgebrannt werden.

Bevorzugt werden durchgehend Poren (Kanäle) (im Größenbereich von einigen hundert μm bis in den mm-Bereich) erzeugt, indem man organische Fasern des gewünschten Durchmessers in den Schlicker einbringt, die nach dem Trocknungsprozeß herausgebrannt werden.

Als Material für das Pulver oder die Fasern kommt insbesondere Wachs in Frage, da dann eine Trocknung des Materials, die immer eine geringe Schrumpfung mit sich bringt, bei Temperaturen durchgeführt werden kann, wo das Wachs weich ist und damit ein Reißen des Materials verhindert. Eine günstige Trocknungstemperatur ist somit etwa 40°C. Anschließend kann das Wachs durch Zentrifugieren bei ca. 100°C aus den Poren entfernt werden. Reste des Wachses werden anschließend herausgebrannt, und bei etwa 800°C wird der entstehende Kohlenstoff entfernt.

Das Verfahren zur Herstellung der beschriebenen erfindungsgemäßen Glaskeramik geht von dem beschriebenen hochporösen Knochenersatzmaterial aus.

Hierbei wird die Xerogelmatrix des hochporösen Knochenersatzwerkstoff in eine Glasmatrix umgewandelt, ohne dass es zum Zusammensintern der Calciumphosphatkristalle kommt. Das bedeutet, dass die Verknüpfung der Siliziumdioxidtetraeder vervollständigt wird

Ein Gel-Glas-Übergang verlangt bei reinem Siliziumdioxid eine relativ hohe Temperatur von ca. 900°C bis 1200°C. Da bei diesen Temperaturen die Möglichkeit besteht, dass die kristallinen Calciumphosphatkomponenten einen Phasenübergang machen, wird bevorzugt ein hochporöses Knochenersatzmaterial mit einem Netzwerkwandler im Xerogel verwendet. Die Netzwerkwandler sind entweder schon durch die ursprüngliche Verwendung eines Granulates mit einem Netzwerkwandler in das hochporöse Knochenersatzmaterial gelangt, oder die Netzwerkwandler werden in das fertiggestellte hochporöse Knochenersatzmaterial eingebracht, indem man dieselbe Methode wie beim Granulat anwendet. Damit erfolgt ein Gel-Glas-Übergang bei weit geringeren Temperaturen, und die Calciumphosphatkomponente verändert sich nicht. Typische Netzwerkwandlerkonzentrationen liegen bei etwa 0,5 bis etwa 35 Mol-%, vorzugsweise etwa 17 bis etwa 30 Mol-%, bezogen auf den Siliziumdioxidanteil. Als Netzwerkwandleroxid bietet sich Na₂O an, da die Glasphase damit in Körperflüssigkeit löslich ist und damit auch resorbiert werden kann.

Da die Glastemperatur von Natriumsilkatglas in Abhängigkeit vom Natriumgehalt im Bereich von etwa 460°C bis etwa 800°C liegt, ist es klar, dass eine Wärmebehandlung über diesem Temperaturbereich sehr schnell zum Glas führt. Wird eine Temperaturbehandlung etwa 20% bis etwa 5% unter der für die Zusammensetzung festgelegten Glastemperatur durchgeführt, verlangsamt sich der Prozess und benötigt mehrere Stunden und kann zu jedem Zeitpunkt abgebrochen werden.

Während der Resorption geht dann das Glas den umgekehrten Weg. Das heißt, aus dem Glas wird wieder eine gelähnliche Struktur.

Mit den erfindungsgemäßen Calciumphosphat/Siliziumdioxid-Granulaten besteht nun die Möglichkeit, Festigkeit und Resorptionseigenschaften des erfindungsgemäßen Knochenersatzmaterials zu optimieren. Eine Erhöhung der Festigkeit wird auf jeden Fall immer mit einer Verschlechterung der Biodegradation einhergehen.

Mit dem erfindungsgemäßen Knochenersatzmaterial sind viele Anwendungen möglich. Für kleine Defekte, wie sie z.T. in der Kieferchirurgie auftreten, kann ein Granulat aus dem hochporösem Knochenersatzmaterial zum Auffüllen verwendet werden. Bei größeren Defekten, wo der verbleibende Knochen die Form des Defektes noch genügend stabilisiert, sind Formkörper aus dem hochporösen Knochenersatzmaterial anzuwenden.

Insbesondere Formkörper in einer Kombination von mechanisch festeren Knochenersatzmaterialien (Matrix besteht aus Glas) und den hochporöseren Knochenersatzmaterialien (Matrix besteht aus Xerogel) zeigen interessante Anwendung insbesondere bei größeren Defekten oder auch bei Defekten, bei denen kein nativer Knochen als Leitschiene verblieben ist.

Erfindungsgemäß haben diese Formkörper von mindestens einer Seite eine Schicht aus dem anorganisches resorbierbares Knochenersatzmaterial mit dem Glas als Matrix (erhöhte Festigkeit) und das in dieser Schicht Löcher in der Größenordnung von 0,5 bis 5 Millimeter sind und diese Löcher einen Volumenanteil in der Schicht von 5 bis 80% einnehmen. Das gesamte Volumen einschließlich der Löcher in den festeren Material wird durch das Material, das ein Xerogel als Matrix besitzt, eingenommen. Die Löcherstruktur in der festen Schicht soll ein Einwachsen von Blutgefäßen ermöglichen.

Die Erfindung betrifft daher ferner die Verwendung der erfindungsgemäßen Granulate und Knochenersatzmaterialien zur Herstellung von Formkörpern, vorzugsweise eines Quaders, einer Platte, eines Hohlzylinders oder eines Keils.

Ferner ermöglicht die Erfindung die Verwendung des vorgenannten Siliziumdioxid/Calciumphosphat-Granulates zur Beschichtung von Implantaten (s.o.). Besonders bevorzugt erfolgt die Beschichtung durch Plasmaspraybeschichtung.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise festgestellt, dass das erfindungsgemäße Granulat bzw. der erfindungsgemäße Festkörper in der Lage ist, in einem im Vergleich zum Stand der Technik erheblich größeren Umfang Knochen neu zu bilden, vor allem ektop, d.h. außerhalb von Knochendefekten, z.B. im Fettgewebe oder im Muskel (ektope Osteoinduktion). Gemäß einer besonderen Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Granulat bzw. der erfindungsgemäße Festkörper somit zur Herstellung eines pharmazeutischen Präparats oder Medizinprodukts zur Osteoinduktion, insbesondere zur ektopen Osteoinduktion, verwendet. Wie oben dargestellt, handelt es sich bei dem Granulat um ein Granulat auf Basis von Calciumphosphat, bei dem kristallines Calciumphosphat in einer Siliziumdioxid-Xerogelmatrix eingebettet ist, wobei die Kristallite eine Größe von etwa 10 nm bis etwa 2000 nm und die Granulatkörner eine Größe von etwa 1 μm bis etwa 1000 μm aufweisen und der Siliziumdioxid-Anteil im Bereich von etwa 2 bis etwa 80 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von etwa 4 bis etwa 50 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse der Granulatkörner) liegt. Bevorzugt ist ein Granulat mit 9 bis 30 Gew.-%, (vorzugsweise 15 bis 30 Gew.% und besonders bevorzugt 20 bis 25 Gew.-%) Siliziumdioxid und 79 bis 91 Gew.-% (vorzugsweise 75 bis 85 Gew.-% und besonders bevorzugt 75 bis 80 Gew.-%) Hydroxylapatit. Die Hydroxylapatit-Nanokristallite sind in einer Sio₂-Xerogelmatrix eingebettet und lassen dadurch interkonnektierende Nanoporen entstehen. Durch die hohe Porosität und durch die lockere Packung des Granulats beträgt der Feststoffgehalt ca. 5 bis 70 Vol.-%, vorzugsweise 10 bis 30 Vol.-% und bevorzugt ca. 20 Vol.-%.

Erfindungsgemäß ganz besonders bevorzugt wird NanoBone^® zur Osteoinduktion verwendet. Bei NanoBone^® handelt es sich um ein Granulat, das zu 76 Gew.-% aus nanokristallinem, nicht gesintertem Hydroxylapatit (HA) und zu 24 Gew.-% aus Siliziumdioxid (SiO₂) besteht. Die Nanokristallite sind in einer Sio₂-Xerogelmatrix eingebettet und lassen dadurch interkonnektierende Nanoporen entstehen. Durch die hohe Porosität und durch die lockere Packung des Granulats (vgl. 19; „Tannenzapfenstruktur") beträgt der Feststoffgehalt nur ca. 20 Vol.-%. Die Granulatteilchen haben eine „Tannenzapfenstruktur" mit einem mittleren Durchmesser von 0.6 mm und einer mittleren Länge von 2 mm.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verwendet man zur Osteoinduktion einen erfindungsgemäßen Formkörper auf Basis von Calciumphosphat, bei dem kristallines Calciumphosphat in einer Siliziumdioxid-Xerogelmatrix eingebettet ist, wobei die Kristallite eine Größe von 10 nm bis etwa 2000 nm haben und der Siliziumdioxid-Anteil im Bereich von etwa 4 bis etwa 50 Gew.%, bezogen auf die Gesamtmasse des Formkörpers, liegt und der Formkörper interkonnektierende Makroporen im Bereich von 100 μm bis 3000 μm besitzt. Die Poren im Xerogel weisen vorzugsweise einen durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 0,5 nm bis 20 nm auf. Ferner machen die Poren in dem die Makroporen umschließenden Material vorzugsweise jeweils etwa 10 Vol.-% bis etwa 60 Vol.-% bezogen auf das Volumen des die Makroporen umschließenden Materials aus.

Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines erfindungsgemäßen Granulats oder Formkörpers zur Herstellung eines Arzneimittels oder Medizinprodukts zur Heilung von Knochendefekten durch Osteoinduktion sowie zur ektopen Osteoinduktion. Osteoinduktion bezeichnet eine Knochenneubildung durch Differenzierung von osteogenen Zellen aus niedriger differenzierten Vorläuferzellen. Sie ist damit die effektivste Form der Defektheilung von Knochendefekten. Wie zuvor angegeben bezeichnet man als „ektope Osteoinduktion" eine Knochenneubildung außerhalb von Knochendefekten. Das schließt die Verwendung zur Herstellung (Züchtung) von Knochen, beispielsweise im Fettgewebe eines Patienten, ein, der z.B. in besonders schweren Fällen von Knochenverlust (wie durch Tumore) mikrochirurgisch transplantiert werden kann.

Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines erfindungsgemäßen Granulats oder Formkörpers zur Herstellung eines Arzneimittels oder Medizinprodukts zum Aufbau osteoporotischer Knochen durch Osteoinduktion, zum Anregen des Knochenaufbaus im Übergangsbereich zu gelockerten Metallimplantaten oder zum Anregen der Heilung von Parodontaldefekten. Dabei vermischt man das Granulat vorzugsweise mit Knochenmarkflüssigkeit oder Blut.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Arzneimittel oder Medizinprodukt, das ein erfindungsgemäßes Granulat umfasst, das mit Knochenmarkflüssigkeit oder Blut des Patienten (somit autolog) vermischt ist.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Arzneimittel oder Medizinprodukt, das ein erfindungsgemäßes hochporöses Knochenersatzmaterial oder eine Glaskeramik als Knochenersatzmaterial umfasst, wobei das Knochenersatzmaterial unmittelbar vor dem Implantieren mit Knochenmarkflüssigkeit oder Blut des Patienten (somit autolog) so in Kontakt gebracht wird, das sich die Poren der Materialien vollständig füllen.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen und Figuren näher erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein.

Beispiel 1 – Erzeugung von Calciumphosphat-Granulat
Eine Lösung von 3 mmol/m³ Ca(H₂PO₄)₂ und eine Lösung von 7 mmol/m³ CaCl₂ wird zusammengerührt (womit ein Ca/P Verhältnis von 1,67 erhalten wird) und es wird ein pH-Wert von 7 mit NH4OH eingestellt. Das ausgefällte Material wird mit Pulverdiffraktometrie vermessen. 4 zeigt das Ergebnis. Es handelt sich um phasenreines Hydroxylapatit, was sich auch während der folgenden Verfahrensschritte nicht ändert. Die Lösung mit dem ausgefällten Hydroxylapatit wird durch ständiges Rühren am Sedimentieren gehindert und auf konzentriert, bis auf 100 ml Lösungsmittel 50 g Hydroxylapatit verbleiben. 60 ml Tetraethyloxisilan (TEOS) und 18 ml 0,05 molare Salzsäure werden stark verrührt bis die Hydrolyse des TEOS vollzogen ist, was eine Zeit von ca. 15 Minuten benötigt und durch einen Temperaturanstieg von Raumtemperatur auf ca. 50°C nachweisbar ist.
Diese Lösung wird der Lösung mit dem ausgefällten, homogen verteilten Hydroxylapatit zugeführt und mit NH₄OH der pH Wert auf ca. 6.0 eingestellt. Dieses Gemisch wird weiter gerührt bis eine Viskosität von ca. 2·10^5 cP erreicht wird (durch die einsetzende Gelbildung des Siliziumdioxides wird die Lösung pastenartig). Nach der sofort einsetzenden Gelbildung wird der Ansatz 24 Stunden in einem abgeschlossenen Gefäß gelagert, anschließend granuliert.
Darauf erfolgt die Trocknung bei 80°C über einen Zeitraum von 2 Stunden. Hierbei erfolgt der Übergang vom Hydrogel zum Xerogel.
Das Granulat wird in destilliertem Wasser gespült und anschließend wieder getrocknet. Hierzu wurde eine Temperaturbehandlung von 120°C bei einer Zeitdauer von zwei Stunden gewählt.
Die anschließende Temperaturbehandlung bei 800°C beansprucht eine Zeit von 1 Stunde. Das entstandene Granulat besteht zu 75 Gew.-% aus Calciumphosphat und zu 25 Gew.-% aus Siliziumdioxid.
Das entstandene Granulat wird durch rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen charakterisiert, wie sie in 5 zu sehen ist. Es sind Granulatkörner im Größenbereich von 1 μm bis 5 μm zu erkennen.
Aus dem Granulat wird mit Wasser ein Schlicker hergestellt und mit dynamischer Lichtstreuung (E.R. Pike and J.B. Abbiss eds. Light Scattering and Photo Correlation Spectroscopy. Kluwer Academic Publisher, 1997) die Größenverteilung der Granulatkörner bestimmt. Das Ergebnis ist in 6 zu sehen.
Die 7 und 8 zeigen transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen von Schnitten durch die Granulatkörner. Hierzu wurde das Material in Epoxid eingebettet und es wurden ca. 60 nm dicke Schnitte angefertigt. Die Kristallite sind Plättchen mit einem mittleren Plättchendurchmesser von 150 nm und einer Plattchendicke von ca. 10-20 nm. Es ist sehr schön zu erkennen, wie die Kristallite in der Xerogelmatrix eingebettet sind, obwohl der Kontrastunterschied zwischen dem Epoxid (Einbettungsmaterial) und dem Siliziumdioxidxerogel nur relativ schwach ist. In 7 ist z.B. die Region A eine mit Epoxid gefüllte Pore und Region B ein typisches Gebiet in dem das Hydroxylapatit im Xerogel eingebettet ist.
Beispiel 2 – Erzeugung von Calciumphosphat-Granulat
Eine wässrige Lösung von Calciumnitrat und Ammonium Hydrophosphat mit einem Calcium zu Phosphatverhältnis von 1.67 wird mit einem Magnetrührer homogen vermischt und ein pH-Wert von 10 mit Hilfe von NH₄OH eingestellt. Das ausgefällte Material wird viermal mit destilliertem Wasser gewaschen und zentrifugiert und anschließend in Ethanol dispergiert.
Bezogen auf einen Feststoffanteil von 72,9g HA wird 30 ml TEOS mit 9ml einer 0,1 mol/l HCl-Lösung und 9ml Ethanol gemischt.
Nach der Hydrolyse des TEOS wird dieses Gemisch in den HA Schlicker gegeben und homogen verteilt und ein pH-Wert von 6.0 eingestellt.
Das Sprühtrocknen erfolgt, indem der homogenisierte Schlicker mit Pressluft und einem Druck zwischen 50 und 100 kPa durch eine Düse gedrückt wird und das schnelle Trocknen in einem koaxialen Luftstrom bei einer Temperatur von 100°C geschieht.
Die anschließende Temperaturbehandlung bei 800°C beansprucht eine Zeit von 1 Stunde.
Das entstandene Granulat unterscheidet sich in den Eigenschaften von dem Granulat in erster Linie durch die Größe der Granulatkörner, die einen wesentlich schmalere Verteilung und ein Maximum bei einem Durchmesser von 18 μm besitzt.
Beispiel 3 – Erzeugung von Calciumphosphat-Granulat
Eine wässrige Lösung von 0.3 M Orthophosphorsäure (H₃PO₄) wird mit einer wässrigen Suspension von 0.1 M Calciumhydroxyd (Ca(OH)₂) bei Raumtemperatur vermischt. Damit wird ein Ca/P Verhältnis von 1.5 erhalten. Ein pH-Wert von 10 wird mit NH₄OH eingestellt. Das ausgefällte Material wird viermal mit destilliertem Wasser gewaschen und zentrifugiert und anschließend in Wasser dispergiert, so dass auf 100 ml Lösungsmittel 50 g Calciumphosphat verbleiben. 30 ml TEOS und 9 ml 0,05 molare Salzsäure werden stark verrührt bis die Hydrolyse des TEOS vollzogen ist, was eine Zeit von ca. 15 Minuten benötigt und durch einen Temperaturanstieg von Raumtemperatur auf ca. 50°C nachweisbar ist.
Diese Lösung wird der Lösung mit dem ausgefällten, homogen verteilten Hydroxylapatit zugeführt, und mit NH₄OH wird der pH- Wert auf ca. 6,0 eingestellt. Dieses Gemisch wird weiter gerührt bis eine Viskosität von ca. 2·10⁵ cP erreicht wird (durch die einsetzende Gelbildung des Siliziumdioxides wird die Lösung pastenartig). Nach der sofort einsetzenden Gelbildung wird der Ansatz 24 Stunden in einem abgeschlossenen Gefäß gelagert, anschließend granuliert.
Darauf erfolgt die Trocknung bei 80°C über einen Zeitraum von 2 Stunden. Hierbei erfolgt der Übergang vom Hydrogel zum Xerogel.
Das Granulat wird in destilliertem Wasser gespühlt und anschließend wieder getrocknet. Hierzu wurde eine Temperaturbehandlung von 120°C bei einer Zeitdauer von zwei Stunden gewählt.
Die anschließende Temperaturbehandlung bei 800°C beansprucht eine Zeit von 1 Stunde. Das entstandene Granulat besteht zu 86 Gew.-% aus Calciumphosphat und zu 14 Gew.-% aus Siliziumdioxid.
Die 9 und 10 zeigen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen eines Granulatkornes. In 9 ist das innere an einer Bruchkante eines zermahlenen Granulatkorns zu erkennen. 10 zeigt die Oberfläche eines Granulatkorns In diesem Beispiel liegen mit dem β-Tricalciumphosphat relativ große Kristallite mit ca. 1 μm Durchmesser vor. Das Xerogel erscheint in den Aufnahmen als kompaktes Material, was natürlich an der Auflösung der rastermikroskopischen Aufnahmen liegt, die die Porosität der Xerogels nicht vollständig auflösen. Es ist aber sehr gut zu erkennen, wie das Xerogel eine Matrix bildet, in der die Kristallite liegen und das das gesamte Granulatkorn von einer Xerogelschicht umgeben ist.
Beispiel 4 – Erzeugung des hochporösen Knochenersatzmaterials
100g des Granulates, dessen Herstellung in Beispiel 1 beschrieben ist, das 25 Gew.-% Siliziumdioxid enthält, wird mit 150 ml destilliertem Wasser verrührt und in Formen von jeweils 8 mm·15 mm·30 mm gegossen.
Es folgt eine Trocknung über 3 Stunden bei 80 °C. Bei der anschließenden Temperaturbehandlung werden die Proben 2 Stunden bei 120°C gehalten und anschließen wird die Temperatur auf 800 °C erhöht und eine Stunde gehalten.
Das Knochersatzmaterial hat eine Porosität von ca. 60 %.
11 zeigt die rasterelektronische Abbildung des Materials. Die Granulatkörner, deren ursprüngliche Gestalt in 5 zu sehen ist, bilden jetzt einen durchgehende 3 dimensionale Struktur mit Poren im Mikrometerbereich.
Die Nanostruktur im Inneren der Granulate ist unverändert.
Beispiel 5 – Erzeugung des hochporösen Knochenersatzmaterials
142 ml Wasser werden mit 8 ml hydrolysierter TEOS Lösung gemischt. Für die Hydrolyse werden auf 30 ml TEOS 18 ml 0,05 molare Salzsäure gegeben und gerührt bis die Hydrolyse vollzogen ist, was an einer Temperaturerhöhung von Raumtemperatur auf ca. 50°C zu erkennen ist.
100 g Granulat, dessen Herstellung in Beispiel 1 beschrieben ist, werden in dieser Lösung homogen verteilt. Es folgt eine weitere Behandlung wie im Beispiel 4.
Durch das zusätzliche Einbringen des Siliziumdioxides ändert sich die wesentliche Struktur des Materials (Mikrometerporen und Nanometerporen) nicht. Die Granulate sind fester verknüpft, was die Gesamtfestigkeit des hochporösen Knochenersatzmaterial um ca. 50% erhöht.
Beispiel 6 – Erzeugung des hochporösen Knochenersatzmaterials, aber mit Makroporen
Wachsfäden von 0.2 mm Durchmesser werden vollkommen ungeordnet in die Formen des Beispiel 4 gebracht, so dass sie einen Volumenanteil von 30% des Forminhaltes ausmachen. In diese Formen wird ein Schlicker aus siliziumdioxidhaltigem Calciumphosphatgranulat, wie er in Beispiel 5 beschrieben ist, gegeben. Das Trocknen erfolgt jetzt bei 40°C, da hier die Wachsfäden weich sind und noch nicht flüssig und sich damit nicht in den entstehenden Mikrometerporen verteilen, über einen Zeitraum von 4 Stunden.
Bei einer Tempaturbehandlung bei 800°C über einen Zeitraum von 1 Stunde wird das Wachs herausgebrannt.
Die Makroporen, die an Stelle der Wachsfäden entstanden sind, nehmen ca. 30 Vol.-% ein, so dass eine Gesamtporosität von 72% entstanden ist, denn die Mikrometer- und Nanometerstruktur hat sich gegenüber dem Beispiel 5 oder 6 nicht verändert
Beispiel 7 – Erzeugung einer Glaskeramik
Ausgangspunkt für die Erzeugung der Klaskeramik als Knochenersatzmaterial ist das hochporöse Knochenersatzmaterial, das im Beispiel 4 hergestellt wurde.
Ein Formkörper aus diesem Material hat eine Dichte von 0.8 g/cm³ und damit eine Porosität von ca. 60%. Ein Volumen von 1000 ml des Formkörpers enthält 200 g Siliziumdioxid. Um den Netzwerkwandler in das Xerogel des Formkörpers mit dem Volumen von 1000 ml zu bringen, werden 50 g NaOH in 600 ml Wasser gelöst und in die Poren des Formkörpers gebracht. Der Formkörper saugt die Lösung vollständig auf, und es erfolgt eine Trocknung bei 120°C. Im Formkörper liegt damit das Netzwerkwandleroxid mit 20 Gew.-% vor, was ca. 19 Mol-% Na₂O bezogen auf das Xerogel entspricht.
Nun erfolgt eine Temperaturbehandlung bei 650°C über zwei Stunden. Damit geht das Xerogel in den Zustand des Glases über. Es entsteht Natriumsilikatglas. Der Formkörper schrumpft und behält eine Restporosität von ca. 30 %.
Mit der 12 wird die mechanische Festigkeit der Knochenersatzmaterialien dokumentiert. Die Kurve A im Spannungs-Stauchungs-Diagramm zeigt das Material mit dem Siliziumxerogel als Matrix. Es handelt sich hierbei um ein Material mit 24 Gewichtsprozent Siliziumdioxid und mit Hydroxylapatit als kristalline Komponente.
Die Kurve B in dem Diagramm repräsentiert ein Material identischer Zusammensetzung, wobei hier die Xerogelmatrix in ein Glas überführt wurde. Die Bruchfestigkeit hat sich von ca. 3 auf 50 MPa erhöht.
Beispiel 7 – In vivo-Testung des hochporösen Knochenersatzmaterials
Göttinger Minischweine wurden für die Tierexperimente genutzt, um die Eigenschaften des Materials als Knochenersatz zu testen. Die Tiere waren adult (ein Jahr alt) und hatten ein Gewicht zwischen 25 und 30 kg. Die Knochendefekte überschritten die kritische Größe von 5 cm³; ihre Abmessungen betragen ca. 3,0 cm·1,5 cm·1,5 cm. Sie wurden in den Unterkiefer gesetzt, komplett mit dem Knochenersatzmaterial gefüllt und wieder mit der Knochenhaut geschlossen. Nach 8 Monaten wurden die Schweine getötet, und die Unterkiefer entnommen und röntgenologische, histologische und rastermikroskopische Untersuchungen durchgeführt.
13 zeigt den Unterkiefer mit dem ehemaligen Defekt, der mit dem Material des Beispiels gefüllt wurde 8 Monate nach der Operation. Das Defektgebiet ist klinisch vollkommen verheilt. Histologische Untersuchungen zeigen, dass über mehrere Versuchstiere gemittelt weniger als 1% des Biomaterials im Defektgebiet vorzufinden ist.
14 zeigt eine Vergleichsstudie mit einem Leerdefekt. Dieser Defekt wird mit Bindegewebe eingekapselt und verheilt nicht.
15 zeigt eine Vergleichsstudie mit einem kommerziellen Knochenersatzmaterial auf Hydroxylapatitbasis. Der Defekt verheilt zwar, aber das Biomaterial wird nicht abgebaut und verbleibt als Fremdkörper im Knochen.
16 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme eines histologischen Schnittes. Es handelt sich um ein demineralisierten histologischen Schnitt mit Hämalaun Eosin Färbung. Es ist eine Lagune (L) im Biomaterial des Beispiels (B) zu erkennen. Auf dem Boden der Lagune sind Osteoklasten (O) dabei das Biomaterial abzubauen. Das bedeutet die Biodegradation des Materials erfolgt über Osteoklasten, was für eine Anwendung von entscheidender Bedeutung ist.
Beispiel 8
In 17 ist ein Formkörper dargestellt, der die Eigenschaft der beiden Materialien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften kombiniert und für größere Knochendefekte vorgesehen ist. Das Material mit dem Glas als Matrix bildet auf einer Seite eine Stützschicht, die eine Dicke in der Größenordnung von zwei Millimetern hat, die wiederum mit einem System von Löchern versehen ist. Das Volumen des Formkörpers als auch die Löcher in der stabilen Schicht werden durch das Material mit dem Xerogel als Matrix ausgefüllt, da dieses Material die besseren bioaktiven Eigenschaften hat. 18 zeigt einen weiteren möglichen Formkörper. Der Zylinder hat einen Mantel aus dem Material mit dem Glas als Matrix. Dieser Mantel hat ebenfalls ein System von Löchern, die wie das gesamte Volumen mit dem Material mit dem Xerogel als Matrix gefüllt sind.
Beispiel 9 – Osteoinduktion
Für dieses Beispiel wurde in einer Ausführungsform NanoBone^® verwendet. Es besteht zu 76 Gew.-% aus nanokristallinem, nicht gesintertem Hydroxylapatit (HA) und zu 24 Gew.-% aus Siliziumdioxid (SiO₂). Die Nanokristallite sind in einer Sio₂-Xerogelmatrix eingebettet und lassen dadurch interkonnektierende Nanoporen entstehen. Durch die hohe Porosität und durch die lockere Packung des Granulats (vgl. 19; „Tannenzapfenstruktur") beträgt der Feststoffgehalt nur ca. 20 Vol.-%. Durch den Kontakt mit dem Blut des Versuchstiers werden etwa 80 Vol.-% durch körpereigenes Material eingenommen. Die Granulatteilchen haben eine „Tannenzapfenstruktur" mit einem mittleren Durchmesser von 0.6 mm und einer mittleren Länge von 2 mm (vgl. 20).
Für die Experimente standen 6 adulte Minischweine (Ellegard Göttingen Minipigs, Dalmose, Dänemark) zur Verfügung. Alle Tiere wurden nach einer Prämedikation (Azaperon 5 mg/kg i.m.) in Allgemeinanästhesie (Ketamin 15 mg/kg, 0,2 mg Dormicum, 1 mg Atropin i.m) operiert. Im Bereich des Nackens wurde subkutan zwischen Fettgewebe und Muskulatur ca. 1 cm³ NanoBone^® einebracht.
Zum Zeitpunkt der Operation waren die Tiere 1 Jahr alt, das mittlere Köpergewicht betrug 27,4 kg. Die Tiere erhielten eine Standardnahrung (Minipig Erhaltungsfutter).
Die Tötung der Miniatur-Schweine erfolgte nach 8 Monaten gemäß dem Versuchsprotokoll in Pentobarbitalüberdosierung mittels einer Herzpunktion.
Im Bereich des eingebrachten Biomaterials hatte sich Hartgewebe gebildet, das zur histologischen Aufarbeitung eingebettet und nach der Säge-Dünnschlifftechnik nach Donath und Breuner (Donath K, Breuner G. „A method of the study of undecalcified bones and teeth with attached soft tissues. The Sägeschliff-technique." J Oral Pathol 1982; 11: 318-326) aufgearbeitet wurde.
Die Schnitte wurden sodann mit Toluidinblau gefärbt.
In 21 ist ein repräsentativer histologischer Schnitt dargestellt. Es ist trabekulärer Knochen zu erkennen. Es handelt sich um physiologisch vollkommen intaktes Knochengewebe mit Osteozyten in einer Größe von ca. 10 mm·6 mm. Von dem NanoBone^® Granulat sind nur noch ca. 10% vorhanden, das in das Knochengewebe eingebaut ist. Der größte Teil des Biomaterials wurde über Osteoklasten abgebaut.
Es ist somit im Fettgewebe ein makroskopisches, ca. 1 cm³ großes Knochenstück entstanden, in dem der Mechanismus des Knochenremodellings (Auf- und Abbau des Knochens, ständige Erneuerung des Knochens) abläuft, wie im normalen Skelett.
In der Literatur wurde bisher eine ektope Knochenbildung nur auf Oberflächen und in Poren von Biomaterial beobachtet. Die Entstehung einer kompletten Knochenstruktur außerhalb des Skelettes konnte im übrigen bisher nur durch „bone morphogenetic proteins" (BMP's) ausgelöst werden. Für ein anorganisches Biomaterial wurde das noch nicht beobachtet.

Claims

Verwendung eines Granulats auf Basis von Calciumphosphat, bei dem kristallines Calciumphosphat in einer Siliziumdioxid-Xerogelmatrix eingebettet ist, wobei die Kristallite eine Größe von etwa 10 nm bis etwa 2000 nm und die Granulatkörner eine Größe von etwa 1 μm bis etwa 1000 μm aufweisen und der Siliziumdioxid-Anteil im Bereich von etwa 2 bis etwa 80 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von etwa 4 bis etwa 50 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse der Granulatkörner) liegt, zur Osteoinduktion.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren im Xerogel einen durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 0,5 nm bis 20 nm aufweisen.
Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren in den Granulatkörnern jeweils etwa 10 Vol.-% bis etwa 60 Vol.-% bezogen auf das Volumen des Granulatkorns ausmachen.
Verwendung eines Formkörpers auf Basis von Calciumphosphat, bei dem kristallines Calciumphosphat in einer Siliziumdioxid-Xerogelmatrix eingebettet ist, wobei die Kristallite eine Größe von 10 nm bis etwa 2000 nm haben und der Siliziumdioxid-Anteil im Bereich von etwa 4 bis etwa 50 Gew.%, bezogen auf die Gesamtmasse des Formkörpers, liegt und der Formkörper interkonnektierende Makroporen im Bereich von 100 μm bis 3000 μm besitzt, zur Osteoinduktion.
Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren im Xerogel einen durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 0,5 nm bis 20 nm aufweisen.
Verwendung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren in dem die Makroporen umschließenden Material jeweils etwa 10 Vol.-% bis etwa 60 Vol.-% bezogen auf das Volumen des die Makroporen umschließenden Materials ausmachen.
Verwendung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Calciumphosphat Hydroxylapatit ist.
Verwendung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat oder der Formkörper ferner lösliches Calciumphosphat umfasst.
Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das lösliche Calciumphosphat in einem Anteil von etwa 5 Gew.-% bis 50 Gew.-% bezogen auf den Calciumphosphatanteil vorliegt.
Verwendung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das lösliche Calciumphosphat Brushit ist.
Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Brushit ein Brushit mit Fehlstellen ist, so dass das Verhältnis von Calcium zu Phosphor etwa 1,67 beträgt.
Verwendung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat oder der Formkörper ferner ein oder mehrere Netzwerkwandleroxide umfasst.
Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das (die) Netzwerkwandleroxid(e) in einem Anteil von etwa 0,5 bis etwa 35 Mol.-%, vorzugsweise in einem Anteil von etwa 17 bis etwa 30 Mol.-%, bezogen auf das Siliziumdioxid vorliegt (vorliegen).
Verwendung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzwerkwandleroxid Na₂O ist.