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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallkörpers, insbesondere
zur Verwendung als Knochenimplantat, insbesondere als Dentalimplantat.
Sie betrifft weiterhin einen nach dem Verfahren erhältlichen
Metallkörper
sowie ein Knochenimplantat.
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Dentalimplantate
sind in vielfältigen
Formen bekannt. Sie werden meist durch Einschrauben an Stelle eines
extrahierten oder ausgefallen Zahnes in den Kieferknochen eingesetzt,
um dort nach einer Einheilphase von drei bis vier Monaten ein als
Zahnersatz dienendes prothetisches Aufbauteil oder eine Krone zu
halten. Dazu ist ein derartiges Zahnimplantat üblicherweise als geeignet geformter
Metallkörper ausgebildet
und in der Art eines Stiftes geformt und weist am apikalen Ende
ein zumeist selbstschneidendes Schraubengewinde auf, mit welchem
der Stift in das entsprechend präparierte
Implantatbett eingesetzt wird.
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In
der Regel werden Dentalimplantate aus Titan, Zirkon, Niob oder Tantal
oder aus gewebeverträglichen
Legierungen, die eines dieser Elemente als Hauptbestandteil enthalten,
hergestellt. Bei allen diesen Implantaten besteht das Ziel, dass
die Knochensubstanz die Möglichkeit
erhält,
sich rasch und dauerhaft mit der Implantatoberfläche zu verbinden. Man spricht
dabei auch von der so genannten Osseointegration. In diesem Zusammenhang
ist bereits seit einiger Zeit bekannt, dass der mikroskopischen Struktur
der Implantatoberflächen
eine besondere Bedeutung zukommt. Insbesondere haben sich bislang
poröse
Oberflächen
mit einer Porengröße im Mikrometerbereich
als vorteilhaft erwiesen. Durch die vergrößerte Kontaktfläche zwischen
Implantat und Knochen wird das Knochenwachstum gefördert und damit
die Knochenanlagerungsrate nach dem postoperativen Trauma gesteigert.
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Aus
der
EP 1 159 935 A1 sind überdies
Implantate mit einer so genannten „Poren-innerhalb-Poren"-Struktur bekannt,
bei denen zunächst
durch Strahlenbehandlung vergleichsweise grobporige Oberflächenstrukturen
erzeugt werden, in die anschließend
feine Poren hineingeätzt
werden, so dass sich Rauhigkeiten auf verschiedenen Längenskalen überlagern.
Aus der
DE 20
2005 002 450 U1 sind weiterhin Dentalimplantate mit einer
homogenen nanostrukturierten Oberfläche bekannt. Derartige nanostrukturierte
Oberflächen
scheinen aufgrund eines besonders günstigen Benetzungsverhaltens
das Einwachsen der Implantate und die Integration in die Knochensubstanz
zu fördern.
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Bislang
gebräuchliche
Methoden zur Oberflächenstrukturierung
von Metallkörpern,
insbesondere zur Verwendung als Dentalimplantate, umfassen das Sandstrahlen,
das Ätzen,
das elektrolytische Ätzen,
die Laserbehandlung, die Funkenerosion, das Plasmaspritzen oder
auch die Hochtemperaturelektrolyse. Sie sind entweder mit einem
hohen Aufwand verbunden oder hinterlassen unerwünschte Verunreinigungen auf
der Oberfläche.
Weiterhin ist es mit Ausnahme der Lasertechnologie nach dem derzeitigen
Wissensstand mit keinem der Verfahren mit vertretbarem Aufwand möglich den
gesamten topographischen Bereich von 10 nm bis 500 μm auf eine Oberfläche zu übertragen.
Das heißt,
dass um Poren in Poren (siehe
EP 1 159 935 A1 ) oder eine feine Struktur
(z. B. Nanostruktur d. h. Strukturgröße kleiner 100 nm) einer gröberen Mikrostruktur
(Strukturgröße ca. 1 μm bis 5 μm) zu überlagern
ist es notwendig verschiedene Verfahren anzuwenden. Bei der vorliegenden
Erfindung ist man in der Lage zuerst eine grobe Mikrostruktur (Strukturgröße größer 20 μm) zu erzeugen,
diese mit einer feineren Mikrostruktur (Strukturgröße ca. 0,5 μm bis 20 μm) zu überlagern
und beiden Strukturen noch eine Nanostruktur (Strukturgröße 10 nm
bis 500 nm oder 10 nm bis 250 nm, vorzugsweise 10 nm bis 100 nm)
zu überlagern. Insbesondere
Nanostrukturen mit definierten geometrischen Parametern bzw. Oberflächentopographien auf
Nanometerskala mit spezifischen (bio-)physikalischen oder chemischen
Eigenschaften, die in der oralen Implantologie bei vertretbarem
Herstellungsaufwand einen gesteigerten klinischen Nutzen gegenüber den
herkömmlichen
mikrostrukturierten Implantatoberflächen bieten, sind mit den bislang
bekannten Methoden, wenn überhaupt,
nur schwer zu fertigen. Zudem sind die bekannten Verfahren der Oberflächenstrukturierung
häufig
störanfällig gegenüber unvermeidbaren
Störungen
und Parameterschwankungen in der Prozessführung und führen somit häufig zu
Artefakten und Produktionsausschuss.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung
eines Metallkörpers
anzugeben, mit dem auf besonders günstige und zuverlässige Weise
eine Oberflächenvergrößerung erhältlich ist,
bei welchem mittels der Prozessparameter (Ätzmedium/Elektrolyt, Spannungsverlauf,
Stromdichte, Temperatur, Anwendungsdauer etc.) die Oberflächenbeschaffenheit
bezüglich
der mikroskopischen Rauhigkeiten und oder nanoskopische Poren/Strukturen
gezielt erzeugt werden können,
die besonders günstige
Mikroretentionseigenschaften und oder besonders günstige Benetzungseigenschaften
gewährleisten.
Weiterhin soll ein Metallkörper
mit in dem genannten Sinne besonders vorteilhaften Oberflächeneigenschaften
angegeben werden, der insbesondere zum einwachsen in den Knochen
zur Verwendung als Dentalimplantat und oder als orthopädisches
Implantat (z. B. Hüftgelenksimplantat)
besonders geeignet ist.
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Bezüglich des
Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem ein Metall-Grundkörper in
einem Elektrolysebad pulsierend mit einem Strom beaufschlagt wird,
wobei das Elektrolysebad mit Ionen versetzt ist, die jeweils aus
einem Element aus einer der V. bis VII. Hauptgruppe des Periodensystems
der Elemente bestehen oder ein derartiges Element als Bestandteil
umfassen.
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Wie
sich völlig überraschend
und unerwarteterweise herausgestellt hat, führt gerade dieses Verfahren
zur Ausbildung von Oberflächenstrukturen, die
besonders günstige
Benetzungseigenschaften gewährleisten
und bei einer Verwendung des Metallkörpers als Dentalimplantat die
Osseointegration, das heißt
die Knochenanlagerung an der Implantatoberfläche, besonders gut stimulieren.
Durch die Behandlung des Metall-Grundkörpers in der Art eines elektrolytischen Ätzens mit
ei nem pulsierenden Elektrolysestrom bildet sich nämlich eine
spezifische Nanostruktur auf der Oberfläche aus. Dabei sind eine Vielzahl
vergleichsweise kleinerer Poren oder Vertiefungen mit einer mittleren
Ausdehnung im Sub-Mikrometerbereich, vorzugsweise kleiner als 200
nm, anzutreffen. Derartige Strukturen können beispielsweise anhand
elektronenmikroskopischer Aufnahmen nachgewiesen werden.
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Es
wird davon ausgegangen, dass die Beaufschlagung des Metall-Grundkörpers mit
einem pulsierenden, also sich in einem vergleichsweise kurzen Zeitraum
vergleichsweise stark änderndem Strom
die bei einem Metallkörper
eigentlich immer vorhandene oxidische Oberflächenschicht lokal und statistisch
verteilt kurzzeitig aufbricht, so dass das Ätzmaterial an einzelnen Stellen
vorübergehend
in direktem Kontakt mit dem eigentlichen Metall treten kann. Über die
im Elektrolysebad bereitgestellten Reaktionspartner, die derart
gewählt
sind, dass sie mit dem jeweiligen Metall-Material geeignete chemische Verbindungen
eingehen, werden die herausgeätzten Metallionen
gebunden und anschließend
z. B. ausgefällt
oder im Elektrolyten in Lösung
gebracht und somit dauerhaft vom Metall-Grundkörper entfernt. Es wird vermutet,
dass sich anschließend
die aufgebrochene oxidische Oberflächenschicht des Metall-Grundkörpers wieder
regeneriert, so dass der Ätzprozess
wieder zum Erliegen kommt und somit lokale Krater mit nanoskopischen
Dimensionen verbleiben. Beim nächsten
Strompuls scheint dieser Prozess erneut einzusetzen, wobei dann
wiederum statistisch verteilt an anderen Stellen des Metall-Grundkörpers die
oxidische Oberflächenschicht lokal
und vorübergehend
zerstört
wird.
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Die
vorgesehenen Reaktionspartner für
das Metall des Grundkörpers,
also die Ionen mit Bestandteilen aus der V. bis VII. Hauptgruppe
des Periodensystems der Elemente, können dabei insbesondere als
Salzbildner für
das jeweilige Metall wirken. Insbesondere kann das Elektrolysebad
Ionen umfassen, die aus den Elementen Stickstoff (N), Sauerstoff
(O), Fluor (F), Chlor (Cl), Schwefel (S) und/oder Phosphor (P) bestehen
oder diese als Bestandteile umfassen.
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Gerade
die bei diesem Prozess entstehenden Nanostrukturen scheinen im Allgemeinen
das Benetzungsverhalten des Metallkörpers oder bei Verwendung als
Dentalimplantat auch die Proteinanlagerung sowie die Collagen- und
Zellbindung zu fördern.
Dabei spielen insbesondere auch chemische Eigenschaften der Oberfläche im Mikrometerbereich und
im Nanometerbereich eine wesentliche Rolle (z. B. hydrophil oder
hydrophob, dotiert oder rein, etc.). Im vorliegenden Fall scheint
ein für
die orale Implantologie besonders wichtiger Vorteil der nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten bzw. präparierten
Metall- oder Implantatoberflächen
insbesondere darin zu bestehen, dass diese einen ausgesprochen hydrophilen
Charakter aufweisen, der beispielsweise auch nach längerem Kontakt
des Metallkörpers
mit der Erdatmosphäre
nicht verloren geht. Als Maß für den hydrophilen
Charakter dient insbesondere der Kontaktwinkel, den ein die Oberfläche benetzender
Flüssigkeitstropfen
mit der Oberfläche bildet.
Wie sich gezeigt hat, führen
die nach dem neuen Verfahren behandelten Metalloberflächen insbesondere
bei Wasser zu einer ausgesprochen guten Benetzbarkeit mit Kontaktwinkeln
von weniger als 10°.
Das heißt,
auf der Oberfläche
befindliche Flüssigkeitstropfen
besitzen die Gestalt einer sehr flachen Kugelkappe. Der hierdurch
zum Ausdruck kommende hydrophile Charakter der hergestellten Metallkörper bleibt
zudem dauerhaft auch über
einen Zeitraum von mehr als einigen Tagen erhalten.
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Zweckmäßigerweise
besteht der Metall-Grundkörper
aus Titan oder aus einer titanhaltigen Legierung, insbesondere versetzt
mit Chrom. Titan weist neben einer hohen Festigkeit eine hohe Korrosionsbeständigkeit
und eine sehr gute Biokompatibilität auf. Daneben kommen aber
prinzipiell auch noch andere Metalle oder Edelmetalle als Implantatwerkstoffe
oder als Bestandteile davon in Betracht, z. B. Zirkon, Niob oder
Vanadium. Vorteilhafterweise wird als Elektrolyt zur Bereitstellung
der Salzbildner-Ionen Ionen mit Elementen aus der V-ten, VI-ten und/oder
der VII-ten Hauptgruppe des Periodensystems, insbesondere eine Sulfationen
(SO4 2–) und/oder Nitrationen
(NO3 –) und/oder Nitritionen (NO2 –) und/oder Fluorio nen
(F–)
und/oder Chloridionen (Cl–) und/oder Ionen der
schwefligen Säure (SO3 2–) und/oder Sulfidionen
(S–)
und/oder Phosphationen (Po4 3–),
wobei diese Materialien gerade bei einem Metallkörper aus Titan besonders gut
zur Bindung herausgeätzter
Titan-Ionen geeignet sind. Weitere geeignete Salzbildner-Ionen können beispielsweise
Chloridionen (Cl–) oder Phosphationen
(PO4 3–) sein.
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Vorteilhafterweise
wird als Elektrolyt eine der Säuren
Schwefelsäure
(H2SO4), Salpetersäure (HNO3), Salzsäure
(HCl), salpetrige Säure
(HNO2), Phosphorsäure (H3Po4), schweflige Säure (H2SO3), Floursäure (HF), ein Gemisch aus mindestens
zweien der genannten Säuren,
oder eine wässrige
Lösung
mit Salzen der genannten Säuren
oder ein Gemisch aus den Genannten verwendet. In einer alternativen
Variante kann als Elektrolyt aber auch eine wässrige Natriumsulfatlösung oder
eine Ammoniumsulfatlösung
oder eine Natriumnitritlösung
oder eine Ammoniumnitritlösung
vorgesehen sein. In diesem Fall wird vorzugsweise eine Konzentration
von ungefähr
5 g Natriumsulfat (Na2SO4)
oder Ammoniumsulfat ((NH4)2SO4) oder Natriumnitrit (NaNO2)
oder Ammoniumnitrit (NH4NO2)
je 30 ml Wasser (H2O) eingestellt. Es können aber
auch andere Elektrolytlösungen
zum Einsatz kommen, bei denen z. B. Sulfate, Sulfide, Nitrate, Nitride,
Chloride, Fluoride oder Phosphate in einer wässrigen oder nicht wässrigen
Flüssigkeit
gelöst
sind. Die Elektrolyttemperatur bei der Durchführung des Verfahrens sollte
oberhalb von etwa 0°C
und unterhalb der Siedetemperatur des Elektrolyts gewählt werden
und beträgt
vorteilhafterweise 40°C
bis 120°C,
insbesondere etwa 50°C.
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Eine
weitere Möglichkeit
ist Salze oder ein Gemisch aus mehreren Salzen zu schmelzen und
als Ätzmedium/Elektrolyt
zu verwenden. Hierbei bestehen die Möglichkeiten der Schmelze von
Hxdratgebundenen Salzen (z. B. Calcium) welche sich in ihrem eigenen
Kristallwasser lösen
oder geschmolzene, wasserfreie Salze. Eine Variante ist die Schmelzen
von Calciumchlorid Hexahydrat bei Temperaturen größer 30,2°C. Ein weiteres
Beispiel ist die Beaufschlagung einer Hochtemperaturelektrolyse
mit einem Wechselstrom mit oder ohne Gleichstromanteil.
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Vorteilhafterweise
ist der zeitlich pulsierende bzw. zeitlich veränderliche Elektrolysestrom
ein Wechselstrom, ändert
also periodisch seine Richtung. Dem Wechselstrom ist dabei vorzugsweise
ein Gleichstromanteil derart überlagert,
dass der Metall-Grundkörper
ausschließlich
als Anode und nicht als Kathode wirksam ist. Besonders vorteilhaft
im Hinblick auf die angestrebten Oberflächenstrukturen und deren mikrobiologische,
chemische und physikalische Eigenschaften ist ein Rechteck-Wechselstrom, vorzugsweise
mit entsprechendem Gleichstromanteil.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn an die Elektroden des Elektrolysebades
eine Wechselspannung mit einer Frequenz von vorzugsweise 1 Hz, insbesondere
größer 1 Hz,
angelegt wird, deren Amplitude in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen
schrittweise, vorzugsweise in Schritten von ungefähr 5 V oder
weniger, von ungefähr
5 V bis auf ungefähr
30 V gesteigert wird. Die wechselspannungsbedingte Reduzierung der
Spannung, eine vergleichsweise langsame Steigerung der Spannung
bezüglich
der Schrittweite und eine längere
Verweildauer auf dem jeweiligen Spannungsniveau verhindern dabei
einen unkontrollierten Materialabtrag von der Implantatoberfläche. Wie
sich herausgestellt hat, stellt eine Intervalllänge von ca. 5 Minuten einen
besonders günstigen
Kompromiss dar hinsichtlich einer zuverlässigen und zielgerichteten
Verfahrensführung
einerseits und einer unter ökonomischen
Gesichtspunkten vertretbaren, nicht zu langen Gesamtbehandlungsdauer
andererseits.
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Andererseits
hat sich überraschenderweise aber
auch herausgestellt, dass sich besonders günstige Behandlungsergebnisse
erreichen lassen, indem vorteilhafterweise in den Phasen der Spannungsänderung,
also den so genannten Transientenphasen, eine besonders hohe Änderungsgeschwindigkeit
der Spannung von mindestens 1 V/s, vorzugsweise größer als
10 V/s, insbesondere größer als
1000 V/s, gewählt
wird. Die besten Ergebnisse wurden mit den Spannungsänderungsgeschwindigkeiten
eines Rechtecksignals erreicht. Damit lassen sich vergleichsweise
intensive, pulsartige Spannungsänderungen
in positiver und negati ver Richtung erreichen, die offenbar die
gewünschte
nanoskopische Ausformung von Oberflächenstrukturen besonders begünstigen.
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In
besonders vorteilhafter Ausgestaltung wird mit dem Verfahren ein
Knochenimplantat für
medizinische Zwecke, insbesondere zum Einsatz oder zur Inseration
im menschlichen Körper,
vorzugsweise ein Dentalimplantat oder Hüftimplantat, hergestellt. Dazu
wird vorzugsweise als Metall-Grundkörper ein mit einer mikrostrukturierten,
vorzugsweise elektrisch oder elektrochemisch hergestellten Oberfläche versehener
Implantat-Grundkörper
verwendet. Die Implantatoberfläche
des solchermaßen
hergestellten Dentalimplantats weist einerseits eine Vielzahl von
zwar unregelmäßig angeordneten,
aber statistisch gesehen annähernd
homogen verteilten Mikroporen oder „Kratern" mit einer mittleren Ausdehnung von
ca. 0,5 μm
bis 100 μm,
vorzugsweise 0,5 μm
bis 20 μm
auf, wobei andererseits innerhalb dieser Mikroporen jeweils die
durch das gepulste Ätzen erzeugten
Nanoporen angeordnet sind. Derartig ausgestaltete Dentalimplantante
unterstützen
und beschleunigen durch Anregung der Aktivität der knochenbildenden Zellen,
der Osteoblasten, den nach der Implantation stattfindenden Heilungsprozess nachdrücklich.
Dabei ist das Herstellungsverfahren für das Implantat auch im industriellen
Maßstab
vergleichsweise einfach und kostengünstig durchzuführen und
zu kontrollieren. Die Prozessparameter werden dabei vorzugsweise
derart gewählt,
dass sich auf der Oberfläche
des Implantat-Grundkörpers
eine der Mikrostruktur überlagerte
Nanostruktur der oben beschriebenen Art ausbildet.
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Zu
Beginn des auf die Erzeugung der Nanostruktur ausgerichteten elektrolytischen Ätzens sollte der
Implantat-Grundkörper
vorzugsweise bereits mit einer mikroskopischen Oberflächenstruktur
versehen und/oder chemisch aktiviert sein. Dieser Vorbehandlung
kommt im Hinblick auf die erzielbaren Endresultate eine wichtige
Rolle zu. Zwei der folgenden sechs Vorbehandlungsmethoden haben
sich als besonders wirkungsvoll erwiesen:
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Vorbehandlungsmethoden:
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- 1. In einer ersten vorteilhaften Variante wird
das erfundene Verfahren selbst zur primären Strukturierung der Oberfläche eingesetzt.
Die Mikrostruktur wird auf der Oberfläche des Implantat-Grundkörpers in
einem der Nanostrukturierung vorgelagerten Verfahrensschritt dadurch
erzeugt, dass der Implantat-Grundkörper zuerst in einem Elektrolysebad
mit einem pulsierenden Strom beaufschlagt wird, wobei als Elektrolyt
eine Chloridionen (Cl–) enthaltende wässrige Lösung oder
Salzsäure
als Hauptbestandteil beinhaltet verwendet wird, und wobei der Implantat-Grundkörper anschließend in
ein Säurebad,
vorzugsweise ein Schwefelsäurebad,
eingetaucht wird. Dabei bildet sich auf dem Implantat-Grundkörper zuerst
eine aus den elektrolytischen Reaktionsprodukten bestehende Schicht,
insbesondere aus Titan-Chlor-Verbindungen. Diese wird anschließend durch
Eintauchen des Implantats in ein Säurebad, vorzugsweise ein Schwefelsäurebad,
entfernt.
- 2. In einer alternativen zweiten Variante wird die Mikrostruktur
in einem vorgelagerten Verfahren geätzt werden, vorzugsweise elektrolytisch.
Als Grundätzmedium/-elektrolyt
können
die Säuren Salzsäure, Phosphorsäure, Fluorsäure, Schwefelsäure oder
Salpetersäure
oder ein Gemisch aus mindestens zweien der Säure verwendet werden.
- 3. Eine weitere Vorbehandlungsmethode ist das ätzen oder
elektrolytische ätzen
in geschmolzenen Salzen, welche sich in Ihrem eigenen Kristallwasser
gelöst
haben, vorzugsweise geschmolzene, wasserfreie Salze. Im speziellen
kann dies als Hochtemperaturelektrolyse (HTE) ausgeführt sein.
- 4. Eine weitere Vorbehandlungsmethode ist das, chemische, elektrolytische,
insbesondere in Ausführung
als Hochtemperaturelektrolyseverfahren, Beschichten mit Titan, Zirkon,
Tantal, Niob, Chrom, Eisen oder einer Legierung mit einem der genannten
Elemente als Hauptbestandteil.
- 5. Als weitere Vorbehandlungsverfahren können das Sandstrahlen, das
Funkenerodieren, die Laserbehandlung, das Plasmaspritzen oder andere Abtragende
Oberflächenverfahren
aufgeführt werden.
- 6. Weiterhin führt
die Kombination einer oder mehrerer der genannten Vorbehandlungsmethoden
zu einer Variation der Oberflächentopographie.
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Bezüglich des
Metallkörpers
wird die genannte Aufgabe gelöst,
indem dessen Oberfläche
einen hydrophilen Benetzungswinkel von nicht mehr als 15° aufweist,
und/oder indem die nanoskopischen Poren einen mittleren Porendurchmesser
von nicht mehr als 250 nm aufweisen bzw. die nanoskopische Struktur
eine Strukturgröße von nicht
mehr als 250 nm aufweist. In besonders vorteilhafter Weise wird das
genannte Verfahren zur Herstellung eines derartigen Metallkörpers verwendet.
Wie sich nämlich
herausgestellt hat, kann als Ergebnis des elektrolytisch gepulsten Ätzens eine
vornehmlich durch Poren in der Oberfläche oder aber alternativ auch
eine vornehmlich durch Erhebungen auf der Oberfläche geprägte Struktur entstehen. Die
lateralen Dimensionierungen sollten dabei in jedem Fall im nanoskopischen
Bereich liegen, so dass die gewünschten Oberflächeneigenschaften
hinsichtlich Hydrophilie oder auch hinsichtlich des Knochenwachstums
erreicht werden. Im Falle der Ausbildung von Oberflächenerhebungen
sollten diese daher ebenfalls im Mittel laterale Ausdehnungen von
nicht mehr als etwa 250 nm aufweisen.
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Der
Metallkörper
ist dabei vorzugsweise als Knochenimplantat, besonders vorteilhaft
als Dentalimplantat, ausgestaltet, vorzugsweise aus Titan oder aus
einer titanhaltigen Legierung, vorteilhafterweise mit einer mikrostrukturierten
Oberfläche,
wobei der Mikrostruktur eine Nanostruktur überlagert ist, und wobei im
Bereich der Oberfläche
vorzugsweise Stickstoffatome und/oder Stickstoffverbindungen angelagert
oder eingeschlossen sind. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass sich
durch das gezielte Einbringen oder Aufbringen von Stickstoffatomen
in den Atom- oder
Molekülverbund
der Implantatoberfläche in
der Art einer Stickstoffdotierung ein besonders positiver Einfluss
auf die Knochenanlagerung erreichen lässt.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass mittels eines einfach und kostengünstig zu realisierenden elektrochemischen
Verfahrens ein Metallkörper,
insbesondere zur Verwendung als Dentalimplantat, mit einer Nanostruktur
und einer Nanorauhigkeit fertigbar ist, welche sich vorteilhaft
auf den Heilungsprozess nach der Verankerung des Implantats im Kieferknochen
und insbesondere auch auf die erreichbare Festigkeit der Knochen-Implantat-Verbindung
auswirkt. Durch die Dotierung von Fremdatomen, insbesondere Stickstoffatomen,
in die Implantatoberfläche
lässt sich
der Effekt noch verstärken.
Darüber
hinaus lassen sich aufgrund der Nano-Oberflächenstruktur des Metallkörpers im
Hinblick auf die damit verbundenen hydrophilen Eigenschaften und/oder
Kapillarwirkungen Flüssigkeiten
besonders einfach und wirksam in die Oberfläche einbringen. Dies könnte beispielsweise dazu
verwendet werden, Medikamente oder sonstige Wirkstoffe oder Reagenzien
an der Oberfläche
zu platzieren. Aufgrund der guten Benetzbarkeit sind aber auch andere
vorteilhafte Anwendungen denkbar, wobei beispielsweise die Aufbringung
von Lacken, Klebern oder sonstigen Oberflächenbeschichtungen auf den
Metallkörper
deutlich erleichtert ist.
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Das
durch die erhaltene Nanostruktur oder Nanorauigkeit erhaltene besonders
günstige
Hydrophilverhalten der behandelten Oberfläche lässt sich beispielhaft durch
den dabei erhaltenen charakteristischen Benetzungswinkel erkennen,
der insbesondere kleiner als 15 % ist. Das damit erhaltene Hydrophilverhalten
hält zudem
durch die Nanoporen, Nanostrukturen, die Dotierung oder Anlagerung
von Stickstoffatomen/-verbindungen auf und/oder an der Oberfläche vergleichsweise
länger
an als bei einer Metalloberfläche,
die chemisch oder elektrochemisch aktiviert wurde.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 ein
Dentalimplantat in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht,
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2 schematisch
eine Vorrichtung zur elektrolytischen Behandlung eines Dentalimplantats, und
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3 bis 37 eine
Anzahl von elektronenmikroskopischen Aufnahmen der durch die elektrolytische
Behandlung erzeugten Implantatoberflächen.
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1 zeigt
teilweise in einer Ansicht und teilweise in einem axialen Schnitt
ein zweiteiliges Dentalimplantat 1 mit einem Pfostenteil 2 und
mit einem Aufbauteil 4. Das Pfostenteil 2 und
ebenso das Kopf- oder Aufbauteil 4 bestehen aus Metall,
und zwar insbesondere aus Titan oder einer Titanlegierung. Das Pfostenteil 2 ist
als Stufenschraube ausgebildet und enthält drei Stufen 6 bis 8,
welche jeweils ein selbstschneidendes Gewinde 10 bis 12 mit
gleicher Steigerung aufweisen. Die dem apikalen Ende 14 nächstliegende
Stufe 6 besitzt den kleinsten Durchmesser. Die dem Aufbauteil 4 nächstliegende
Stufe 9 weist hingegen eine glatte zylindrische Außenfläche auf. Das
Pfostenteil 2 besitzt am koronalen Ende 15 eine Innenbohrung 16,
in welche das Kopf- oder Aufbauteil 4 eingesetzt ist, und
welche ferner ein Innengewinde 18 enthält. Mit einer hier nicht weiter
dargestellten Schraube, welche durch eine Durchgangsbohrung 20 des
Aufbauteils 4 hindurch geführt und in das Innengewinde 18 eingeschraubt
ist, erfolgt die Verbindung des Aufbauteils 4 mit dem Pfostenteil 2. Mit
dem Aufbauteil 4 kann in bekannter Weise eine Krone 22 oder
dergleichen verbunden werden.
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Das
Pfostenteil 2 wird in einem entsprechend aufbereiteten
Implantatbett des Kieferknochens verankert. Die Gewindekonstruktion
gewährleistet
dabei eine hohe Primärstabilität und eine
gleichmäßige Weiterleitung
der bei Kaubelastung auftretenden Kräfte in den Kieferknochen. Darüber hinaus
sollte der Knochen während der
sich an die Implantation anschließenden Heilungsphase möglichst
direkt an das Implantat anwachsen und sich mit ihm innig verbinden.
Dieser Prozess, die so genannte Osseointegration, wird durch eine
Anrauhung der Implantatoberfläche
deutlich verbessert. Im Prozess der Anrauhung und der Oberflächenstrukturierung
unterscheiden sich viele am Markt angebotene Implantate, wobei sich
bislang noch keine bestimmte Art der Oberflächenbearbeitung wissenschaftlich
gesehen oder kommerziell durchsetzen konnte. Es besteht im Gegenteil
das Bedürfnis,
neuartige Verfahren zu entwickeln, die zu verbesserten Oberflächeneigenschaften
führen
und dabei insbesondere die Erkenntnisse der Nanostrukturforschung
berücksichtigen,
umsetzen und weiterentwickeln.
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Im
vorliegenden Fall kommen im Wesentlichen elektrolytische Ätzverfahren
zum Einsatz, die auf einer Vorbehandlung eines Implantat-Rohlings zur
Nanostrukturierung aufbauen, so dass sich insgesamt eine mikrostrukturierte
Oberfläche
mit eingelagerten Nanoporen ausbildet. Die beiden Verfahrensschritte
werden jeweils in einer Elektrolysevorrichtung, wie in 2 schematisch
dargestellt, durchgeführt.
Der zu behandelnde Implantat-Grundkörper oder Titanrohling 24 taucht
dabei zumindest teilweise in eine in einem Behälter 26 gelagerte
Elektrolytflüssigkeit
EF ein und bildet eine Elektrode 28. Von dieser ersten
Elektrode 28 beabstandet taucht eine zweite Elektrode 30,
im Ausführungsbeispiel aus
Titan, Platin oder Gold gefertigt, in die Elektrolytflüssigkeit
EF ein. Die beiden Elektroden 28, 30 sind über elektrisch
leitende Drahtverbindungen 32 an eine regelbare Spannungsquelle,
die je nach Bedarf eine zeitlich konstante oder ein zeitlich variierende elektrische
Spannung liefert, angeschlossen. Im Ausführungsbeispiel wird der Implantat-Grundkörper 24 von
einem elektrisch isolierenden Halteelement 34 mechanisch
gehalten, wobei zur elektrischen Kontaktierung ein elektrisch leitendes
Innenelement (in 2 nicht sichtbar) durch das
Halteelement 34 hindurchgeführt ist. Infolge der in der
Elektrolytflüssigkeit
EF gelösten,
von Elektrode zu Elektrode wandernden Ionen, die als Ladungsträger für den elektrischen
Stromtransport fungieren, wird der Stromkreis geschlossen. Die Metallionen
oder Elektroden werden dabei an der Kathode durch Zugabe von Elektronen
zu reinem Metall reduziert.
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Das
Anodenmaterial wird unter Abgabe von Elektronen zu Metallionen oxidiert. Über eine
hier nicht dargestellte regelbare Heizeinrichtung lässt sich
die Temperatur der Elektrolytflüssigkeit
EF einstellen.
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I. Mikrostrukturierung
der Implantatoberfläche
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Als
Elektrolyt wird eine wässrige
Lösung
aus 30 ml Wasser (H2O) und 5 g Natriumchlorid
(NaCl) oder aus 30 ml Wasser (H2O) und 5
g Ammoniumchlorid (NH4CL) gewählt. Alternativ
können
auch andere Salze, die beim Lösen
in Wasser Chloridionen (Cl–) freisetzen, oder Salzsäure (HCL)
zur Anwendung kommen. Die Elektrolyse wird bei einer Elektrolyttemperatur
von 50°C
bis 60°C
durchgeführt,
wobei das Titanimplantat als Anode wirksam ist (so genannte anodische
Bestromung). Zwischen der Anode und der Kathode liegt ein zwischen
0 V oder geringer und einem Maximalwert pulsierendes, rechteckförmiges Spannungssignal
mit einer Frequenz von 1 Herz an. Der Maximalwert, also die Amplitude
des Rechtecksignals wird in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen von
jeweils 5 Minuten in 5-V-Schritten
von 5 V bis auf 30 V gesteigert. Durch das Pulsieren der Spannung und
die langsame Steigerung der Amplitude wird eine unkontrollierte
Reaktion vermieden, die ansonsten dazu führen könnte, dass es an einigen Bereichen des
Implantats zu einem unkontrollierten Materialabtrag kommt, während an
anderen Bereichen die Reaktion ausbleibt.
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Die
bei der Elektrolyse als Reaktionsprodukte anfallenden Titan-Chlor-Verbindungen
sind im Elektrolyten nicht löslich.
Die Reaktionsprodukte wachsen auf der Oberfläche des Dentalimplantats zum
einen nach außen
und greifen diese zum anderen unter Ausbildung von Vertiefungen
an (Ätzwirkung).
Dieser Prozess findet an der Oberfläche relativ ungleichmäßig statt.
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Anschließend werden
die Reaktionsprodukte durch Eintauchen des Implantats in ein temperiertes (z.
B. 60°C)
Schwefelsäurebad
entfernt. In diesem Fall ist eine Verweildauer von rund 30 bis 60
Minuten im Schwefelsäurebad
zweckmäßig und ausreichend. Nach
der auf diese Weise bewerkstelligten Entfernung der Schicht aus
Reaktionsprodukten weist die Oberfläche des Dentalimplantats eine
Rauhigkeit mit einer Strukturgröße im Bereich
von 20 μm
bis 100 μm auf,
der vereinzelt Strukturen mit einer Größe von weniger als 1 μm oder mehr
als 100 μm überlagert sein
können.
Durch die Variation der Zeitintervalle und der Steigerungsrate (in
Volt pro Schritt) während der
dem Schwefelsäurebad
vorangehenden Elektrolysephase kann die Rauhigkeit variiert werden.
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II. Nanostrukturierung
der Implantatoberfläche
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a) Variante 1
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Der
nach einem der oben beschriebenen Verfahren vorbehandelte und daher
bereits mikrostrukturierte Implantat-Grundkörper wird in eine wässrige Elektrolytlösung getaucht,
bei der 5 g Natriumsulfat (NaSo4) oder 5
g Ammoniumsulfat ((NH4)2SO4) in 30 ml Wasser gelöst sind, und dann bei einer
Elektroyttemperatur von 50°C
mit einem rechteckförmigen
Wechselstrom mit einer Frequenz von 1 Hz beaufschlagt. Die dadurch
im Elektrolysebad vorgehaltenen Sulfationen (SO4 2–)
dienen als Salzbildner und somit als geeignete Reaktionspartner
für das
metallische Titan. Alternativ kann beispielsweise auch eine 98-prozentige
Schwefelsäure oder
eine 60-prozentige Phosphorsäure
als Elektrolyt verwendet werden. An den Elektroden 28, 30 der Elektrolysevorrichtung,
das heißt
am Dentalimplantat 24 und an der dazu korrespondierenden
zweiten Elektrode 30, liegt eine rechteckförmige Wechselspannung
mit einer anfänglichen
Amplitude von 5 V an, welche in 5-V-Schritten langsam bis auf mindestens
10 V, vorzugsweise 60 V oder größer 60 V,
gesteigert wird. Die Verweildauer im jeweiligen Zeitintervall beträgt 5 Minuten,
so dass sich eine Gesamtbehandlungsdauer von etwa einer halben Stunde
ergibt.
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Bei
der Behandlung bildet sich auf dem Implantat eine Titanoxidschicht,
die die anfänglich
bereits vorhandenen Mikrostrukturen gleichmäßig überzieht. Daneben bildet sich
eine der Mikrostruktur aufgeprägte
oder überlagerte
Nanostruktur aus, deren Poren eine mittlere Ausdehnung von weniger
als ein Mikrometer, je nach den eingestellten Verfahrensparametern üblicherweise
10 nm bis 900 nm, besitzen. Einige Beispiele für die derart hergestellten
Oberflächenstrukturen
sind in den elektronenmikroskopischen Aufnahmen der 3 bis 37,
jeweils bei verschiedenen Vergrößerungsfaktoren,
gezeigt. Der Maßstab
ist jeweils innerhalb der Figuren angegeben. Die Oberflächen sind
stark hydrophil, was bei Kontakt mit Flüssigkeiten zu einer besonders
innigen Benetzung führt.
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b) Variante 2
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Variante
2 kann sowohl mit als auch ohne eine der sechs genannten Vorbehandlungsmethoden angewandt
werden. Als Elektrolyt ist eine Lösung von 5 g Natriumnitrit
(NaNO2) in 30 ml Wasser oder 5 g Ammoniumnitrit in 30 ml Wasser
vorgesehen. Alternativ kann auch ein eine 60-prozentige Salpetersäure verwendet
werden. Ansonsten entsprechen die Einzelheiten der Verfahrensführung und
die Parameter den oben unter II a) genannten. Hierbei kann eine Überlagerung
von drei Strukturen (siehe 23 bis 26)
entstehen. Das heißt,
einer groben Rauhigkeit von ca. 20 μm bis 60 μm ist eine feine Mikrostruktur
mit einer Rauhigkeit von ca.1 μm
bis 10 μm überlagert
und dieser noch eine Nanostruktur mit einer Strukturgröße von ca.
10 nm bis 50 nm. Darüber
hinaus können
sich auf der Oberfläche
elementarer Stickstoff oder Stickstoffverbindungen an- oder einlagern.
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3 bis 8 zeigen
drei Möglichkeiten der
ersten Vorbehandlungsmethode. Dieser Verfahrensschritt kann das
bei anderen Ätzverfahren
vorgelagerte Sandstrahlen (Vergleich mit einer am Markt befindlichen
Oberfläche 11)
bei gleicher oder ähnlicher
Oberflächentopographie
ersetzten und auf diesem Wege unerwünschte Einschlüsse des
Strahlguts (12) verhindern. Eingeschlossenes
Strahlgut hat einen negativen Einfluss auf die Knochenanlagerung
auf dem Implantat.
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7 bis 10 zeigen
die Überlagerung einer
groben Mikrostruktur (Strukturgröße 20 μm bis 80 μm) und einer
feinen Mikrostruktur (Strukturgröße kleiner
1 μm) als
Produkt der Vorbehandlungsmethode 1.
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Die 13 und 14 zeigen
die Überlagerung
einer groben Mikrostruktur aus der Vorbehandlungsmethode 1 und einer
feinen Mikrostruktur aus der Vorbehandlungsmethode 2.
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Die 15 bis 22 zeigen
die Mikrostrukturen von vier am Markt erhältlichen Implantaten. Die Oberflächen wurden
in einem letzten Verfahrensschritt geätzt oder mit Titan beschichtet.
Die jeweils nächste
Figur zeigt eine Ansicht, bei welcher eine Nanostruktur erkennbar
sein müsste.
Keines der vier am Markt erhältlichen
Implantatoberflächen
zeigt eine nennenswerte Nanostruktur, welche die Benetzungseigenschaften
beeinflussen könnte.
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Die 23 und 24 zeigen
eine Titanoberfläche,
welche nach dem Vorbehandlungsverfahren 2 geätzt wurde. In 22 ist
zu erkennen, dass keine nennenswerte Nanostruktur vorhanden ist.
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Die
Titanoberflächen
der 29 bis 37 wurden
bei der Herstellung zuerst der Vorbehandlungsmethode zwei unterzogen
um die Mikrostruktur zu erzeugen. Die Nanostrukturen wurden mit
mittels der gepulsten Elektrolyse hergestellt. Alle drei Oberflächenvarianten
zeigten noch mehrere Wochen nach Lagerung im an normaler Luft einen
Benetzungswinkel kleiner 15°.
Bedingt durch die Mikrostrukturierung „saugte" sich die Oberfläche auch Wochen nach der Herstellung
und Lagerung an normaler Luft bei Kontakt mit Wasser mit diesem
voll.
-
- 2
- Pfostenteil
- 4
- Aufbauteil
- 6,
7, 8, 9
- Stufe
- 10,
11, 12
- Gewinde
- 14
- apikales
Ende
- 15
- koronales
Ende
- 16
- Bohrung
- 18
- Innengewinde
- 20
- Durchgangsbohrung
- 22
- Krone
- 24
- Implantat-Grundkörper
- 26
- Behälter
- 28,
30
- Elektrode
- 32
- Draht
- 34
- Halteelement