DE102012002268A1

DE102012002268A1 - Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Beschichtung auf keramischen Implantaten

Info

Publication number: DE102012002268A1
Application number: DE201210002268
Authority: DE
Inventors: Milija Mitrovic
Original assignee: ZM PRAEZ SDENTALTECHNIK GmbH; ZM Praezisionsdentaltechnik GmbH
Current assignee: DOT GmbH
Priority date: 2011-03-21
Filing date: 2012-02-02
Publication date: 2012-09-27
Also published as: WO2012126448A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Beschichtung auf zumindest einem Teil der Oberfläche eines keramischen Implantates, insbesondere eines in einem Knochen zu platzierenden Implantates, wird zunächst eine abrasive Bearbeitung durchgeführt, anschließend wird eine dünne Schicht eines silikatischen Glases aufgetragen, die in einem keramischen Brand verfestigt wird, und die so erzeugte Schicht wird abschließend abrasiv und/oder subtraktiv bearbeitet. Dabei wird ein silikatisches Keramiklot verwendet, das feindisperses Leuzit (K[AlSi2O6]) enthalten kann. Die abrasive Bearbeitung erfolgt mittels Sandstrahlen, Säureätzen oder durch eine Kombination von beiden. Die so erzeugte Schicht kann beispielsweise mittels einer Plasma-Spraytechnik ferner mit einer dünnen Schicht aus Titan funktionalisiert werden, die wiederum abschließend mit einer Calciumphosphat-Phase versehen werden kann. Bei den Implantaten kann es sich beispielsweise um Komponenten für den künstlichen Gelenkersatz oder um ein Wirbelsäulenimplantat handeln.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Beschichtung auf zumindest einem Teil der Oberfläche eines keramischen Implantates, beispielsweise als künstlichem Gelenkersatz, insbesondere eines in einem Knochen zu platzierenden Implantates, bei dem die Implantatoberfläche abrasiv bearbeitet wird.
Der künstliche Gelenksersatz ist heute eine zuverlässige Operation mit guten Standzeiten bei einer Verwendung von Implantaten auf metallischer Basis. Auf der anderen Seite weisen keramische Biomaterialien als Implantatwerkstoffe deutliche Vorteile hinsichtlich ihrer Bioverträglichkeit und ihres Abriebverhaltens auf. Jedoch ist ein bisher nicht zufriedenstellend gelöstes Problem bei Implantaten auf Keramikbasis, die direkt in einem Knochenlager verankert werden sollen, unter anderem auch solchen für den künstlichen Knie- oder Hüftgelenkersatz, die Lockerung von zementfrei eingesetzten Implantaten auf Grund einer mangelnden knöchernen Integration der glatten, maschinierten Keramikoberfläche im Vergleich beispielsweise zu einer rauh gestrahlten Titanoberfläche.
Für die Implantatverankerung und die Implantatverträglichkeit an der Grenzfläche Implantat/angrenzendes Gewebe hat die Implantatoberfläche eine große Bedeutung. Der Erfolg und die Geschwindigkeit der Osseointegration werden maßgeblich durch die Oberfläche des Implantates beeinflusst. Bei zementfreien Implantaten kann es aufgrund einer unzureichenden Makro- und Mikrostrukturierung der Oberfläche zu einer reduzierten Anhaftung, Ausbreitung und Proliferation von Osteoblasten kommen. Die Bildung einer Bindegewebsschicht zwischen dem Implantat und dem Knochen verhindert die Integration des Knochens an der Implantatoberfläche und führt damit zu einer verminderten Sekundärstabilität und in der Folge zu einem frühzeitigen Versagen des Implantats. Mithilfe einer idealen Implantatoberfläche können andererseits die biologischen Reaktionen zwischen Implantat und Knochen optimiert und damit eine frühzeitigere funktionelle Belastung der Implantate erreicht werden. Daher ist sowohl bei zementfreien als auch bei zementierten Implantaten eine strukturierte Oberfläche für einen dauerhaften Verbund zwischen dem Implantat und der Knochenoberfläche von essentieller Bedeutung.
Bei zementfrei eingesetzten Implantaten, wie dem künstlichen Gelenkersatz von Hüft-, Knie-, Schulter-, Sprung- und Fingergelenken, oder auch bei Implantaten für die Wirbelsäule, finden Oxidkeramiken zunehmend Verwendung. Hierbei ist eine Aufrauhung der Oberfläche dieser keramischen Implantate anzustreben. Dies ist jedoch bis heute technisch nicht hinreichend gelöst, vielmehr kann es bei den gängigen Oberflächenbearbeitungsprozessen zu einer Bildung von Rissen im Material und somit zu einer Verminderung der Bruchfestigkeit der Keramik kommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Beschichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass eine dauerhafte Verbindung zwischen der Oberfläche eines keramischen Implantates und dem umgebenden Gewebe bzw. dem Knochenzement entsteht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass bei einem derartigen Verfahren zunächst eine abrasive Bearbeitung der Keramikoberfläche erfolgt, anschließend eine dünne Schicht eines silikatischen Glases aufgetragen wird, die in einem keramischen Brand verfestigt wird, und dass die so erzeugte Schicht abschließend abrasiv bearbeitet und funktionalisiert wird. Auf diese Weise wird nicht nur eine optimale Funktionalisierung desjenigen Teiles der Implantatoberfläche, die sich nach erfolgter Implantation mit dem umgebenden Gewebe verbinden soll, erreicht, sondern es wird durch die Beschichtung mit einer Glasmatrix zugleich die Strukturgebung der Oberfläche wesentlich erleichtert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird auf der knochenseitigen Oberfläche des Implantats oder zumindest auf Teilbereiche derselben eine dünne Schicht eines Keramiklotes aufgetragen und diese wird anschließend einem keramischen Brand unterzogen, wodurch eine glaskeramische Schicht erzeugt wird. Diese durch den keramischen Brand erzeugte glaskeramische Schicht ist durch Diffusion mit dem Substrat stoffschlüssig verankert und bildet somit einen festen Verbund mit dem Implantat. Anschließend kann die Schicht durch Sandstrahlen, Säureätzen oder durch eine Kombination von beiden abrasiv bzw. subtraktiv bearbeitet und damit aufgerauht werden. Dadurch vergrößert sich bei direkter Einbringung die Kontaktfläche zum Knochen oder es resultiert daraus eine Oberflächenvergrößerung der Keramik, welche dann eine stabile und haftfeste Aufbringung einer osteokonduktiv oder bioaktiv wirksamen Funktionsschicht, beispielsweise von Titanpulver mittels Plasma-Spraytechnik und/oder von Calciumphosphat, ermöglicht.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein silikatisches Keramiklot verwendet, durch das eine dünne glasige Schicht erzeugt werden kann, die nach dem Keramikbrand zu einer diffusionsverankerten glaskeramischen Schicht auf der so beschichteten Oberfläche des Implantates führt und die anschließend beispielsweise mit einem handelsüblichen Flußsäurepräparat strukturgeätzt werden kann. Besonders vorteilhaft im Hinblick auf das Erzielen einer optimalen Osseointegration bei einem zementfreien Implantat ist es dabei, wenn es sich bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Schicht um eine leuzitverstärkte Glaskeramik handelt, was in vorteilhafter Weise dadurch erreicht wird, dass dem verwendeten Lot feindisperses Leuzit (K[AlSi2O6)) zugesetzt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung besteht ferner das zu konditionierende Implantat aus einer Oxidkeramik.
Durch die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehene Optimierung der Implantatoberfläche wird die Implantatverankerung an der Grenzfläche Implantat/angrenzendes Gewebe nachhaltig verbessert und dadurch die Geschwindigkeit der Osseointegration maßgeblich erhöht. Um diese Osseointegration noch weiter zu beschleunigen, ist in vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ferner vorgesehen, neben der Oberflächentopografie die Oberfläche des Implantates zusätzlich auch durch eine chemische Modifizierung mittels einer Beschichtung beispielsweise mittels Titan-Plasma-Sprayen (TPS) zu optimieren, durch die sich eine stabile Titanschicht auf der zuvor strukturierten keramischen Oberfläche bildet. Schließlich ist bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung vorgesehen, die chemische Zusammensetzung der Implantatoberfläche weiterhin durch eine abschließende Beschichtung mit Calciumphosphat zu optimieren, wobei diese Phase bereits kurze Zeit nach der erfolgten Implantation durch sich neu bildendes Knochengewebe ersetzt wird.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine femorale Komponente eines künstlichen Kniegelenks als Beispiel für ein zementfrei einsetzbares Implantat in perspektivischer Darstellung,
2 eine schematische Darstellung der am Oberschenkelknochen fixierten femoralen Knieendoprothesen-Komponente
3 bis 7 schematische Darstellungen eines vertikalen Schnitts durch die Oberfläche eines Implantats gemäß 1 in verschiedenen Phasen der Oberflächenkonditionierung.
Die Darstellung gemäß 1 zeigt ein femorales Kniegelenkimplantat 1 in perspektivischer Darstellung, das im Fall des hier dargestellten Ausführugsbeispiels aus einer Oxidkeramik besteht.
Zur besseren Integration des zementfreien Implantates in das Knochengewebe des Oberschenkelknochens 3 bzw. zur Erzielung einer höheren Knochenzementhaftung am Implantat wird gemäß dem in den 3 bis 7 gezeigten Verfahren die knochenseitige Oberfläche 2 des Implantates zunächst durch Sandstahlen leicht aufgerauht, so dass die in 4 dargestellte Struktur mit einer Oberfläche 4 entsteht. Anschließend wird gemäß 5 auf die Oberfläche 4 eine sehr dünne Schicht 5 eines silikatischen Glases aufgetragen, im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels geschieht dies durch Sprühen. Diese Schicht 5 wird durch einen keramischen Brand zu einer Diffusionsschicht umgewandelt, die in das Implantat 1 hineindiffundiert, wie dies durch die gepunktet dargestellte Linie 4' in 5 angedeutet ist. Durch ein abtragendes Verfahren, im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels einer Kombination aus Sandstrahlen und Säureätzen, erhält diese Schicht 5 eine Oberflächenstruktur 6, wie sie in 6 dargestellt ist.
Anschließend kann das Implantat 1 mit einem geeigneten Knochenzement, üblicherweise auf der Basis von Polymethylmetacrylat (PMMA), in den Knochen 3 eingesetzt werden. Bei zementierten Implantaten verbessert die Struktur 6 signifikant die Haftung des Knochenzementes am Implantat 1. Um die Rauheit der Oberfläche 6 der Schicht 5 noch zu erhöhen und damit die Festigkeit der Verbindung von Implantat und Knochen bzw. Implantat und Knochenzement weiter zu steigern, kann in das Lot zusätzlich feindispers verteiltes Leuzit (K[AlSi2O6]) mit eingebracht werden.
Ist eine zementfreie Implantation vorgesehen, so wird in einem weiteren, in 7 dargestellten Schritt, die erzeugte Oberflächenstruktur 6 beispielsweise mittels einer Plasma-Spraytechnik mit einer dünnen Schicht 7 aus Titan versehen. Diese Schicht 7 kann abschließend noch mit einer Calciumphosphat-Phase versehen werden. Durch die Konditionierung der Implantatoberfläche mit einer Schicht auf der Basis eines silikatischen Glases kann außerdem körpereigenes Hydroxylapatit (Ca5(OH)(PO4)3) freigesetzt werden, das diesen Prozess zusätzlich begünstigt.
Auch in diesem Fall wird das Implantat 1 in den betreffenden Knochen, im hier beschriebenen Fall in den Knochen 3, eingesetzt. Die strukturierte Schicht 7 fördert die Besiedelung mit Knochenzellen und in der Folge das Einwachsen des Implantates 1 in das umgebende Knochengewebe, wobei die aufgebrachte Calciumphosphat-Phase innerhalb kurzer Zeit durch sich neu bildendes knocheneigenes Gewebe ersetzt wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Beschichtung auf zumindest einem Teil der Oberfläche eines keramischen Implantates, beispielsweise als künstlichem Gelenkersatz, insbesondere eines in einem Knochen zu platzierenden Implantates, bei dem die Implantatoberfläche abrasiv bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine abrasive Bearbeitung erfolgt, anschließend eine dünne Schicht (5) eines silikatischen Glases aufgetragen wird, die in einem keramischen Brand verfestigt wird, und dass die so erzeugte Schicht abschließend abrasiv bearbeitet und funktionalisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche (6) der Schicht (5) eine Schicht (7) aus Titan aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (7) mittels einer Plasma-Spraytechnik aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (7) mittels einer chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Schicht (7) eine Calciumphosphatschicht aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein silikatisches Keramiklot verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot feindisperses Leuzit (K[AlSi2O6]) enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die abrasive Bearbeitung mittels Sandstrahlen, Säureätzen oder durch eine Kombination von beiden erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teilbereiche des Implantats mit einer Glasmatrix beschichtet und durch ein abtragendes Verfahren strukturiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Implantat aus einer Oxidkeramik besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Oberfläche für die Anwendung bei zementfreien keramischen Implantaten eine Rauheit von Rz ≥ 20 μm aufweist und die Beschichtung fest mit dem Grundmaterial verbunden ist
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Oberfläche für die Anwendung bei zementierten keramischen Implantaten eine Rauheit von Rz ≥ 20 μm aufweist und die Beschichtung fest mit dem Grundmaterial verbunden ist.