DE102012021003B4

DE102012021003B4 - Perkutanes lmplantat und Verfahren zum Herstellen eines solchen lmplantates

Info

Publication number: DE102012021003B4
Application number: DE201210021003
Authority: DE
Inventors: Michael Meyer; Richard Skiera
Original assignee: Otto Bock Healthcare Products GmbH
Current assignee: Otto Bock Healthcare Products GmbH
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2032-10-27
Also published as: WO2014063816A1; DE102012021003A1

Abstract

Perkutanes Implantat (1) mit einem extrakorporalen Bereich und einem intrakorporalen Bereich (600, 700) und einem Kontaktbereich (730), in dem Hautgewebe (10) mit dem Implantat (1) in Kontakt tritt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kontaktbereich (730) die Oberfläche eine poröse Struktur mit interkonnektierenden Poren (2) aufweist und die Porengröße kleiner als 1 μm ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein perkutanes Implantat mit einem extrakorporalen Bereich und einem intrakorporalen Bereich und einem Kontaktbereich, in dem Hautgewebe mit dem Implantat und dort insbesondere mit der Oberfläche des Implantates in Kontakt tritt, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Implantates.
Implantate können sowohl mit Hartgewebe, wie zum Beispiel Knochen, als auch mit Weichgewebe, wie zum Beispiel Bindegewebe oder Hautgewebe, in Kontakt stehen. Je nach Anwendungsfall kommt es zwischen dem Implantat und dem Gewebe zu einer mehr oder weniger ausgeprägten Wechselwirkung. Medizinisch wird insbesondere eine fibröse Einkapselung als nachteilig erachtet. Die meisten Implantatoberflächen sind mit dem Ziel entworfen, eine Einkapselung zu verhindern und streben eine Integration über ein gut ausgebildetes Regenerationsgewebe an. In diesem Fall ist eine zelladhärente Integration erwünscht. Ein Beispiel hierfür sind langzeitig implantierbare, perkutane bzw. transkutane Implantate.
Perkutane Implantate, unabhängig davon, ob sie im Weichgewebe oder Knochen verankert sind, stellen eine Diskontinuität der Haut und somit der Epidermis dar. Damit ist die Barrierefunktion der Epidermis gegenüber biologischen äußeren Einflüssen, wie Bakterien, Viren, Pilzen und anderen Umwelteinflüssen wie Schweiß, Reinigungsmitteln oder Kontaminationen, z. B. Verschmutzungen oder dergleichen geschwächt bzw. aufgehoben. Über die sogenannte 3-Phasen-Linie, an welcher die extrakorporale Umgebung, das Implantat und das biologische Gewebe zusammentreffen, können Erreger in den Körper eintreten und spontan oder verzögert Fremdkörperreaktionen hervorrufen, beispielsweise oberflächliche bis tiefergehende Entzündungen oder Infektionen. Eine weitere Fremdkörperreaktion bzw. ein Phänomen der Wundheilung ist das Bestreben des Körpers bzw. der Haut, die Diskontinuität des Hautdurchtritts zu beenden und den Kontaktbereich bzw. das Implantat einzukapseln oder abzustoßen. So erfolgt bei vielen Modellen der Hautdurchleitung ein Tiefenwachstum der Epidermis, auch Marsupialisation genannt.
In wenigen Fällen erfolgt jedoch kein Tiefenwachstum, jedoch entstehen aufgrund von fibrösen Anlagerungen bindegewebsartige Manschetten am Hautdurchtritt, welche auch extrakorporal herauswachsen. Damit sind stets die Bildung eines Spaltes und damit auch Relativbewegungen zwischen dem Gewebe und der Implantatoberfläche möglich. Diese Situation kann auch tiefergehende Infektionen im Bereich des Hautdurchtrittes begünstigen.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Implantaten bekannt, die langzeitig implantiert und mit Weich- oder Hartgewebe in Kontakt stehen. In der Tumorendoprothetik werden zur Anbindung des Bindegewebes an die Prothese und zur Stabilisierung von Muskeln Textilien verwendet, die nur eine indirekte Anbindung des Gewebes ermöglichen. Ein solches Textil kann als schlauchförmig ausgebildet sein und über große Bereiche die Endoprothese abdecken. Das fixierte Muskel- und Bindegewebe kapselt das Textil ein, findet jedoch an den modifizierten Prothesenoberflächen keine feste Anbindung. Damit verbunden können Relativbewegungen zwischen dem Implantat und dem Gewebe auftreten und die Vaskularisation in der Nähe des Implantates behindern. Es entstehen Narbengewebe oder eine fibröse Einkapselung, eine normale Durchblutung in der Implantatnähe ist dann nicht mehr gewährleistet.
Auch Implantate mit einem Hautdurchtritt stehen mit Weichgewebe in Kontakt. Sie dienen der Durchleitung von mechanischen Lasten, Stoffen oder elektrischen Signalen. So werden lasttragende, ossär verankerte, perkutane Implantate zur Anbindung von Exoprothesen an den menschlichen Körper, zur Verankerung von dentalen Prothesen oder zur Fixation von Knochensegmenten an eine äußere Stützkonstruktion (Externer Fixateur zur Osteosynthese) eingesetzt. Für die Durchleitung von Stoffen oder elektrischen Signalen werden Implantate wie Katheter oder Kanülen mit unterschiedlichster Verweilzeit eingesetzt.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen zur Gestaltung von Hautdurchtritten und der Fixation bzw. Integration von Weichgewebe bekannt. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Anwendung von lasttragenden, ossär verankerten, perkutanen Implantaten für die langzeitige Implantation. Für langzeitige Implantationen sind die Anforderungen hinsichtlich der Integration in das Gewebe und an die anatomischen Strukturen mit am anspruchsvollsten.
Die DE 80 89 74 C1 beschreibt eine Prothesenbefestigungsvorrichtung mit einem Befestigungsstab, der unmittelbar in das Extremitätenskelett eingesetzt wird. Der Befestigungsstab wird in die Markhülle des Knochens eingeführt und dort befestigt, die Exoprothese ist lösbar mit dem durch die Haut tretenden Befestigungsstab verbunden. Die Gestaltung des Hautdurchtrittes ist nicht beschrieben.
Die US 4,143,426 A beschreibt die dauerhafte Anbindung künstlicher Gliedmaßen mit Hilfe eines im Röhrenknochen verankerten, lasttragenden Implantats. Es werden Gestaltungsanforderungen an den Hautdurchtritt formuliert und darauf hingewiesen, dass im Kontaktbereich des Hautdurchtritts die Gewebeadhäsion und das Einwachsen von Gewebe für die Vermeidung von Infektionen und die Aufrechterhaltung der Barrierefunktion der Haut von großer Bedeutung sind. Es wird auf die Anwendung geschäumter oder textiler Materialien hingewiesen, im Speziellen auf die Anwendung von Velourfasern.
Die WO 2005/055858 A1 beschreibt einen Hautdurchtritt eines ossär verankerten Zahnimplantates, das eine Adhäsion der Mundschleimhaut durch eine Implantatoberfläche mit Poren von einem mittleren Durchmesser von weniger als 1 μm erreichen sollt. Diese durch anodische Oxidation hergestellte poröse Oberfläche soll für die Weichgewebeanbindung vorteilhaft sein, durch die sehr geringe Porengröße wird ein Eindringen von Bakterien verhindert, zumindest nicht gefördert.
Die DE 103 53 400 A1 beschreibt eine Realisierung eines Hautdurchtrittes mit einem lasttragenden, ossär verankerten Implantat, bei dem für das Hautgewebe im Bereich des Hautdurchtritts keine Fixation vorgesehen ist, vielmehr wird die Ruhigstellung des Weichgewebes durch eine Fixation in makroskopisch porösen Strukturen von tieferliegenden Weichgewebestrukturen gewährleistet.
Die DE 103 57 579 B4 , EP 382515 A2 , US 2006/0041318 A1 und WO 02/38083 A1 beschreiben konstruktive Elemente zur Fixation von Weichgewebe. Es handelt sich hierbei um Strukturen wie Manschetten, Haken, Netze oder Vliese, die mit dem Unterhautgewebe, der sogenannten Subkutis, verwachsen, so dass es zu einer mechanischen Entlastung an der 3-Phasen-Linie kommt. Auch die alleinige Verwendung von Weichgewebeankern am bzw. unter dem Hautdurchtritt kann langfristig zu Infektionen führen.
Ein Lösungsansatz gegen die Marsupialisation ist in der DE 101 000 69 C1 beschrieben, bei dem ein Material am Hautdurchtritt von intrakorporal, extrakorporal gezogen wird, so dass sich ansiedelnde Keime und Bakterien aus dem Körper gezogen werden. Ein Anwachsen des Materials am Hautdurchtritt ist nicht vorgesehen.
In der US 2003/0171825 A1 ist das physiologische und physikalische Adhäsionsverhalten von Zellen und Bakterien hinsichtlich der Hydrophobie oder Hydrophilität beschrieben. Durch eine hydrophobe, extrakorporale Oberfläche wird das Adhäsionsverhalten erschwert, so dass die Bildung von Biofilmen reduziert werden kann. Intrakorporal sind hydrophile Oberflächen angeordnet.
Die EP 1 481 696 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Implantates mit einer bioaktiven, strontiumsubstituierten, keramischen Apatit-Beschichtung. Dazu wird das zu beschichtende Implantat in eine Lösung aus Strontium-, Calcium- und Phosphationen eingetaucht. Bei einem pH-Wert von 5 bis 8 und bei einer Temperatur von 30°C und 50°C soll eine Apatit-Beschichtung mit substituierten Strontiumionen erfolgen. Eine poröse Oberfläche wird in diesem Verfahren nicht erreicht.
Die WO 2008/074175 A1 beschreibt eine strontiumreiche Apatit-Beschichtung, die über eine anodische Oxidation realisiert wird. Hierdurch soll eine verbesserte Haftfestigkeit erreicht werden.
Die WO 03/039609 A1 beschreibt ein Verfahren zur Beschichtung von Implantaten, bei denen eine gegebenenfalls mehrere Lagen umfassende Schicht auf ein Titansubstrat aufgebracht wird, indem durch einen angelegten Gleichstrom die Oberfläche aufgeschmolzen wird. Anschließend wird eine Abschlussschicht aufgebracht, indem das Implantat in eine Lösung mit Vesikeln, mit einer Innenschicht Phospholipid und einer Außenschicht aus Calciumphosphat, eingetaucht wird, wobei wiederum unter Anlegung eines elektrischen Potenzials eine Ablagerung auf dem Implantat stattfindet. Eine poröse Oberfläche wird dadurch nicht hergestellt.
Die WO 2002/087648 A1 beschreibt eine verbesserte Zelladhäsion durch eine Beschichtung eines Implantats mit Titanoxid und/oder Siliziumoxid. Mit Hilfe der Sol-Gel Technik können Titanoxidschichten bzw. Komposite aus Titandioxid und Siliziumdioxid mit Poren zwischen 1 und 50 nm hergestellt werden. Diese Oberflächen zeigen eine erhöhte Zahl von OH-Gruppen, an denen sich zum Beispiel die Zelladhäsion fördernde Proteine ankoppeln lassen.
In der EP 0 642362 B1 ist ausgeführt, dass beim Sol-Gel Verfahren bioaktive, anorganische Substanzen zugeführt werden können, die die Zelladhäsion verbessern. In Analogie zum Hautdurchtritt am Zahn beschreibt die US 5,035,711 A die vorteilhafte Wirkung von Hydroxylapatit beim Hautdurchtritt. Zum Einsatz kamen monolithische Keramiken, aus Calciumphosphaten. Auch die US 2003/0171825 A1 beschreibt die Verwendung von Hydroxylapatiten im Kontaktbereich zum Weichgewebe, auch in Kombination mit Biopolymeren wie Laminin und Fibronektin sowie einer porösen Oberflächentopografie, die das Einwachsen des Weichgewebes ermöglichen soll. Die Porenstruktur ist geschlossen.
Auch die DE 101 58 302 A2 beschreibt die Herstellung einer Beschichtung von implantierbaren und perkutanen Metallkörpern mit Calciumphosphat mit Hilfe eines elektrochemischen Verfahrens. Dabei wird der Metallkörper mit NaOH oder Ca(OH)₂ vorbehandelt, um die Verbesserung der Haftfestigkeit zu erreichen. Das Verfahren ermöglicht jedoch keine Porenstruktur der Beschichtung.
Die AT 44 13 78 E betrifft osseointegrierte Implantate, beispielsweise Zahnimplantat mit einer Nanostruktur und einer Mikrostruktur für ein verbessertes Anwachsen der Oberflächen im Knochen. Die Porenstruktur ist geschlossen.
Die US 2007/0071788 A1 beschreibt einen perkutanen Hautdurchtritt zur Verankerung von Exoprothesen mit einer Hautanbindung am bzw. im Implantat dadurch, dass das Hautgewebe in eine offenporige Makrostruktur einwächst. Zusätzlich werden antibakteriell wirkende Substanzen wie zum Beispiel Silber verwendet, um einer Infektion entgegenzuwirken.
Die US 2010-00249784 A1 beschreibt eine biokompatible Polymer- und Keramikbeschichtung für ein perkutanes Abutment im craniofacialen Anwendungsbereich, welches am Hautdurchtritt eine Porosität aufweist und mit Wirkstoffen in einer Polymer- oder Keramikmatrix beschichtet ist. Die Porenstruktur ist geschlossen.
Die US 2010/0193363 A1 beschreibt ein Verfahren zur Gestaltung einer offenporigen Struktur im Nanobereich auf Titanoberflächen, dass durch eine basische Ätzung mit Natriumhydroxid durchgeführt wird. Ein elektrischer Anschluss ist vorgesehen, so dass der grundsätzlich bekannte Prozess beschleunigt wird. Das Verfahren beschreibt die Herstellung einer netzartigen Nanostruktur, ohne jedoch bioaktive oder antibakterielle chemische Zusätze für den Hautdurchtritt zu verwenden. Eine weitergehende bioaktive Beschichtung mit Hydroxylapatit und weiteren adhäsionsfördernden Elementen wie Magnesium ist hier nicht vorgesehen.
Die US 6,183,255 A beschreibt eine Anwendung für Dentalimplantate und orthopädische Implantate einer solchen geätzten Oberfläche.
Die DE 10 2008 054 403 A1 beschreibt eine Nanostruktur in der Größenordnung von einem 1 nm bis 1000 nm zur verbesserten Zellanbindung an Implantatoberflächen. Die Struktur ist nicht interkonnektierend.
Die AT 501 408 A1 beschreibt eine Ankopplung von Proteinen wie Laminin oder Integrin, die an spezielle, funktionalisierte Oberflächen, zum Beispiel Diamantbeschichtungen angekoppelt werden.
Die CA 2476841 A1 beschreibt metallische Implantate mit Kollagen- oder Chitosanbeschichtungen, die zur verbesserten Heilung führen und gleichzeitig eine antibakterielle Wirkung haben.
Die US 2010/0286776 A1 beschreibt die antibakterielle Wirkung von Silberionen und deren Verbindungen am Hautdurchtritt von Hörhilfeimplantaten. Es sind auch Kombinationen mit antibiotischen Wirkstoffen möglich.
Aus Cheng. H. -Y. et al. „Stress effect an bone remodeling and osseointegration an dental implant with novel nano/microporous surface functionlization”, J. von Biomedical Materials Research A/Apr. 2013 Vol 101A, Issue 4, S. 1158–1164 ist eine Studie zur Untersuchung der Belastungsverteilung auf oberflächenbehandelten Dentalimplantaten und Knochengeweben bei Belastung bekannt. Auf einem Titanträger mit einem Schraubgewinde wurde nach einem Strahlverfahren eine Ätzung vorgenommen und eine elektrochemische Funktionalisierung durchgeführt. Die Oberfläche des Implantats weist eine poröse Nanostruktur auf, die elektrochemisch hergestellt wurde.
Chen, Z. et al. „Effect of thin nano-hydroxyapatite coating an implant osseointegration in ovariectomized rats”, Oral and Maxillofacial Surgery, Vol. 113, Nr. 3, März 2012, S. e48–e53 betrifft eine Untersuchung osseointegrierter Implantate mit einer Hydroxylapatitbeschichtung. Die Oberfläche der Implantate wurde oberflächenbehandelt und geätzt. Anschließend wurde eine elektrochemische Beschichtung zur Erzeugung einer Hydroxylapatitoberfläche durchgeführt, der Ablagerungsprozess fand bei 85°C an einer Gleichspannung von 3 V statt.
Yang, G. et al. „Effects of biomimetically and electrochemically deposited nanohydroxyapatite coatings an osseointegration of porous titanium implants”, Oral Surg. Oral Med. Oral Pathol. Oral Radiol, Endod. 2009, Vol. 107, Nr. 6, S. 782–789 betrifft ebenfalls eine Studie bezüglich eines Vergleiches von einer biomimetrischen und elektrochemischen Abscheidung von nanostrukturiertem Hydroxylapatit bei der Osseointegration poröser Titanimplantate. Hydroxylapaptitbeschichtete Implantate weisen eine vergleichsweise verbesserte Stabilität und ein schnelleres Einwachsen in den Knochen auf. Dazu werden die Titanimplantate poliert, sandgestrahlt und mit Azeton, Alkohol und destilliertem Wasser gereinigt. Anschließend findet eine Säureätzung statt. Die so vorbereiteten Implantate werden in einer übersättigten Calziumphosphatlösung elektrochemisch beschichtet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Implantat bereitzustellen, das eine mechanische Entlastung einer gegebenenfalls osseointegrierten Verankerung und eine besseren Anbindung an das Weichgewebe, insbesondere an der Haut und einen verbesserten Hautdurchtritt bereitstellt. Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines geeigneten Implantats und/oder einer Implantatoberfläche anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein perkutanes Implantat mit den Merkmalen des Hauptanspruchs und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Implantates nach den Merkmalen des Nebenanspruches gelöst, vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren aufgeführt.
Das perkutane Implantat mit einem extrakorporalen Bereich und einem intrakorporalen Bereich und einem Kontaktbereich, in dem das Hautgewebe mit dem Implantat in Kontakt tritt, sieht vor, dass in dem Kontaktbereich die Oberfläche eine poröse Struktur mit interkonnektierenden Poren aufweist, wobei die Porengrößer kleiner als 1 μm ist. Während im mikroskopischen Bereich, also bei einer Porengröße zwischen 1 μm und 1 mm, die Interaktion zwischen dem Implantat und dem biologischen Gewebe auf zellulärer Ebene stattfindet, ist bei einer porösen Struktur mit einer mittleren Porengröße im Nanobereich, also zwischen 1 nm und 1000 nm eine Interaktion des biologischen Gewebes mit dem Implantat auf einer makromolekularen oder biomolekularen Ebene festzustellen. Die bevorzugte mittlere Porengröße liegt in einem Bereich zwischen 50 nm und 1000 nm. Nach dem Einbringen des Implantates in den Organismus wird durch die nanostrukturierte, offenporige Oberfläche eine Interaktion zwischen dem Implantat und dem biologischen Gewebe hergestellt. Durch die offenporige, bevorzugt nanoporöse Oberfläche aus Hydroxylapatit des Kontaktbereiches können insbesondere während der Wundheilung Proteine, insbesondere native Ankerproteine, Kollagene und andere faserartige Bestandteile aus einer extrazellulären Matrix in die Oberfläche eindringen und als Halteapparat oder als eine neue native, autologe Oberfläche fungieren. Damit verbunden ist eine verbesserte Adhäsion der Zellen an der Implantatoberfläche gegeben, und Mikrorelativbewegungen können reduziert bzw. vermieden werden. Eine Einkapselung des Implantats wird ebenfalls reduziert, wodurch eine verbesserte Durchblutung des biologischen Gewebes, also des Hautgewebes, und damit eine erhöhte Immunkompatibilität an der Implantatoberfläche im Kontaktbereich gegeben sind.
Der Kontaktbereich kann eine Calciumphosphatbeschichtung und/oder eine Apatitbeschichtung, insbesondere eine Fluorhydroxil- oder Hydroxylapatitbeschichtung, aufweisen. Besonders bevorzugt ist eine Porenstruktur aus Hydroxylapatit, gegebenenfalls mit Substitutionsapatiten wie beispielsweise Fluor-, Strontium- oder Karbonathydroxylapatit.
Vorteilhafter Weise ist die nanoporöse interkonnektierende Hydroxylapatitschicht, insbesondere in dem Kontaktbereich, in dem die Haut anwachsen soll, zusätzlich mit zelladhäsionsfördernden Zusätzen aus Alkalimetallen und/oder Erdalkalimetallen versehen oder beschichtet, insbesondere Magnesium, Strontium, Natrium und Kalium oder eine Mischung zumindest zweier dieser Elemente. Aufgrund der Tatsache, dass durch die nanoporöse interkonnektierende Struktur und das verwendete Material die Epithelzellen und das Bindegewebe anwachsen können, wird das Tiefenwachstum der Epidermis reduziert und ggf. verhindert. Im Bereich des Hautkontaktes wird so eine Oberflächenbeschichtung bereitgestellt, die ein optimales Anwachsen der Haut gewährleistet.
Vorteilhafter Weise weist der Kontaktbereich mit einer Calciumphosphat und/oder einer Apatitbeschichtung, insbesondere einer Fluorhydroxil- oder Hydroxilapatitbeschichtung auf. Die Calciumphosphat- oder Apatitbeschichtung im Kontaktbereich mit einer offenporigen Struktur, also bei der die Poren untereinander verbunden sind, hat den Vorteil, dass eine verbesserte Adhäsion des Gewebes an der Implantatoberfläche stattfindet.
Eine Bakterienadhäsion ist unter anderem porengrößenabhängig, wobei sich herausgestellt hat, dass bei einer nanoporösen interkonnektierenden Porenstruktur eine verminderte Bakterienanlagerung auftritt. Der Kontaktbereich kann antibakterielle Zusätze enthalten, insbesondere Silber, Kupfer, Magnesium oder Zink oder einer Mischung zumindest zweier dieser Elemente oder deren Salze. Dadurch werden eine Bakterienadhäsion und eine Biofilmbildung reduziert, unterdrückt bzw. vermieden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Porengröße im Kontaktbereich in distaler Richtung abnimmt, also dass eine graduierte Verteilung der Porengröße vorliegt, bei der die Porosität in intrakorporalextrakorporaler Richtung abnimmt, also die Porengröße verringert wird. Durch die zunehmend glatte, im weiteren Umfang verdichtete Oberfläche im Bereich der 3-Phasen-Linie bzw. vom Übergang des Hautgewebes zum Implantat wird die Anlagerung von Bakterien oder dergleichen vermieden oder zumindest behindert.
Der gesamte intrakorporale Bereich des Implantats kann eine Oberfläche wie der Kontaktbereich mit der oben beschriebenen Beschichtung aufweisen.
An dem Implantat kann im intrakorporalen Bereich zumindest ein Weichgewebeanker angeordnet sein, um eine formschlüssige Anbindung des Weichgewebes an das Implantat zu unterstützen. Der oder die Weichgewebeanker sind vorteilhafterweise unmittelbar proximal des Bereiches des permanenten Kontaktes des Hautgewebes mit dem Implantat angeordnet. Die Weichgewebeanker können eine Oberfläche mit einer nanoporösen Struktur mit interkonnektierenden Poren aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit der Beschichtung im Kontaktbereich beschrieben worden ist. Als Weichgewebeanker können Makrostrukturen, vorzugsweise mit Durchbrüchen, z. B. Bohrungen von 500 μm Durchmesser eingesetzt werden. Diese Makrostrukturen können Bestandteil des Implantatsubstrates sein oder sich tellerförmig im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Hautdurchtrittes in das Gewebe erstrecken. Bei einer Oberflächenausgestaltung ebenfalls mit einer erfindungsgemäßen, offenporigen, porösen Struktur im Nanobereich soll eine Reduzierung oder Vermeidung einer fibrösen Einkapselung oder Narbenbildung erfolgen.
Für eine Anwendung bei osseointegrierten Implantaten ist es vorgesehen, dass Einrichtungen zur Verankerung in einem Knochen im intrakorporalen Bereich angeordnet sind. Diese Verankerungseinrichtung oder Verankerungseinrichtungen können einstückig mit dem Kontaktbereich ausgebildet oder aufgrund eines modularen Aufbaus des Implantates an dem Implantatteil mit dem Kontaktbereich angebracht, beispielsweise angeschraubt werden. Die Verankerungseinrichtung weist dabei Formschlusselemente, beispielsweise ein Gewinde oder übliche Schraubenaufnahmen oder Knochenanker auf, die in oder an dem Knochen festgelegt werden können. Auch die Oberfläche der Verankerungseinrichtung bzw. der Verankerungseinrichtungen kann eine nanoporöse Struktur mit interkonnektierenden Poren aufweisen. Die Knochenzellen können an der Oberfläche der Verankerungseinrichtung anwachsen, was zu einer stabilen Verankerung des Implantats innerhalb des Knochens führt.
An dem distalen Ende des extrakorporalen Bereiches des Implantates sind Aufnahmeeinrichtungen für Anschlusselemente ausgebildet, beispielsweise für Epithesen, medizintechnisches Gerät oder Prothesenbauteile. Das Implantat besteht bevorzugt aus Titan, einer Titanlegierung oder einem Titanwerkstoff, bevorzugt als Träger einer Oberflächenbeschichtung, beispielsweise der erfindungsgemäßen nanoporösen Calciumphosphat- oder Apatitbeschichtung.
Neben der Nanostruktur der Oberfläche kann im intrakorporalen Bereich eine Mikrostruktur ausgebildet sein, die zwischen 2 μm und 500 μm tief ist, wobei die Tiefe in distaler Richtung abnehmen kann. Die Mikrostruktur kann beispielsweise durch eine chemische, physikalische, spanende oder umformende Bearbeitung erfolgen, um eine vergrößerte Oberfläche auszubilden und mehrere Ankerpositionen für adhädierende Zellen zu bilden. Weiterhin können auch Plasma-Spray-Beschichtungen mit Partikeln in μm-Größe oder Auftragssintern vorgenommen werden, um eine entsprechende Struktur auszubilden. Ebenfalls kann durch Partikelstrahlen oder Laserstrukturierung eine entsprechende Struktur, gegebenenfalls eine 3D-Struktur erzeugt werden. Diese Mikrostrukturierung wird vor der erfindungsgemäßen Oberflächenmodifikation ausgeführt.
Die nanoporöse Oberflächenstruktur ist sowohl im Kontaktbereich als auch im intrakorporalen Bereich des Implantates oder der Weichgewebeanker ist bevorzugt dünner als 20 μm, bevorzugt dünner als 5 μm, insbesondere bevorzugt dünner als 2 μm.
Weiterhin können der Kontaktbereich und/oder der intrakorporale Bereich mit einer resorbierbaren, vorzugsweise antibakteriellen Deckschicht versehen sein. Dazu können Polymere, bevorzugt antibakteriell wirksame, biodegradierbare Polymere als Deckschicht vorgesehen sein. Insbesondere können resorbierbare Polymere wie zum Beispiel Polylactid mit und ohne die oben genannten Substanzen als Deckschicht vorgesehen sein. Dies bedeutet, dass sich die Deckschicht auf der nanoporösen und interkonnektierenden Beschichtung befindet und diese abdeckt. Die Deckschicht kann ebenfalls aus keramischen, biopolymeren oder metallischen Materialien bestehen. Eine Möglichkeit für eine resorbierbare Deckschicht besteht in einer metallischen Schicht, insbesondere aus Magnesium.
Zur weiteren Zelladhäsionssteigerung können der Kontaktbereich und/oder der intrakorporale Bereich zusätzlich chemisch oder physikalisch funktionalisiert sein. Auch können in den Bereichen organische Substanzen wie Wachstumsfaktoren und/oder pharmazeutische Substanzen wie Antibiotika z. B. Tetracyclin und/oder Antiseptika vorgesehen sein, die in oder auf der porösen Struktur angelagert sind. Bevorzugt sind Proteine, Integrine, Laminin, Fibronektin, Kollagen, Fibrin, Peptide, insbesondere RGD-Peptide, Aminosäuren, Chitosan und Chitin.
Die poröse Struktur kann mit wundheilenden und/oder antibakteriellen Wirkstoffen versehen sein, beispielsweise beschichtet oder infiltriert. Als Wirkstoff kommt beispielsweise Tetracyclin in Betracht.
Der extrakorporale Bereich ist vorteilhafterweise als polierte Oberfläche ausgebildet, wobei der Grundkörper vorteilhafterweise aus Titan besteht. Die Oberfläche der extrakorporalen Bestandteile können mit antibakteriell wirkenden Substanzen oder Elementen versehen sein, beispielsweise Kupfer, Silber, Fluor, hydrophoben Beschichtungen wie PTFE, DLC oder Titannitrit.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Implantates, wie es oben beschrieben ist, sieht vor, dass zumindest im Kontaktbereich eine mit Calciumphosphat versehene Oberfläche aus Titan oder einer Titanlegierung geätzt, beispielsweise mit einer starken Base, vorzugsweise einer NaOH-Lauge, und das Implantat anschließend mit einer Calciumphosphatschicht versehen, anschließend hydrothermal in ein Apatit umgewandelt und dann thermisch behandelt wird. Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung der Beschichtung in mehreren Schritten, dabei kann das Apatit, insbesondere das Hydroxylapatit in seiner chemischen Zusammensetzung und in seiner Porengröße durch Variation der Prozessparameter verändert werden.
Durch eine starke Natriumhydroxid-Lauge, bevorzugt eine 5 M NaOH-Lösung, wird die Oberfläche des Trägers, der aus Titan oder deren Legierungen aufgebaut sein kann, in eine amorphe Natriumtitanatschicht umgewandelt, die eine netzartige Nanostruktur aufweist. Zur Herstellung der nanoporösen Struktur kann die gelartige und amorphe Natriumtitanatschicht in deionisiertem Wasser mehrmals gespült.
Zum Aufbringen der Calciumphosphatschicht kann mit einer elektrischen Spannung wenig unterhalb der im System vorliegenden Elektrolysespannung die Beschichtung derart auf der geätzten Titanoberfläche abgeschieden werden, dass eine nanoproröse und interkonnektierende, calciumphosphatreiche Oberfläche entsteht, ggf. mit gewünschten metallischen Zusätzen. Vorzugsweise liegt die optimale Beschichtungsspannung 10% unterhalb der jeweiligen Elektrolysespannung. Die Elektrolyselösung besteht aus einem gelösten Calciumphosphat in einem pH-Bereich zwischen 3,5 und 4,5, vorzugsweise 4. Die Mengen der Zusätze in der calciumphosphatreichen Elektrolytlösung ergeben den späteren Anteil der metallischen Substanzen wie Zink, Kupfer, Silber, Natrium, Kalium, Magnesium und/oder der Substitutionsapatiten wie Strontiumapatit, Fluorapatit und/oder Carbonatapatit in der Apatitbeschichtung. Über die Beschichtungsdauer kann erfindungsgemäß die mittlere Porengröße der Beschichtung eingestellt werden. Die Dauer beträgt zwischen 1 bis 10 Minuten, vorzugsweise 2 Minuten.
Es können auch Schichtgradienten durch eine Ausrichtung des elektrischen Feldes oder durch ein gesteuertes, z. B. kontinuierliches Herausziehen des Implantats aus dem Elektrolyt während der elektrochemischen Abscheidung eingestellt werden. Dies kann insbesondere für den Bereich des Hautdurchtritts von Vorteil sein, wenn die Porösität an der 3-Phasen-Linie distal abnimmt und extrakorporal vorzugsweise vollständig geschlossen ist.
In einem weiteren Schritt wird die calciumphosphatreiche Beschichtung, ggf. mit den Anteilen der anderen vorgesehenen Metalle, hydrothermal in einer alkalischen Lösung, vorzugsweise Ca(OH)₂-Lösung, bei Temperaturen über 100°C und Drücken über 1 bar, vorzugsweise bei 150°C und 5 bar, in Hydroxylapatit umgewandelt.
Das Tempern oder thermische Behandeln der Hydroxilapatitbeschichtung dient der Festigkeitssteigerung der Beschichtung, gleichzeitig wird die Löslichkeit der Beschichtung verringert. Weiterhin hat die thermische Behandlung den positiven Effekt, dass die Oberfläche von noch anhaftenden Ca(OH)₂-Partikeln befreit wird, wenn die Behandlungstemperatur oberhalb 580°C liegt. Vorzugsweise liegt die Behandlungstemperatur oberhalb 600°C, insbesondere bei 650°C.
Vor dem Ätzen, dem elektrochemischen Beschichten und dem Tempern kann der Kontaktbereich mikrostrukturiert werden. Die Mikrostruktur dient neben der Oberflächenvergrößerung und der eingeschränkten Formschlüssigkeit für das einwachsende Bindegewebe vor Beschädigung der Oberflächenbeschichtung der Nanostruktur vor Beschädigung bei mechanischer Überlastung oder bei Stößen.
Des Weiteren kann die nanostrukturierte Beschichtung zusätzlich funktionalisiert werden, beispielsweise mit einem Sauerstoffplasma, so dass die Benetzbarkeit und damit der kapillare Effekt weiter gesteigert werden kann. Die interkonnektierende, nanoporöse Beschichtung kann mit organischen Substanzen wie Integrine, Fibrin oder RGD-Peptiden zusätzlich beschichtet oder infiltriert werden. Als eine zusätzliche Beschichtung mit organischen Substanzen für eine antibakterielle Wirkung eignet sich beispielsweise Chitosan, das neben einer antibakteriellen Wirkung auch eine heilende Wirkung aufweist, die im Bereich des Hautdurchtritts von besonderem Vorteil ist. Als anorganisch wirksame Substanzen können Silber- oder Kupferverbindungen, Fluorapatit oder Polymere eingesetzt werden, die entweder in die Poren oder als resorbierende Deckschicht aufgetragen werden können.
Die Erfindung kann weiterhin vorsehen, dass die nanostrukturierte Oberfläche mit resorbierbaren Beschichtungen bedeckt wird. Dies können Polymere wie zum Beispiel Polylactid oder auch Metalle wie Magnesium sein. Auf diese Weise ist es möglich, dass die nanostrukturierte Oberfläche erst nach der Wundheilung geöffnet wird, so dass die spezifischen Proteinfasern wie Laminin oder andere Ankerproteine erst nach der Wundheilung in die Nanoporen integriert werden. Dies kann zu einer verbesserten epithalen Zelladhäsion führen. Diese resorbierbaren Beschichtungen können zusätzlich mit antiseptisch wirkenden Substanzen wie beispielsweise Silber oder deren lösliche Salze wie Silbernitrate oder als organische Substanzen wie Chitosan dotiert sein.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 – eine schematische Darstellung eines Implantatsystems;
2 – eine schematische Detaildarstellung des Implantatsystems im Bereich des Hautdurchtrittes;
3 – eine schematische Detaildarstellung einer Implantatoberfläche;
4 – eine REM-Aufnahme;
5 – eine REM-Aufnahme einer Schnittprobe; sowie
6 – eine schematische Darstellung einer Implantatbeschichtung mit einer Reaktionszone.
In 1 ist eine schematische Schnittdarstellung eines perkutanen Implantatsystems 1 in implantierter Stellung dargestellt. Das Implantatsystem 1 weist eine in im Knochengewebe 50 verankerte Implantatkomponente 600 auf, die über Formschlussmittel 610, beispielsweise ein Gewinde oder andere Formschlusselemente verankert ist. Die ossär verankerte Implantatkomponente 600 weist im Kontaktbereich 611 zwischen dem Knochengewebe 50 und der Implantatkomponente 600 bevorzugt eine strukturierte Oberfläche auf, die ein Anwachsen und Einwachsen in das Knochengewebe 50 erleichtern. Dazu können mikrostrukturierte Oberflächen an der Implantatkomponente 600 ausgebildet sein; ebenfalls können die Oberflächen mit einer nanoporösen, interkonnektierenden Struktur aus Hydroxylapatit mit einer Porengröße unterhalb 1 μm versehen werden, um eine fibröse Abkapselung zu verhindern. Die Oberflächenstruktur der Implantatkomponente 600 ist dabei dreidimensional und offenporig, um ein verbessertes Anwachsen zu ermöglichen. Der Knochen 50 ist überwiegend von Muskelgewebe umgeben.
An dem distalen Ende der ossär verankerten Implantatkomponente 600 ist eine im aus Muskeln und Bindegewebe bestehenden Weichgewebe 40 positionierte, zweite Implantatkomponente 700 befestigt. Diese zweite Implantatkomponente 700 kann auf der ossär verankerten Implantatkomponente 600 aufgeschraubt, aufgesteckt oder anderweitig dauerhaft, jedoch vorzugsweise lösbar befestigt sein.
An der zweiten, im Weichgewebe 40 oder im Muskelgewebe positionierten Implantatkomponente 700 sind seitlich abkragende Weichgewebeanker 73 angeordnet, entweder daran befestigt oder einstückig mit der zweiten Implantatkomponente 700 ausgebildet. Die Weichgewebeanker 73 können ebenfalls mikrostrukturiert sein und eine nanoporöse interkonnektierende Struktur aus Hydroxylapatit aufweisen; es wird somit eine dreidimensionale, offenporige, poröse Oberflächenstruktur im Nanobereich bereitgestellt. Über den gesamten Bereich 710, in dem die zweite Implantatkomponente 700 in Kontakt mit dem Muskelgewebe oder Weichgewebe 40 steht, bildet sie eine Schnittstelle 711 zwischen der zweiten Implantatkomponente 700 und dem Weichgewebe 40 aus. Auch die Oberfläche dieses Bereiches 710 kann mikro- und nanoporös mit interkonnektierenden Poren aus Hydroxylapatit sein und eine offenporige, poröse Oberfläche, vorzugsweise in einer Stärke unterhalb 10 μm mit einer Porengröße unterhalb 1 μm aufweisen.
Die Weichgewebeanker 73 dienen zur Stabilisierung des Weichgewebes 40 in unmittelbarer Nähe des Implantatsystems 1 und zur Vermeidung von Relativbewegungen zwischen dem Weichgewebe 40 und der zweiten Implantatkomponente 700. Die Weichgewebeanker 73 können auch mikro- und nanoporöse Strukturen aus Hydroxylapatit mit interkonnektierenden Poren aufweisen und um einen Grundkörper der Implantatkomponente 700 herumgewickelt oder befestigt sein.
Proximal von dem Kontaktbereich 730 beabstandet ist ein Anhaftungsbereich 720 der Kutis ausgebildet, der mit dem Zwischenschichtgewebe proximal von der Subkutis beginnt.
Distal dazu ist der Kontaktbereich 730 vorhanden, der im Bereich des Hautdurchtritts im Kontakt mit der Epidermis 10 steht und daher auch als Hautdurchtrittsbereich bezeichnet werden kann, wobei die Haut mit dem subdermalen Gewebe zusammen als eine Einheit angesehen werden kann. Die Haut aus Dermis und Epidermis gemeinsam ist ca. 1. mm dick und bildet mit dem subdermalen Gewebe, das bis zu mehreren Millimetern dick sein kann, eine Einheit.
An dem distalen Ende der zweiten Implantatkomponente 700 ist ein extrakorporales Anschlussstück 800 mit einer Basis 810 und Befestigungseinrichtungen für die Aufnahme beispielsweise von Prothesenkomponenten oder Epithesenkomponenten vorhanden.
Abweichend von dem dargestellten Implantatsystem aus einer ossär verankerten Implantatkomponente 600, einer im Weichgewebe 40 verankerten Implantatkomponente 700 und einem extrakorporalen Abschlussstück 800, das insbesondere als ein lasttragendes Implantatsystem zur Anbindung von Prothesen an einen Knochenstumpf, beispielsweise einen Femurstumpf vorgesehen ist, kann bei einer geringeren Belastung der Bereich mit den Gewebeankern 73 weggelassen werden, so dass unmittelbar nach der Knochenverankerung der Epitheldurchtritt bzw. Hautdurchtritt erfolgt. Für medizintechnische Anwendungen, beispielsweise bei einem Katheter, kann auf die ossäre Verankerung verzichtet werden, so dass nur Weichgewebeanker 73 an der entsprechenden Implantatkomponente 700 zur Weichgewebsverankerung vorgesehen sind.
Der Aufbau gemäß 1 mit der ossär verankerten Implantatkomponente 600, dem Schaftbereich 700 in Kontakt mit Muskeln und subkutanem Gewebe oder Bindegewebe sowie einem perkutanen Bereich mit der 3-Phasen-Linie und einem ausschließlich extrakorporalen Bereich kann je nach anatomischer Situation verändert werden. Beispielsweise kann der Schaftbereich bei einem transphalangalen Amputationsniveau entfallen, der ossär verankerte Bereich kann bei Portsystemen entfallen. Weichgewebeanker 73 können sowohl in dem Schaftbereich in Kontakt mit Muskeln und subkutanem Gewebe oder Bindegewebe als auch im dermalen Bereich der Kutis angeordnet sein.
Sofern an dem Implantat 1 im intrakorporalen Bereich Weichgewebeanker 73 angeordnet sind, unterstützen diese eine formschlüssige Anbindung des Weichgewebes an dem Implantat 1. Der oder die Weichgewebeanker 73 sind vorteilhafter Weise unmittelbar proximal des Bereiches des permanenten Kontaktes des Hauptgewebes mit dem Implantat 1 angeordnet, um eine ständige Abdeckung des oder der Weichgewebeanker 73 mit dem Hautgewebe sicherzustellen. Der Hautgewebeanker 73 kann ebenfalls eine Oberfläche mit einer nanoporösen interkonnektierenden Struktur aus Hydroxylapatit wie im Bereich der 3-Phasen-Linie aufweisen. Da sich die Weichgewebeanker 73 in einem subkutanen Bereich befinden kann die Porengröße auch größer sein, um auch Bindegewebe einwachsen bzw. durchwachsen zu lassen. Insbesondere sind hier auch konstruktive Gestaltungen zur Neovaskularisation des subkutanen Gewebes vorgesehen, die die Aufgabe haben, im Bereich des Hautdurchtrittes Einwirkungen von mechanischen Belastungen abzufangen. Für die Neovaskularisation sind beispielsweise Bohrungen mit einem Durchmesser zwischen 0,5 bis 5 mm vorteilhaft.
In der 2 ist der Bereich des Hautdurchtritts eines perkutanen Implantats 1 in vergrößerter Detaildarstellung gezeigt. Der Anhaftungsbereich 720 liegt im Bereich des Bindegewebes 30, der distal dazu angeordnete Kontaktbereich 730 kann dabei in drei Unterbereiche 731, 732 und 733 unterteilt werden, wobei in der 2 insbesondere der zweite Unterbereich 732 des Kontaktbereichs 730 dargestellt ist, in dem die Haut 10 nach dem Einsetzen des Implantatsystems 1 in unmittelbaren Kontakt zu der Implantatoberfläche tritt.
Proximal des zweiten Unterbereiches 732 schließt sich der subdermale Unterbereich 731 an, der mit einer sogenannten Zwischengewebsschicht aus Faszien 32 oder Fettgewebe mit Fettzellen 31 oder direkt mit dem Bindegewebe 30 in Kontakt tritt. In dem subdermalen Unterbereich 731 können auch Weichgewebeanker 73 positioniert sein. Proximal folgt dann Bindegewebe 30 oder auch schon Muskelgewebe 40, wo ebenfalls Weichgewebeanker 73 positioniert werden können. Es erscheint sinnvoll zu sein, die Weichgewebeanker 73 möglichst nahe unter die Haut zu legen, also subdermal anzuordnen.
Den Anhaftungs- und Kontaktbereichen 720 und 730, in denen die Implantatkomponente 700 in Kontakt mit der Haut 10, dem Zwischengewebe, dem Bindegewebe 30, meist aus Bindegewebszellen, den sogenannten Fibroblasten, steht, schließt sich ein extrakorporaler Teilbereich 733 an, der poliert sein kann. Das Hautgewebe kann sich aufgrund verschiedener äußerer Einflüsse, sei es mechanischer oder physiologischer Natur, entlang der Längsstreckung der Implantatkomponente 700 verlagern, d. h. die Haut kann sich zurückziehen oder vorschieben und dadurch einen unterschiedlichen Bereich des Kontaktbereiches 730 abdecken und somit die Länge des extrakorporalen Teilbereiches 733 verändern, so dass der extrakorporale Teilbereich 733 auch als Kontaktbereich anzusehen ist. Die Anhaftungs- und Kontaktbereiche 720, 730 weisen bevorzugt eine nanoporöse, interkonnektierende Struktur aus Hydroxylapatit aus, vorzugsweise mit in distaler Richtung abnehmender Porosität, auf.
In der 2 ist die maximal distale Position mit dem Bezugzeichen 10a eingezeichnet, die maximal proximale Position des Epithels 10 ist mit dem Bezugszeichen 10b beschrieben. Zwischen diesen Extremen kann sich das Hautgewebe an dem Implantat anlagern.
An das distale Ende des zweiten Unterbereiches 732 mit einem temporär langzeitigen Kontakt mit dem Hautgewebe schließt sich ein extrakorporaler Teilbereich 733 und gegebenenfalls temporär kurzzeitigem Kontakt mit dem Hautgewebe an. Dieser Bereich entspricht einer standardmäßigen polierten Titanoberfläche und kann zusätzlich antibakterielle Substanzen enthalten. Daran anschließend ist das nicht dargestellte extrakorporale Anschlusselement 800, beispielsweise in Gestalt einer Abschlusskappe.
In der 3 ist an die Schnittstelle zwischen der Oberfläche des zweiten Unterbereiches 732 und dem Hautbereich im Bereich der 3-Phasen-Linie dargestellt. An der Außenseite des Kontaktbereiches 730 und damit des zweiten Unterbereiches 732 ist eine Mikrostruktur 3 aufgebracht, die eine gewisse Rauhigkeit z. B. durch Oberflächenätzungen erhält. Diese Mikrostrukturierung zeigt eine definierte Hoch-Tiefstruktur, die einen Größenbereich von 1 μm bis 5 μm aufweist. Durch die vergrößerte Oberfläche werden mehrere Ankerpositionen für adhärierende Zellen gebildet. Alternativ kann durch andere Beschichtungsverfahren, wie das Plasma-Spray-Verfahren mit Mikropartikeln, eine Auftragssinterung oder eine gusstechnische Formgebung eine entsprechende Mikrostruktur auf dem Implantat erzeugt werden. Ebenfalls kann durch ein Partikelstrahlen oder eine Laserstrukturierung eine Hoch-Tiefstruktur erzeugt werden. Vorteilhaft ist hier wieder eine distal abnehmende Rauhigkeit.
Auf diese Mikrostruktur 3 wird die Beschichtung mit nanoporöser interkonnektierender Struktur aus Hydroxylapatit aufgebracht, die auch weitere Bestandteile enthalten kann. Diese etwa 1 μm bis 5 μ dicken Dünnschichtbeschichtungen erhalten weitgehend die darunterliegende Topografie des Grundwerkstoffes und können temporär, zum Beispiel während einer Einheilphase, auch so dick sein, dass sie vorübergehend die Topografie qualitativ verändern, da diese Beschichtungen einer Biokorrosion unterliegen.
Die Poren 2 dienen zum Eindringen kollagener Fasern 4 und zur Anbindung von Fibroblasten 5 der Dermis 20, um eine optimale Anbindung des Hautgewebes an das Implantat zu erzielen. Der zweite Unterbereich 732 kann in einen proximalen Bereich 7321 und in einen Übergangsbereich 7322 unterteilt werden, wobei im proximalen Bereich 7321 eine gröbere Struktur der Poren im Vergleich zu den Poren im Übergangsbereich 7322 vorhanden ist. Die Poren werden distal kleiner und sind oberhalb der 3-Phasen-Linie idealerweise nicht mehr vorhanden.
In der 4 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Oberflächenbeschichtung eines Implantats dargestellt, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde und die eine nanoporöse und interkonnektierende Struktur aus Hydroxylapatit auf der Implantatkomponente 700 oder auf dem Weichgewebeanker 73 zeigt.
In der 5 ist eine vergrößerte Darstellung der interkonnektierenden nanoporösen Hydroxylapatitschicht im Querschnitt gezeigt. Die Hydroxylapatitschicht mit den Poren 2 ist auf einem Titansubstrat als Teil der Implantatkomponente 700 dargestellt. Die Darstellung ist eine Rasterelektronenaufnahme im Querschnitt, die mit einem FIB (Focused Ion Beam) hergestellt wurde.
In der 6 ist eine schematische Darstellung der Anbindung einer Hautzelle an die Implantatbeschichtung dargestellt. Das Implantat mit der Implantatkomponente 700 weist an der Außenseite eine Beschichtung aus Hydroxylapatit mit einer nanoporösen Struktur auf, wobei die Poren interkonnektierend ausgebildet sind. Das Gewebe, das durch die Zelle 33 symbolisiert wird, verankert sich mit den Kollagenfasern und Ankerproteinen in der nanoporösen Struktur des Hydroxylapatits, das wiederum mit dem Titanimplantat 700 verbunden ist. Die nanoporöse und interkonnektierende Hydroxylapatitbeschichtung ist somit das Interface zwischen dem Implantat und dem Gewebe und stellt einen Hybridbereich dar, in dem sowohl zellbiologisches als auch synthetisches Material vorhanden sind. Vorteilhafter Weise erlaubt dieser Hybridbereich einen Austausch von Ionen und Signalstoffen durch den Kapillareffekt der nanoporösen und interkonnektierenden Struktur in Richtung der Zellen 33, so dass die Zellen auch von der Implantatseite mit Nährstoffen versorgt werden können. In dem Hydroxylapatit können Substanzen enthalten sein, die die Zelladhäsion fördern oder antibakteriell wirken können Der Reaktionsbereich, auch Hybridbereich genannt, zwischen dem Implantat 700 und dem Gewebe 33 ist im oberen Bereich der 6 in Gestalt der einander überdeckenden Pfeile dargestellt.
Anhand eines Ausführungsbeispiels wird nachfolgend das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Beschichtung und eines erfindungsgemäße Implantats erläutert.
Ein perkutanes Implantat mit einem Weichgewebeanker aus Reintitan Grad 4 soll für eine craniofaciale Anwendung mit einer nanoporösen und interkonnektierenden Hydroxylapatitbeschichtung im Bereich des Hautkontaktes und des intrakorporalen Bereichs beschichtet werden.
Zu Beginn des erfindungsgemäßen Beschichtungsprozesses werden die intrakorporalen Bereiche, die also in Kontakt mit dem Weichgewebe stehen, durch Beizen mikrostrukturiert. Die nicht mikrostrukturierten Bereiche, also die polierten Oberflächen, die extrakorporal vorliegen, sowie der Bereich des Hautkontaktes werden hierfür mit Schrumpfschläuchen maskiert. Durch das Beizen wird die Titanoberfläche chemisch derart abgetragen, insbesondere bei ungleichmäßigen Oxidschichten, dass hierdurch Hoch-Tief-Strukturen von etwa 2 bis 5 μm entstehen. Die Beizlösung besteht aus einer Mischung von 88% Wasser, 2% Flusssäure (40%ig) und 10% Salpetersäure (65%ig). Die Beizzeit beträgt 2 Minuten. Durch verlängerte Beizzeiten und weiteren Zusätzen in der Standardsäure kann die Mikrostruktur auf der Titanoberfläche variiert werden.
Im intrakorporalen Bereich und im Kontaktbereich, an dem die Haut anwachsen soll, werden die mikrostrukturierten Oberflächen weiter nanostrukturiert. Hierzu werden die Oberflächen in einer 5 M NaOH-Lösung geätzt, wobei die übrigen Oberflächen wieder mit Schrumpfschläuchen maskiert werden. Die basische Ätzung wird mindestens 20 Stunden bei Raumtemperatur durchgeführt. Die entstandene Oberflächenstruktur besteht nun aus einer Natrium-Titanat-Hydrogelschicht und weist eine Dicke von etwa 1 bis 2 μm auf. Die noch weiche Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass sie sehr feine, dreidimensionale, netzartige Strukturen im Nanobereich ausbilden. Durch den anschließenden Spülvorgang in deionisiertem Wasser wird das Natrium weitestgehend ausgespült.
Im anschließenden Fertigungsprozess werden die stegartigen dreidimensionalen Nanostrukturen mittels eines nasschemischen Beschichtungsverfahrens mit nanokristallinen Calciumphosphat beschichtet. Das zu beschichtende Implantat wird dabei als Kathode geschaltet, die Anode ist eine Platinelektrode. Die angelegte Spannung und die Expositionsdauer sind von großer Bedeutung für die Beschichtung bzw. Infiltration in die nanoporöse, interkonnektierende Struktur. Die exakte Spannung muss empirisch ermittelt werden und liegt 10% unter der im System vorliegenden Elektrolysespannung. Zu niedrige Spannungen führen zu keiner zeitnahen Abscheidung und zu hohe Spannungen schädigen einerseits die Oberfläche durch Wasserstoffentwicklung, andererseits wird die Struktur nicht in den Nanoporen gleichmäßig beschichtet. Bei der Standardelektrolytlösung, bestehend aus einer 0,025 M Ca(OH)₂-Lösung und einer 0,05 M H₃PO₄-Lösung und einem pH-Wert von 4.0, wird die Beschichtungsspannung von 2,7 V auf 3,3 V in einer Zeit von 2 Minuten kontinuierlich erhöht. Zusätze, wie z. B. Magnesium oder Strontium in Form von Hydroxiden, können dabei dem Elektrolyten zugegeben werden. Die elektrochemische Abscheidung von Calciumphosphaten mit oder ohne Zusätze beruht auf deren pH-abhängiger Löslichkeit, so dass die Einstellung des ph-Wertes dem jeweiligen System mit den entsprechenden Zusätzen anzupassen ist. Die nicht beschichteten Bereiche, also die extrakorporalen Bereiche, sind während des Beschichtungsprozesses noch mit den Schrumpfschläuchen maskiert.
Im weiteren Prozesschritt wird das Calciumphosphat aus der elektrochemischen Beschichtung hydrothermal in Hydroxylapatit umgewandelt. Dieser Prozess wird in einer alkalischen Lösung durchgeführt, vorzugsweise in einer 1 mM Ca(OH)₂-Lösung bei Temperaturen von 150°C und Drücken von 4 bar. Die maskierenden Schläuche werden zuvor entfernt.
Durch den abschließenden Temperprozess wird das Hydroxylapatit in der nanoporösen und interkonnektierenden Oberfläche stabilisiert und verfestigt. Die thermische Behandlung wird bei 600°C und mindestens 2 Stunden durchgeführt. Die Aufheiz- und Abkühlrate beträgt 5°C/Min. Hierbei ist eine inerte Ofenatmosphäre, vorzugsweise mit Argon, 5.0 zu verwenden.

Claims

Perkutanes Implantat (1) mit einem extrakorporalen Bereich und einem intrakorporalen Bereich (600, 700) und einem Kontaktbereich (730), in dem Hautgewebe (10) mit dem Implantat (1) in Kontakt tritt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kontaktbereich (730) die Oberfläche eine poröse Struktur mit interkonnektierenden Poren (2) aufweist und die Porengröße kleiner als 1 μm ist.
Implantat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (730) eine Calciumphosphatbeschichtung und/oder eine Apatitbeschichtung, insbesondere eine Fluorhydroxil- oder Hydroxylapatitbeschichtung, aufweist.
Implantat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (730) zelladhäsionsfördernde Zusätze aus Alkalimetallen und Erdalkalimetallen enthält, insbesondere Magnesium, Strontium, Natrium und Kalium oder eine Mischung zumindest zweier dieser Elemente.
Implantat nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (730) antibakterielle Zusätze enthält, insbesondere Silber, Kupfer, Magnesium oder Zink oder deren Salze oder eine Mischung zumindest zweier dieser Elemente oder deren Salze.
Implantat nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porengröße und/oder Porendichte in distaler Richtung abnimmt.
Implantat nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte intrakorporale Bereich (600, 700) eine Oberfläche wie der Kontaktbereich (730) aufweist.
Implantat nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Implantat (1) im intrakorporalen Bereich (600, 700) zumindest ein Weichgewebeanker (73) angeordnet ist.
Implantat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Weichgewebeanker (73) eine Oberfläche mit einer porösen Struktur wie der Kontaktbereich (730) aufweist.
Implantat nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der intrakorporale Bereich (600, 700) zumindest eine Einrichtung (610) zur Verankerung in einem Knochen (50) aufweist.
Implantat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verankerungseinrichtung (610) Formschlusselemente aufweist.
Implantat nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Verankerungseinrichtung (610) eine Oberfläche mit einer porösen Struktur wie der Kontaktbereich (730) aufweist.
Implantat nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem distalen Ende des extrakorporalen Bereiches (800) Aufnahmeeinrichtungen (810) für Anschlusselemente ausgebildet sind.
Implantat nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Implantat (1) aus Titan oder einem Titanwerkstoff als Träger einer Oberflächenbeschichtung hergestellt ist.
Implantat nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im intrakorporalen Bereich (600, 700) eine Mikrostruktur (3) ausgebildet ist, die zwischen 2 μm und 100 μm tief ist.
Implantat nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Mikrostruktur (3) in distaler Richtung abnimmt.
Implantat nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (730) und der intrakorporale Bereich (600, 700) mit einer resorbierbaren Deckschicht aus keramischen, polymeren, biopolymeren oder metallischen Materialien beschichtet ist.
Implantat nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (730) und der intrakorporale Bereich (600, 700) physikalisch oder chemisch funktionalisiert und/oder mit Wachstumsfaktoren oder Proteinen beschichtet ist.
Implantat nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Struktur mit wundheilenden oder antibakteriellen Wirkstoffen versehen ist.
Verfahren zum Herstellen eines Implantates nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Kontaktbereich (730) ein Träger aus Titan oder deren Legierungen geätzt und die Trägeroberfläche mit Calciumphosphat beschichtet und hydrothermal in ein Apatit umgewandelt und anschließend thermisch behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine basische Ätzung, insbesondere eine NaOH-Ätzung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die geätzte Oberfläche elektrochemisch mit der Calciumphosphatschicht beschichtet, die anschließend in einer Lauge hydrothermal in eine Apatitschicht mit nanoporösen, interkonnektierenden Poren umgewandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (730) und/oder der intrakorporale Bereich (600, 700) vor dem Ätzen und Beschichten mikrostrukturiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung bei Temperaturen oberhalb von 600°C, insbesondere bei 650°C durchgeführt wird.