DE102016122837A1 - Material for bone implants - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Material für ein Knochenimplantat, umfassend:eine Trägerstruktur mit einer Oberfläche, die zumindest ein biokompatibles Material umfasst,eine kovalent an diese Oberfläche gebundene Matrix undin diese Matrix eingelagertes Calciumphosphat.Ein medizinisch unbedenkliches, hochverträgliches und vielseitig einsetzbares Material kann bereitgestellt werden, wenn die Matrix zumindest ein Polysaccharid aufweist.The invention is based on a material for a bone implant, comprising: a support structure having a surface comprising at least one biocompatible material, a matrix covalently bonded to said surface, and calcium phosphate incorporated into said matrix. A medically acceptable, highly compatible and versatile material may be provided when the matrix has at least one polysaccharide.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Material für ein Knochenimplantat, umfassend eine Trägerstruktur mit einer Oberfläche, die zumindest ein biokompatibles Material umfasst, eine kovalent an diese Oberfläche gebundene Matrix, sowie in diese Matrix eingelagertes Calciumphosphat. Die vorliegende Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Materials, ein Knochenimplantat auf das das erfindungsgemäße Material aufgebracht ist, sowie dessen Verwendung als Knochenimplantatmaterial.The present invention relates to a bone implant material comprising a support structure having a surface comprising at least one biocompatible material, a matrix covalently bonded to that surface, and calcium phosphate incorporated into said matrix. The present invention further relates to a method for producing the material according to the invention, to a bone implant to which the material according to the invention is applied, and to its use as a bone implant material.

In den letzten Jahren nahm die Anzahl der Patienten, die an Knochenschäden leiden und/oder ein Knochenimplantat benötigen, tendenziell zu. Dieser Trend betont die Notwendigkeit, hochwertige, stabile und funktionelle Knochenersatzmaterialien zu erforschen.In recent years, the number of patients suffering from bone damage and / or requiring a bone implant has tended to increase. This trend highlights the need to explore high-quality, stable and functional bone replacement materials.

Die organischen Komponenten im Knochen bestehen zu 95 % aus Collagen und aus 5 % Proteoglykanen und anderen haftvermittelnden Glykoproteinen. Der mineralische Anteil des Knochens besteht fast ausschließlich aus Calciumphosphat in der Modifikation von Hydroxylapatit. Die harten Materialeigenschaften von Hydroxylapatit machen den Knochen in Kombination mit den elastischen Eigenschaften der organischen Komponenten zu einem sehr vielseitigen Kompositmaterial.The organic components in the bone consist of 95% collagen and 5% proteoglycans and other adhesion-promoting glycoproteins. The mineral part of the bone consists almost exclusively of calcium phosphate in the modification of hydroxyapatite. The hard material properties of hydroxyapatite, in combination with the elastic properties of the organic components, make the bone a very versatile composite material.

Die Anforderungen an hochwertige und funktionsgerechte Knochenimplantate sind vielfältig und es ist schwierig, alle Anforderungen mit einem Material zu erfüllen. Die Funktionalität eines Implantatmaterials ist dabei schwer vorhersehbar, da der natürliche Prozess der Knochenwundheilung und Implantat-Einheilung sehr komplex und zum Teil noch nicht vollständig verstanden ist.The demands on high quality and functional bone implants are diverse and it is difficult to meet all requirements with one material. The functionality of an implant material is difficult to predict, since the natural process of bone wound healing and implant healing is very complex and sometimes not fully understood.

Die Wundheilung von harten oder weichen Geweben nach einem operativen Eingriff, wie beispielsweise einer Knochenimplantation, umfasst viele zelluläre und extrazelluläre Ereignisse. Der Heilungsprozess an der Kontaktfläche zwischen dem Knochenimplantat und dem Knochen umfasst vier Stufen, welche teilweise ineinander überlappend stattfinden. Darunter fallen Entzündungsreaktionen, die Bildung eines weichen Kallus, gefolgt von der Bildung eines harten Kallus und schließlich die Remodellierungsphase.Wound healing of hard or soft tissues following surgery, such as bone grafting, involves many cellular and extracellular events. The healing process at the interface between the bone graft and the bone involves four steps that partially overlap each other. These include inflammatory reactions, the formation of a soft callus followed by the formation of a hard callus and finally the remodeling phase.

Nach einem operativen Eingriff adsorbieren zunächst Proteine und andere Moleküle des Bluts und der Gewebsflüssigkeiten an der Oberfläche des Implantats. Wird vaskularisiertem Gewebe eine Wunde zugefügt, führt dies nicht nur zu Entzündungsreaktionen, sondern auch zur Aktivierung einer Vielzahl weiterer körpereigener Schutzsysteme, wie beispielsweise des extrinsischen und intrinsischen Koagulationssystems, des Komplementsystems, des fibrinolytischen Systems und des Kininsystems. Hiernach folgen zwei sequentiell ablaufende Phasen, die ebenfalls ineinander übergehend verlaufen können, nämlich die akute und die chronische Entzündungsreaktion. Das Blut koaguliert zu einem Blutgerinnsel, welches aus Fibrin als Hauptbestandteil aufgebaut ist. Parallel hierzu werden Zytokine und weitere Wachstumsfaktoren freigesetzt, um weiße Blutzellen zur Wunde zu rekrutieren. Hierbei werden in der akuten Entzündungsantwort Neutrophile und mononukleäre Zellen, wie beispielsweise Monozyten, rekrutiert. Mononukleäre Zellen differenzieren sich zu Makrophagen und lagern sich an der Oberfläche des Implantats an. Bei einer normal verlaufenden Wundheilung sind Makrophagen dafür verantwortlich, die Wunde von Bakterien, Zelltrümmern und anderen Verunreinigungen via Phagozytose zu reinigen. Das Implantatmaterial wird dabei vom Körper ebenfalls als Fremdkörper empfunden. Da das Implantat allerdings wesentlich größer als die Makrophagen ist, können diese das Material nicht phagozytieren. Diese Ereignisse führen schließlich zu der Phase der chronischen Entzündung an der Material/Gewebsgrenze. Dabei fusionieren die Makrophagen und bilden mehrkernige Riesenzellen, um den Fremdkörper zu umschließen. Die Makrophagen sorgen ebenfalls für die Rekrutierung weiterer Zellen, wie beispielsweise Fibroblasten, welche fibröse Gewebe an der Oberfläche des Implantats ablagern.After surgery, proteins and other molecules of the blood and tissue fluids first adsorb to the surface of the implant. Adding a wound to vascularized tissue not only causes inflammatory responses but also activates a variety of other endogenous protective systems, such as the extrinsic and intrinsic coagulation system, the complement system, the fibrinolytic system, and the kinin system. This is followed by two sequential phases, which can also merge into one another, namely the acute and the chronic inflammatory reaction. The blood coagulates into a blood clot, which is composed of fibrin as the main component. In parallel, cytokines and other growth factors are released to recruit white blood cells to the wound. Neutrophils and mononuclear cells, such as monocytes, are recruited in the acute inflammatory response. Mononuclear cells differentiate into macrophages and attach themselves to the surface of the implant. In normal wound healing, macrophages are responsible for clearing the wound of bacteria, cell debris, and other contaminants via phagocytosis. The implant material is also perceived by the body as a foreign body. However, since the implant is much larger than the macrophages, they can not phagocytose the material. These events eventually lead to the phase of chronic inflammation at the material / tissue border. The macrophages fuse and form multinucleated giant cells in order to enclose the foreign body. The macrophages also provide for the recruitment of other cells, such as fibroblasts, which deposit fibrous tissue on the surface of the implant.

Nach der Entzündungsphase bildet sich ein weicher Kallus. Dieser besteht aus Knochenvorläuferzellen und Fibroblasten, welche sich in einer ungeordneten Matrix aus nicht-kollagenen Proteinen und Kollagen befinden. Diese Matrix wird graduell von besagten Zellen als erste Reaktion gebildet und ist strukturell dem Geflechtknochen ähnlich. Der weiche Kallus wird schließlich graduell von Osteoblasten in geordnete lamellare Knochenstruktur umgebaut. Osteoblasten sekretieren dabei Typ-I-Kollagen, Calciumphosphat und Calciumcarbonat mit einer willkürlichen, zufälligen Orientierung. Die Remodellierungsphase überlappt mit der Bildung des harten Kallus. Dies geschieht durch Resorption der ungeordneten Knochenstrukturen durch Osteoclasten und anschließender Bildung von geordneten Knochenstrukturen durch Osteoblasten.After the inflammatory phase, a soft callus forms. This consists of bone precursor cells and fibroblasts, which are located in a disordered matrix of non-collagenous proteins and collagen. This matrix is gradually formed by said cells as a first reaction and is structurally similar to the woven bone. The soft callus is finally gradually rebuilt by osteoblasts into ordered lamellar bone structure. Osteoblasts secrete type I collagen, calcium phosphate and calcium carbonate with an arbitrary, random orientation. The remodeling phase overlaps with the formation of the hard callus. This is done by resorption of the disordered bone structures by osteoclasts and subsequent formation of ordered bone structures by osteoblasts.

Damit Stoffe für den Einsatz als Knochenimplantatmaterialien geeignet sind und um eine optimale Heilung der Defektstelle zu ermöglichen, müssen sie einige besondere Eigenschaften aufweisen. Dazu gehören beispielsweise die Biokompatibilität, die Immunogenität, Osseointegration und Osteogenität. Um eine gute Biokompatibilität zu erreichen, dürfen das Material bzw. seine Abbauprodukte weder toxisch, kanzerogen oder teratogen sein. Es dürfen weder in der Implantatumgebung noch im restlichen Körper Entzündungs-, Immun- oder andere negative oder ungünstige Reaktionen ausgelöst werden. Kommt es zu einer Abwehrreaktion des Körpers, wird das Implantat vom Körper durch Bindegewebe vom restlichen Körper abgekapselt. Durch die Isolierung in der Bindegewebskapsel wird eine Osseointegration des Implantats in das benachbarte Knochengewebe verhindert, da das Bindegewebe eine Barriere für die Bildung von Gefäßen und dadurch auch für den notwendigen Sauerstoff- und Nährstofftransport darstellt. Ein Implantat darf auf keinen Fall eine Immunantwort des Körpers auslösen, es darf also keine Immunogenität aufweisen. Besonders wichtig für die Eignung als Implantatmaterial ist ebenfalls eine gute Osseointegration, durch die eine stabile Befestigung des Fremdmaterials im Knochen erreicht wird, welche später auch den Alltagsbelastungen des Patienten gewachsen sein muss.In order for materials to be suitable for use as bone graft materials and to allow optimal healing of the defect site, they must have some special properties. These include, for example, biocompatibility, immunogenicity, osseointegration and osteogenicity. To a good one To achieve biocompatibility, the material or its degradation products must not be toxic, carcinogenic or teratogenic. Neither in the implant environment nor in the rest of the body should any inflammatory, immune or other negative or unfavorable reactions be triggered. If it comes to a defense reaction of the body, the implant is encapsulated by the body by connective tissue from the rest of the body. The isolation in the connective tissue capsule prevents osseointegration of the implant into the adjacent bone tissue, as the connective tissue provides a barrier to the formation of vessels and thereby also to the necessary oxygen and nutrient transport. An implant must under no circumstances trigger an immune response of the body, so it must not show any immunogenicity. Particularly important for the suitability as an implant material is also a good osseointegration, through which a stable attachment of the foreign material in the bone is achieved, which must be able to cope with the everyday stresses of the patient later.

Wenn sich einzelne Partikel vom Implantat lösen, dürfen diese ebenfalls keine der vorher genannten Reaktionen auslösen und sollten zudem entweder im Körper abbaubar oder sekretierbar sein, um eine permanente Anhäufung und Anlagerung im Körper oder eine aseptische Endoprothesenlockerung zu vermeiden. Potentielle Knochenmaterialien sollten daher eine zuverlässige Stärke, hohe Widerstandsfähigkeit, hohe Abriebfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, sowie eine dem Knochen ähnliche Steifheit besitzen. Letztgenanntes spielt im Speziellen im Kontext des sogenannten „stress shielding“ eine große Rolle. Der Knochen ist ein dynamisches System, welches je nach mechanischer Beanspruchung ab- oder aufgebaut wird. Wird nun ein Knochenimplantatmaterial eingesetzt, das eine im Vergleich zur Knochensubstanz höhere Steifheit besitzt, übernimmt dieses einen Großteil der mechanischen Belastung, wodurch der umgebende Knochen nach und nach abgebaut wird.If individual particles detach from the implant, they must not trigger any of the aforementioned reactions and should either be degradable or secretible in the body to avoid permanent accumulation and attachment in the body or aseptic endoprosthesis loosening. Potential bone materials should therefore have reliable strength, high resistance, high abrasion resistance, corrosion resistance, and stiffness similar to bone. The latter plays a major role in the context of so-called "stress shielding". The bone is a dynamic system, which is dismantled or assembled according to mechanical stress. Now, if a bone implant material is used, which has a higher stiffness compared to the bone substance, this takes over a large part of the mechanical stress, whereby the surrounding bone is gradually degraded.

Ein weiteres Kriterium ist die sogenannte Biokompatibilität. Ein potentielles Implantatmaterial sollte entweder möglichst bioinert oder bioaktiv sein. Ein bioinertes Material verursacht keinerlei chemische oder biologische Reaktionen im Körper. Das Implantat ist deshalb biokompatibel und baut mit der Knochensubstanz bestenfalls eine formschlüssige Verbindung auf (Kontaktosteogenese). Somit ist nur die Übertragung von Druckbelastung zwischen Implantat und Knochen möglich, was jedoch für viele Anwendungen, wie die Substitution von Schädelknochen, bei Zahnimplantaten und bei Fixierungsstiften bei Knochenbrüchen, völlig ausreicht. Implantate hergestellt aus Titan, Aluminium, Cobalt, Chrom und Polyetheretherketon (PEEK) zählen zu diesem Materialtyp.Another criterion is the so-called biocompatibility. A potential implant material should either be as bioinert or bioactive as possible. A bio-inert material does not cause any chemical or biological reactions in the body. The implant is therefore biocompatible and builds with the bone substance at best a positive connection (contact osteogenesis). Thus, only the transfer of pressure between implant and bone is possible, but this is sufficient for many applications, such as the replacement of skull bones, dental implants and fixing pins for bone fractures, completely sufficient. Implants made of titanium, aluminum, cobalt, chromium and polyether ether ketone (PEEK) belong to this type of material.

Ein bioaktives Material hingegen fördert ein schnelles Einwachsen des Implantats in das umgebende Gewebe und sorgt so für eine schnelle und langanhaltende Fixierung des Implantats im Körper. Dieser Effekt wird als sogenannte „Osseointegration“ bezeichnet. Bioaktive Materialien zeigen deshalb oft osteokonduktive und osteoinduktive Eigenschaften und weisen meistens eine hohe Hydrophilie auf. Häufig werden solche Materialien vom Körper resorbiert. Hydroxylapatit, Tricalciumphospat und einige Biogläser zählen zu den bioaktiven Materialien. Bioaktive Materialien können im Körper im schlechtesten Fall auch eine Immunreaktion auslösen. Diese Fähigkeit eines Biomaterials, die Zelladhäsion und -migration zu fördern ist entscheidend für die frühen Phasen der Wundheilung und die späteren Phasen der Knochenneubildung und hängt stark vom initialen Kontakt zwischen den Zellen und dem Implantatmaterial ab.By contrast, a bioactive material promotes rapid implant ing into the surrounding tissue, ensuring fast and long-lasting fixation of the implant in the body. This effect is called "osseointegration". Bioactive materials therefore often show osteoconductive and osteoinductive properties and usually have a high hydrophilicity. Frequently, such materials are absorbed by the body. Hydroxylapatite, tricalcium phosphate and some bioglasses are among the bioactive materials. Bioactive materials can also cause an immune reaction in the body in the worst case. This ability of a biomaterial to promote cell adhesion and migration is critical to the early stages of wound healing and the later stages of new bone formation, and is highly dependent on the initial contact between the cells and the implant material.

Deshalb wurden Knochenimplantatmaterialien im Stand der Technik durch verschiedene chemische oder physikalische Verfahren mit Hydroxylapatit oder Tricalciumphosphat beschichtet. Diese Calciumphosphate werden meist durch einfache chemische Verfahren mittels Präzipitation aus wässrigen Lösungen hergestellt. Das Aufbringen auf die Oberfläche des Implantatmaterials erfolgt dabei entweder direkt aus der Lösung auf die Oberfläche oder mittels physikalischer Methoden, wie „electrospray deposition“. Allerdings ist bei der Beschichtung von Materialien mit Apatit beispielsweise sowohl die geringe Adhäsion der Calciumphosphate auf dem Implantat nachteilig, als auch deren limitierter Zusammenhalt innerhalb der einzelnen Calciumphosphatlagen. Mit diesen Verfahren sollte eine dem Knochen möglichst ähnliche Struktur auf der Oberfläche generiert werden, um das Einheilen des Materials in den Knochen zu begünstigen. Hierbei wird allerdings außer Acht gelassen, dass der Knochen selbst ein stark hierarchisch aufgebautes Kompositmaterial ist, welches aus einer Matrix und einer Mineralphase besteht.Therefore, prior art bone graft materials have been coated with hydroxyapatite or tricalcium phosphate by various chemical or physical methods. These calcium phosphates are usually prepared by simple chemical methods by precipitation from aqueous solutions. The application to the surface of the implant material takes place either directly from the solution to the surface or by means of physical methods, such as "electrospray deposition". However, in the coating of materials with apatite, for example, both the low adhesion of the calcium phosphates on the implant is disadvantageous, as well as their limited cohesion within the individual calcium phosphate layers. With these procedures, a structure as similar as possible to the bone should be generated on the surface in order to favor the healing of the material into the bone. However, it is disregarded that the bone itself is a highly hierarchical composite material consisting of a matrix and a mineral phase.

Einige Verfahren zur Beschichtung von Implantatmaterialien mit Kollagen wurden auf ihre in-vivo-Funktionalität untersucht. Häufig wurden hierbei kollagenbeschichtete Titanimplantate, wie Schrauben oder Nägel, in verschiedenen in-vivo-Systemen analysiert. Dabei wurde beispielsweise von positiven Effekten bezüglich des Einwachsens des Materials in den umgebenden Knochen sowie der Knochenneubildung berichtet. Allerdings finden sich im Stand der Technik widersprüchliche Ergebnisse bezüglich kollagenbeschichteter Titanimplantate. So konnte beispielsweise keine verbesserte Osseointegration von kollagenbeschichteten porösen Titanzylindern, welche in die Diaphyse von Schaftibiae implantiert wurden, festgestellt werden.Some methods of coating collagen implant materials have been evaluated for their in vivo functionality. Frequently, collagen-coated titanium implants, such as screws or nails, have been analyzed in various in vivo systems. For example, positive effects on the ingrowth of the material into the surrounding bone as well as the formation of new bone have been reported. However, contradictory results with respect to collagen-coated titanium implants are found in the prior art. Thus, for example, no improved osseointegration of collagen-coated porous titanium cylinders implanted in the stem-tibial diaphysis could be detected.

Ebenfalls wurde im Stand der Technik von Verfahren zur kovalenten oder nicht-kovalenten Immobilisierung diverser Proteine der extrazellulären Matrix, wie beispielsweise Fibronectin oder kurzen Peptiden, auf Oberflächen berichtet. Diese zeigten zum Teil in in-vitro-Testsystemen positive Effekte auf, wie Zelladhäsion und Proliferation. Also, the prior art has reported methods for covalently or noncovalently immobilizing various extracellular matrix proteins such as fibronectin or short peptides on surfaces. These showed some positive effects in in vitro test systems, such as cell adhesion and proliferation.

Häufig wird Kollagen aus Kosten- und Handhabungsgründen durch dessen denaturierte Form Gelatine ersetzt. Die Herstellung der Gelatine geschieht üblicherweise durch physikalischen und chemischen Abbau oder thermische Denaturierung von nativem Kollagen. Im Gegensatz zu nativem Kollagen ist Gelatine bei einem physiologischen pH-Wert wasserlöslich und schmilzt bei einer Sol-Gel-Übergangstemperatur von 25 bis 30°C. Nach Abkühlen entstehen durchsichtige Gele. Im Stand der Technik wird ebenfalls die nicht-kovalente Aufbringung von Gelatine auf Oberflächen von arteriellen Implantatmaterialien berichtet. Ebenso wurde Gelatine kovalent an PEEK angekoppelt und mit Calciumphosphat mineralisiert, um so eine knochenähnliche Schicht zu bilden, die zu sehr guter Proliferation von Osteoblasten führte. Das Problem der Beschichtungen auf Basis von Gelatine ist, dass es sich bei Gelatine um ein tierisches Produkt handelt, welches eine Klasse III Zertifizierung nötig macht. Da Gelatine industriell aus Rinderknochen oder Schweinehaut gewonnen wird kann es aber religiöse Vorbehalte (Schwein) oder medizinische Vorbehalte (Rind, BSE) geben, die den Einsatz eines Gelatinebasierten Coatings beschränken können.Often collagen is replaced by cost and handling reasons by its denatured form gelatin. The preparation of the gelatin is usually done by physical and chemical degradation or thermal denaturation of native collagen. Unlike native collagen, gelatin is water-soluble at a physiological pH and melts at a sol-gel transition temperature of 25 to 30 ° C. After cooling, transparent gels are formed. The prior art also reports the non-covalent application of gelatin to surfaces of arterial implant materials. Similarly, gelatin was covalently coupled to PEEK and mineralized with calcium phosphate to form a bone-like layer that resulted in very good proliferation of osteoblasts. The problem with gelatin-based coatings is that gelatine is an animal product that requires Class III certification. However, as gelatin is industrially derived from bovine or porcine skin, there may be religious reservations (pigs) or medical reservations (beef, BSE) that may limit the use of gelatin-based coatings.

Auf dieser Grundlage liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Material für Knochenimplantate bereitzustellen, welches medizinisch unbedenklich, hochverträglich und vielseitig einsetzbar ist und zudem knochenähnliche Strukturen aufweist. Ferner soll ein entsprechendes Herstellungsverfahren bereitgestellt werden.On this basis, the present invention has the object to provide a material for bone implants, which is medically safe, highly tolerated and versatile and also has bone-like structures. Furthermore, a corresponding production method is to be provided.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung.The object is achieved by the features of the independent claims. Favorable embodiments and advantages of the invention will become apparent from the other claims and the description.

Insbesondere betrifft ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Material für ein Knochenimplantat, umfassend:

  1. (a) eine Trägerstruktur mit einer Oberfläche, die zumindest ein biokompatibles Material umfasst,
  2. (b) eine kovalent an diese Oberfläche gebundene Matrix und
  3. (c) in diese Matrix eingelagertes Calciumphosphat.
In particular, an article of the present invention relates to a material for a bone implant, comprising:
  1. (a) a support structure having a surface comprising at least one biocompatible material,
  2. (b) a matrix covalently bonded to this surface and
  3. (c) calcium phosphate incorporated into this matrix.

Es wird vorgeschlagen, dass die Matrix zumindest ein Polysaccharid aufweist.It is proposed that the matrix has at least one polysaccharide.

Die Begriffe „Material für Knochenimplantate“ und „Knochenimplantatmaterial“ werden hierin synonym gebraucht. Das erfindungsgemäße Material für Knochenimplantate weist bioaktive Eigenschaften auf. Der hierin verwendete Begriff „bioaktiv“ bezeichnet die Eigenschaft des erfindungsgemäßen Materials für Knochenimplantate, ein schnelles Einwachsen in das umgebende Gewebe zu ermöglichen und so für eine schnelle und langanhaltende Fixierung des Implantats im Körper zu sorgen. Diese Eigenschaft ergibt sich aus den in den vorstehenden Unterpunkten (a) bis (c) definierten technischen Merkmalen in Kombination mit dem kennzeichnenden Teil.The terms "material for bone implants" and "bone implant material" are used synonymously herein. The material for bone implants according to the invention has bioactive properties. As used herein, the term "bioactive" refers to the property of the bone implant material of the present invention to permit rapid ingrowth into the surrounding tissue to provide rapid and prolonged fixation of the implant in the body. This property results from the technical features defined in the above sub-items (a) to (c) in combination with the characterizing part.

Wenn in der Fachliteratur Knochenimplantate diskutiert werden, wird immer versucht, die Oberfläche des Implantates möglichst knochenähnlich zu gestalten. Dies kann im einfachsten Fall durch Plasmabeschichtung mit Hydroxyapatit geschehen. Es ist beispielsweise bekannt ein Gelatine/kollagenbasiertes kovalent angebundenes Coating einzusetzen, welches mit Calciumphosphat mineralisiert wird. Das ist die denkbar knochenähnlichste Beschichtung für Implantate. Damit kann man die Verbindung herstellen, die in der Biomineralisation (Knochen und Dentin in Zähnen) Kollagen bzw. Gelatine als abgebautes Kollagen eine Rolle für die Mineralisation spielt.Whenever bone implants are discussed in the specialist literature, it is always attempted to make the surface of the implant as bone-like as possible. This can be done in the simplest case by plasma coating with hydroxyapatite. It is known, for example, to use a gelatin / collagen-based covalently bound coating which is mineralized with calcium phosphate. This is the conceivable bone-like coating for implants. This can be used to create the compound that plays a role in mineralization in collagen biomineralization (bone and dentin in teeth) and gelatin as degraded collagen.

Polysaccharide hingegen werden im Zusammenhang mit der Biomineralisation von Calciumphosphat nicht diskutiert - wenn überhaupt nur als Glykoproteine. Polysaccharide spielen aber eine Rolle bei der Biomineralisation von Calciumcarbonat (Eierschalen - Keratansulfat, Coccolith Exoskelette etc.), aber selbst dort werden sie sehr wenig untersucht im Vergleich zu Proteinen, da Polysaccharide notorisch schwierig zu charakterisieren sind.In contrast, polysaccharides are not discussed in connection with the biomineralization of calcium phosphate - if at all only as glycoproteins. However, polysaccharides play a role in the biomineralization of calcium carbonate (egg shells - keratan sulfate, coccolith exoskeletons, etc.), but even there they are under-studied compared to proteins, as polysaccharides are notoriously difficult to characterize.

Der erfindungsgemäße Ansatz kann daher als Abkehr von bekannten Ansätzen angesehen werden. Es ist daher keinesfalls eine naheliegende Idee, beim Aufbau einer knochenähnlichen bioinspirierten Beschichtung für ein Implantat an Polysaccharide zu denken. Das naheliegende wäre, wie gesagt, Kollagen / Gelatine oder zumindest andere Proteine (hier insbesondere saure Proteine) zu verwenden. Es hat sich jedoch überraschenderweise gezeigt, dass Polysaccharide bei dieser Anwendung eine zielführende und vorteilhafte Alternative zu bekannten Substanzen, wie beispielsweise Kollagenen, darstellen.The approach according to the invention can therefore be regarded as a departure from known approaches. It is therefore by no means an obvious idea to think of building a bone-like bioinspired coating for an implant on polysaccharides. The obvious would be, as I said, collagen / gelatin or at least other proteins (here especially acidic proteins) to use. However, it has surprisingly been found that polysaccharides in this application represent a targeted and advantageous alternative to known substances, such as collagens.

In diesem Zusammenhang soll unter einer Trägerstruktur mindestens eine Materialschicht verstanden werden, welche aus dem biokompatiblen Material aufgebaut ist und welche mit der Matrix verbindbar ist bzw. kovalent verbunden werden kann. Die Trägerstruktur kann beispielsweise eine äußerste Schicht eines komplett aus dem biokompatiblen Material gefertigten, beispielsweise formgebende, Grundstruktur des Implantats sein. Oder sie kann auf eine Grundstruktur, gefertigt aus einem anderen Material, wie das biokompatible Material, aufgebracht werden. Ferner soll in diesem Zusammenhang unter biokompatibel, die Eigenschaft eines Materials oder Stoffs verstanden werden, in-vivo einsetzbar zu sein und hierbei wenige bis keine negativen Einflüsse auf den Patienten oder den Heilungsprozess zu haben oder ohne Folgeschäden einsetzbar zu sein.In this context, a support structure is to be understood as meaning at least one material layer, which is constructed from the biocompatible material and which can be connected to the matrix or can be covalently bonded. The carrier structure may be, for example, an outermost layer of a basic structure of the implant manufactured entirely from the biocompatible material, for example a shaping element. Or it can be applied to a basic structure made of another material, such as the biocompatible material. Furthermore, in this context biocompatible, the property of a material or substance to be understood to be used in vivo and thereby have little to no negative impact on the patient or the healing process or to be used without consequential damage.

Unter einer Matrix soll hier eine Struktur verstanden werden, die als Hauptbestandteil ein Polysaccharid aufweist, in das Calciumphosphat eingelagert ist. Hierbei kann das Polysaccharid jedes dem Fachmann für einsetzbar erachtete Polysaccharid sein. Ist das Polysaccharid ein tierisches Polysaccharid kann ein Stoff eingesetzt werden, dessen Eigenschaften hinlänglich bekannt und erprobt sind. Vorteilhafterweise ist das Polysaccharid ein pflanzliches Polysaccharid, wodurch ein veganer Stoff zum Einsatz kommen kann, der medizinisch unbedenklich ist. Generell ist es auch möglich „künstliche“ oder nicht in der Natur vorkommende Polysaccharide einzusetzen. Oder es ist möglich Mischungen an Polysacchariden zu verwenden. Diese können gezielt im Labor hergestellt werden. Solche Polysaccharide können durch ihre frei gestaltete Beschichtungschemie sehr flexibel ausgewählt und eingesetzt werden.A matrix is to be understood here as meaning a structure which has as its main constituent a polysaccharide in which calcium phosphate is incorporated. In this case, the polysaccharide can be any polysaccharide which can be used by the person skilled in the art. If the polysaccharide is an animal polysaccharide, a substance can be used whose properties are well known and tested. Advantageously, the polysaccharide is a vegetable polysaccharide, whereby a vegan substance can be used, which is medically safe. In general, it is also possible to use "artificial" or non-naturally occurring polysaccharides. Or it is possible to use mixtures of polysaccharides. These can be produced specifically in the laboratory. Such polysaccharides can be selected and used very flexibly by their freely designed coating chemistry.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Polysaccharid ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Alginsäure, Alginat, Hyaluronsäure, Hyaluronat, Pektin, Carrageenan, Agarose, Amylose und Chitosan. Hierdurch können viele verschiedene Stoffe zum Einsatz kommen, die individuell, bedingt durch ihre speziellen Eigenschaften, ausgewählt werden können.In a preferred embodiment, the polysaccharide is selected from a group consisting of alginic acid, alginate, hyaluronic acid, hyaluronate, pectin, carrageenan, agarose, amylose and chitosan. As a result, many different substances can be used, which can be selected individually, due to their special properties.

Hyaluronsäure (Hya) ist ein lineares Polysaccharid, das aus Disaccharid-Wiederholeinheiten aufgebaut ist. Diese setzen sich aus D-Glucuronsäure und N-Acetyl-Glucosamin zusammen, die über β-1,4 und β-1,3 glycosidische Bindungen verknüpft sind (siehe unten).Hyaluronic acid (Hya) is a linear polysaccharide composed of disaccharide repeating units. These are composed of D-glucuronic acid and N-acetyl-glucosamine, which are linked by β-1,4 and β-1,3 glycosidic bonds (see below).

In physiologischer Umgebung liegen die Carboxylgruppen der Hyaluronsäure zum großen Teil als Natriumsalz vor, sie ist somit negativ geladen und immobilisiert eine Vielzahl von Wassermolekülen, bereits bei sehr geringen Konzentrationen ist eine wässrige Lösung deshalb sehr viskos. Hya wird in der Medizin- und Gesundheitsindustrie vielseitig eingesetzt. Da Hyaluronsäure als weitreichend biokompatibel und sicher gilt, ergeben sich sehr viele Einsatzgebiete. Dies macht sie auch sehr interessant als Ausgangsmaterial für die Oberflächenbeschichtung von Knochenimplantaten.In a physiological environment, the carboxyl groups of hyaluronic acid are to a large extent present as the sodium salt, thus it is negatively charged and immobilizes a large number of water molecules; even at very low concentrations, an aqueous solution is therefore very viscous. Hya is used in many ways in the medical and healthcare industry. Since hyaluronic acid is widely biocompatible and safe, there are many fields of application. This makes them very interesting as a starting material for the surface coating of bone implants.

In der Vergangenheit wurde Hyaluronsäure hauptsächlich aus Hühnerkämmen, die bei der Nahrungsmittelproduktion als Abfall anfallen, extrahiert. Inzwischen erfolgt die Produktion jedoch biotechnologisch durch Kultivierung gentechnisch veränderter Streptokokken-Bakterien, wodurch das Risiko für die Kontamination mit tierischen Pathogenen entfällt.In the past, hyaluronic acid was extracted mainly from chicken combs that are produced as waste in food production. However, in the meantime, biotechnological production is done by cultivating genetically modified streptococcus bacteria, eliminating the risk of contamination with animal pathogens.

Bei der Alginsäure handelt es sich um ein Copolymer aus den beiden Uronsäuren D-Mannuronsäure (M) und L-Guluronsäure (G). Alginsäure kann aus Pflanzen, bzw. Algen gewonnen werden, weshalb ihre Zusammensetzung und die Sequenzverteilung der Zuckereinheiten stark vom Herkunftsort der Pflanze/Alge und deren Spezies abhängt. Die G und M sind jeweils über β-1,4 glycosidische Bindungen verknüpft. Die guten Geliereigenschaften verdankt Alginsäure den G-Blöcken, die die Calciumionen komplexieren. Da die Alginsäure aus natürlichen Quellen stammt, muss sichergestellt werden, dass potentielle Verunreinigungen, wie Schwermetalle, Endotoxine, Proteine, etc. entfernt wurden, sonst können durchaus Immunreaktionen auftreten. Sofern sie ausreichend aufgereinigt wurde, verursacht Alginsäure, wie auch Hyaluronsäure, keine Immun- oder Entzündungsreaktion im Körper, hat also eine gute Biokompatibilität.Alginic acid is a copolymer of the two uronic acids D-mannuronic acid (M) and L-guluronic acid (G). Alginic acid can be obtained from plants or algae, which is why their composition and the sequence distribution of the sugar units depend strongly on the place of origin of the plant / alga and their species. The G and M are each linked via β-1,4 glycosidic bonds. The good gelling properties of alginic acid are due to the G blocks that complex the calcium ions. Since alginic acid comes from natural sources, it must be ensured that potential contaminants such as heavy metals, endotoxins, proteins, etc. have been removed, otherwise immune reactions can occur. Provided that it has been sufficiently purified, alginic acid, like hyaluronic acid, does not cause an immune or inflammatory reaction in the body, so it has good biocompatibility.

Im Gegensatz zu Hyaluronsäure ist Alginsäure im menschlichen Körper nicht abbaubar, da keine Alginase vorhanden ist. Wegen der guten Biokompatibilität wird Alginsäure in zahlreichen biomedizinischen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Wundauflagen und kommt, wenn RGD-Peptid-modifiziert, auch in Betracht als Knochenimplantatmaterial verwendet zu werden. Wird Alginsäure in Kombination mit Hydroxylapatit verwendet, kann die Bildung von Knochengewebe zusätzlich angeregt werden.Unlike hyaluronic acid, alginic acid is not degradable in the human body as there is no alginase. Because of its good biocompatibility, alginic acid is used in numerous biomedical applications, for example in wound dressings and, when RGD-peptide modified, also comes to be used as a bone graft material. If alginic acid is used in combination with hydroxyapatite, the formation of bone tissue can be additionally stimulated.

Ferner können langkettige Polysaccharide, aber auch verzweigte Polysaccharide, wie beispielsweise Stärke, eingesetzt werden. Somit hat die Matrix eine eher drei-dimensionale Struktur, die der Zielknochenstruktur ähnlich ist, wodurch die Mineralisierung erleichtert werden kann. Furthermore, long-chain polysaccharides, but also branched polysaccharides, such as starch, can be used. Thus, the matrix has a more three-dimensional structure that is similar to the target bone structure, which can facilitate mineralization.

Eine Möglichkeit, der Beschichtung / Oberflächenveredelung zusätzlich zur Knochen-identischen Mineralisierung(sfähigkeit) keimabweisende Eigenschaften hinzuzufügen, ist der Einsatz von Chitosan, einem linearen Biopolymer auf Polysaccharidbasis: Mit Chitosan kann auch die hämostatische Wirksamkeit und die antimikrobiellen Eigenschaften des Materials genutzt werden. Chitosan werden folgende Materialeigenschaften ebenfalls zugesprochen nicht-allergen, nicht-toxisch, wundheilend, antibakteriell, blutstillend, bakteriostatisch, fungizide Wirkung, (biologisch abbaubar) und anti-mikrobiell.One way to add anti-bacterial properties to the coating / surface finish in addition to bone-identical mineralization (absorbency) is the use of chitosan, a linear polysaccharide-based biopolymer: chitosan may also utilize the material's hemostatic efficacy and antimicrobial properties. Chitosan also has the following material properties: non-allergenic, non-toxic, wound-healing, antibacterial, hemostatic, bacteriostatic, fungicidal, (biodegradable) and anti-microbial.

Bindet man über die in den meisten Polysacchariden vorhandene Hydroxylgruppe in 6-er Stellung das Polysaccharid über eine Esterbindung an das Implantat an mit Linkern, wie Bernsteinsäureanhydrid, oder direkt an polyacrylsäurebeschichtetes PEEK über Esterbindung (gegebenenfalls mit Aktivierungschemie über 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid (EDC) oder ähnliche), dann steht das gesamte Repertoire an Polysacchariden für die kovalente Bindung an das Implantat zur Verfügung. Damit ergibt sich die Möglichkeit auch Mischungen von Polysacchariden oder von Polysacchariden mit synthetischen Polymeren zu verwenden. Damit wird eine völlig freie Komposition der Beschichtung verfügbar. Diese kann von negativ geladenen Polysacchariden, wie Hyaluronsäure, über neutrale, wie Amylose, bis zu positiv geladenen, wie Chitosan, reichen. Damit kann das komplette Spektrum an Ladungsdichten von neutral bis zu stark negativ oder positiv abgedeckt werden. Dies hat natürlich auch Einfluss auf die Struktur der kovalent an das Implantat angebundenen Beschichtung sowie die Mineralisierung des Calciumphosphats. Die Mischung der angebundenen Polymere kann dabei stufenlos variiert werden und somit auch die Eigenschaftsprofile.When the 6-position hydroxyl group present in most polysaccharides is attached to the implant via an ester linkage with linkers such as succinic anhydride or directly to polyacrylic acid-coated PEEK via ester linkage (optionally with activation chemistry via 1-ethyl-3- (3 -dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC) or the like), then the entire repertoire of polysaccharides is available for covalent attachment to the implant. This results in the possibility of using mixtures of polysaccharides or of polysaccharides with synthetic polymers. This will make a completely free composition of the coating available. This can range from negatively charged polysaccharides such as hyaluronic acid, via neutral ones such as amylose, to positively charged ones such as chitosan. Thus, the complete spectrum of charge densities can be covered from neutral to strongly negative or positive. Of course, this also affects the structure of the coating covalently attached to the implant and the mineralization of the calcium phosphate. The mixture of the bound polymers can be varied steplessly and thus also the property profiles.

Weiterhin kann bei derartigen Mischungen auch die Struktur des Coatings gezielt eingestellt werden, da beispielsweise lineare mit verzweigten Polysacchariden kombiniert werden können. Beispielsweise kann das verzweigte Amylopektin aus pflanzlicher Stärke mit der linearen Amylose kombiniert werden. Chemisch sind beide Moleküle identisch, aber nicht strukturell.Furthermore, in such mixtures, the structure of the coating can be adjusted specifically, since, for example, linear can be combined with branched polysaccharides. For example, the branched amylopectin of plant starch may be combined with the linear amylose. Chemically, both molecules are identical but not structural.

Ein vielversprechendes Paar für chemisch unterschiedliche Polysaccharide wäre beispielsweise die neutrale Amylose mit dem negativ geladenen Alginat zu koppeln, welches zusätzlich noch über Zugabe von Ca2+ Ionen quervernetzt werden kann. Über diese Quervernetzung können dann nachträglich auch noch weitere Schichten Alginat angebunden werden über einfache Imprägnierung der Schicht mit Ca2+, Waschen und Aufbringen der nächsten Alginatschicht (Layer by Layer Assembly, LBL). Eine extreme Kombination wäre die negative Alginsäure mit dem positiven Chitosan. Diese ionisch stabilisierten „Layer by Layer Assemblies“ können durch geeignete Vernetzungschemie kovalent verbunden werden (mittels EDC o.ä.). Dazwischen sind stufenlos alle Kombinationen von Polysacchariden über eine gemeinsame chemische Anbindung über Esterbindungen verfügbar.A promising pair for chemically different polysaccharides would be, for example, to couple the neutral amylose with the negatively charged alginate, which can additionally be cross-linked by the addition of Ca 2+ ions. Subsequent to this crosslinking, even further layers of alginate can be subsequently connected via simple impregnation of the layer with Ca 2+ , washing and application of the next alginate layer (layer by layer assembly, LBL). An extreme combination would be the negative alginic acid with the positive chitosan. These ionically stabilized "layer-by-layer assemblies" can be covalently bonded by suitable crosslinking chemistry (by means of EDC or the like). In between, all combinations of polysaccharides are continuously available via a common chemical bond via ester bonds.

Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn das Polysaccharid ein chemisch modifiziertes Polysaccharid ist. Hierbei soll chemisch modifiziert bedeuten, dass am Polysaccharid künstliche, laborchemische Veränderung eines Zuckers des Polysaccharids beispielsweise an einer freien Gruppe, z.B. Hydroxyl-, Aldehyd oder Säuregruppe, vorgenommen wurden. Hierüber kann das Einsatzspektrum erweitert werden. Beispielsweise können inaktive Gruppen gezielt in aktive Gruppen „umgewandelt werden“ oder es kann eine unerwünschte Eigenschaft eliminiert werden. Hierbei kann beispielsweise eine Behandlung mit Hexamethylendiamin (HMDA) oder Adipinsäuredihydrazid (ADH) erfolgen oder eine Deacetylierung. HMDA und ADH sind beides Diamid Linker. Da ADH eine geringere Basizität als HMDA zeigt, ist die Kupplung bereits im sauren pH-Bereich von 4,8 möglich. Beide Linker adressieren also eine Kupplungschemie in verschiedenen pH Bereichen. Je nach der Anforderung für die Anbindung des Polysaccharids kann also ein verschiedener Linker nötig sein. Bei einer Deacetylierung kann das Polysaccharid hydrolyseresistent gemacht werden.In addition, it may be advantageous if the polysaccharide is a chemically modified polysaccharide. Here, chemically modified is intended to mean that on the polysaccharide artificial, chemical modification of a polysaccharide sugar, for example on a free group, e.g. Hydroxyl, aldehyde or acid group were made. This can be used to expand the range of applications. For example, inactive groups can be intentionally "transformed" into active groups, or an undesirable property can be eliminated. In this case, for example, a treatment with hexamethylenediamine (HMDA) or adipic dihydrazide (ADH) or a deacetylation. HMDA and ADH are both diamide linkers. Since ADH shows a lower basicity than HMDA, the coupling is possible even in the acidic pH range of 4.8. Both linkers thus address a coupling chemistry in different pH ranges. Depending on the requirement for the connection of the polysaccharide so a different linker may be necessary. Upon deacetylation, the polysaccharide can be rendered hydrolysis resistant.

Besteht das biokompatible Material lediglich aus einer oder wenigen Schichten kann das erfindungsgemäße Material für Knochenimplantate auf feste Materialien oder Körper (Grundstruktur) aufgebracht werden, welche als Knochenimplantat Verwendung finden. Diese Körper können jede beliebige gewünschte oder erforderliche dreidimensionale Gestalt aufweisen. Bevorzugt umfasst die gesamte Oberfläche des erfindungsgemäßen Materials für Knochenimplantate das im vorstehenden Unterpunkt (a) definierte Material oder besteht aus diesem. Geeignete Materialien, auf welche das erfindungsgemäße Material aufgebracht werden kann, können hierbei aus im Stand der Technik bekannten Keramikmaterialien, Metallen, Polymeren, Kompositmaterialien oder Kombinationen davon ausgewählt sein. Dies wären beispielsweise als Metalle: Titan / Stainless Steel, als Keramiken: Zirkon(-dioxid), als Polymer: Polyetherketon (PEK) und die gesamte PEK-Familie, insbesondere jedoch: Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketonketon (PEKK), Polyetherketonetherketonketon (PEKEKK); Carbon-Fiber-Reinforced PEEK (CFR-PEEK), PEEK-COMPOSITE, Glasfaserverstärkte Polymere, Polyethylen (PE), Ultra-High-Molecular-Weight Polyethylen (UHMWPE), Polyorthoester, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyethylenterephthalat(PET) oder Polyamide(PA). In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Material PEEK. Dieses Material ist mechanisch nativem Knochenmaterial sehr ähnlich und so als Knochenimplantatmaterial gut geeignet.If the biocompatible material consists of only one or a few layers, the material according to the invention for bone implants can be applied to solid materials or bodies (basic structure) which are used as a bone implant. These bodies may have any desired or required three-dimensional shape. Preferably, the entire surface of the material according to the invention for bone implants comprises or consists of the material defined in sub-item (a) above. Suitable materials to which the material of the present invention may be applied may be selected from ceramics known in the art, metals, polymers, composites or combinations thereof. These would be, for example, as metals: titanium / stainless steel, as ceramics: zirconium (dioxide), as polymer: polyether ketone (PEK) and the entire PEK family, but in particular: polyetheretherketone (PEEK), polyetherketone ketone (PEKK), polyetherketone ether ketone ketone (PEKEKK); Carbon Fiber Reinforced PEEK (CFR-PEEK), PEEK COMPOSITE, Glass Fiber Reinforced Polymer, Polyethylene (PE), Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE), Polyorthoester, Polymethylmethacrylate (PMMA), Polyethylene Terephthalate (PET) or Polyamides ( PA). In a preferred embodiment, the material is PEEK. This material is very similar to mechanically native bone material and thus well suited as a bone graft material.

Polyetheretherketon (PEEK) mit folgendem Strukturausschnitt

Figure DE102016122837A1_0002
ist ein sehr weit verbreiteter thermoplastischer High-Performance Kunststoff. Der semikristalline Kunststoff ist wegen seiner hohen Lösungsmittelbeständigkeit, dem hohen Schmelzpunkt von 343 °C und dem hohen Glasübergangspunkt von ca. 143 °C sehr beliebt für Anwendungen bei höheren Temperaturen.Polyetheretherketone (PEEK) with the following structural detail
Figure DE102016122837A1_0002
is a very widespread thermoplastic high-performance plastic. Due to its high solvent resistance, the high melting point of 343 ° C and the high glass transition point of approx. 143 ° C, semicrystalline plastic is very popular for applications at higher temperatures.

Seit 1998 ist PEEK in implantierbarer Qualität auf dem Markt verfügbar. Seitdem hat sich der Marktanteil von PEEK als Implantatmaterial stark erhöht. PEEK wird in der Medizintechnik vielseitig als Knochenersatzmaterial und Implantat eingesetzt, beispielsweise als Fusion-Cage zur Wirbelsäulenversteifung bei Bandscheibenverletzungen. Da PEEK für Röntgenstrahlung durchlässig ist und auch nicht mit Magnetfeldern wechselwirkt, lässt sich der Patient nach einer Operation problemlos mit bildgebenden Verfahren beobachten, um den Heilungsprozess im betroffenen Areal zu verfolgen. Die guten mechanischen Eigenschaften von PEEK, die denen der Kortikalis (Cortical Bone) sehr ähnlich sind, qualifizieren PEEK als ein gut geeignetes Material für den Einsatz als Knochenersatzmaterial und Implantate.Since 1998, PEEK has been available in implantable quality on the market. Since then, the market share of PEEK as implant material has greatly increased. PEEK is widely used in medical technology as a bone substitute material and implant, for example as a fusion cage for spinal fusion in intervertebral disc injuries. Since PEEK is permeable to X-ray radiation and does not interact with magnetic fields, the patient can be easily observed after surgery with imaging techniques to track the healing process in the affected area. The good mechanical properties of PEEK, which are very similar to those of the cortical bone (cortical bone) qualify PEEK as a well-suited material for use as bone substitute material and implants.

PEEK zählt zu den Materialien die sich fast komplett bioinert verhalten, also keine spezifische Interaktion mit dem Körper eingehen. PEEK wird vom Körper weder abgestoßen noch gut in den Knochen integriert, es kommt deshalb im Idealfall zu einem guten Kontakt des Knochens mit dem Implantat. Teilweise kommt es zur Gewebeeinkapselung, wodurch die mechanische Stabilität verringert wird und es zum Verlust des Implantats kommen kann. Damit PEEK besser in den Knochen integriert wird, sind einige Methoden entwickelt worden, um eine Bioaktivität des Materials zu erreichen, wie beispielsweise die Beschichtung mit Calciumphosphat und auch die Zugabe von Hydroxylapatit-Partikeln in das Polymer. Andere Methoden der Oberflächenmodifikation von PEEK sind möglich und sind beispielsweise wie in den folgenden Abschnitten beschrieben.PEEK is one of the materials that almost completely bioinert behave, so do not enter into any specific interaction with the body. PEEK is neither rejected by the body nor integrated well into the bone, so ideally the bone is in good contact with the implant. Partial tissue encapsulation occurs, which reduces mechanical stability and may result in loss of the implant. To better integrate PEEK into the bone, some methods have been developed to achieve bioactivity of the material, such as calcium phosphate coating and also the addition of hydroxyapatite particles to the polymer. Other methods of surface modification of PEEK are possible and are for example as described in the following sections.

Um die Oberflächeneigenschaften eines Knochenimplantates dahingehend zu verbessern, dass es vom Körper besser akzeptiert wird, ist es möglich, sie nach der Herstellung des Implantats zu modifizieren. Oberflächenmodifikationen können physikalischer, wie beispielsweise die Beschichtung mit Hydroxylapatit (HA) und Titan, oder chemischer Natur sein.In order to improve the surface properties of a bone implant so that it is better accepted by the body, it is possible to modify it after the implant has been manufactured. Surface modifications may be more physical, such as coating with hydroxyapatite (HA) and titanium, or chemical nature.

Um ein Kunststoffsubstrat, wie PEEK, chemisch zu modifizieren gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten. Die eine Methode ist die direkte Reaktion mit kleinen Molekülen oder eine Plasmabehandlung um die Oberflächeneigenschaften zu verändern und um beispielsweise Linkermoleküle einzuführen, an denen man weitere Reaktionen durchführen kann. Die Konzentration der Linkermoleküle pro Fläche ist hierbei natürlich sehr klein, da die Oberfläche einer makroskopischen PEEK-Folie glatt ist und nur das Material direkt an der Oberfläche zugänglich ist. Bei Polymersubstraten, die in der Festphasensynthese eingesetzt werden, verhält sich dies anders. Diese verfügen über ein gutes Quellverhalten in geeigneten Lösungsmitteln, wodurch im kompletten Volumen des Polymerkörpers Linker eingeführt werden können. Dieses Verhalten ist natürlich bei Kunstoffen, wie PEEK, für Knochenimplantate nicht gewünscht, da sich die Modifikation nur auf die Oberfläche beschränken soll, um die Volumeneigenschaften, wie Härte oder mechanische Stabilität, nicht zu beeinträchtigen.To chemically modify a plastic substrate, such as PEEK, there are basically two options. One method is the direct reaction with small molecules or a plasma treatment to change the surface properties and to introduce, for example, linker molecules, on which one can carry out further reactions. Of course, the concentration of linker molecules per surface is very small here, since the surface of a macroscopic PEEK film is smooth and only the material is directly accessible on the surface. For polymer substrates used in solid phase synthesis, this is different. These have a good swelling behavior in suitable solvents, which can be introduced in the entire volume of the polymer body linker. This behavior is of course not desirable for plastic implants, such as PEEK, for bone implants, since the modification should only be limited to the surface in order not to impair the volume properties, such as hardness or mechanical stability.

Um dennoch viele funktionelle Gruppen an der Oberfläche einzuführen, kann das Polymersubstrat mit einem funktionellen Polymer beschichtet werden. Dabei wird in Abhängigkeit des Molekulargewichts des eingeführten Polymers, im Vergleich zur Modifikation mit kleinen Molekülen, ein Vielfaches an funktionellen Gruppen eingeführt.However, to introduce many functional groups on the surface, the polymer substrate can be coated with a functional polymer. In this case, a multiple of functional groups is introduced, depending on the molecular weight of the introduced polymer, compared to the modification with small molecules.

Zwei Methoden werden hierbei unterschieden. Man spricht von der Grafting-from Methode wenn von der Oberfläche des Substrats aus eine Polymerkette initiiert wird und zunehmend wächst. Bei dieser Variante muss das Substrat dazu in der Lage sein z.B. als Initiatorradikal einer radikalischen Polymerisation zu fungieren, bzw. muss man es über ein Aktivatorreagenz dazu bringen können. Bei der Grafting-from Strategie erreicht man eine höhere Funktionalisierungsdichte, da die Polymerketten sukzessive wachsen und nicht als fertiges Polymer aufgebracht werden. Der umgekehrte Ansatz, das Grafting-to, geht von einem fertigen Polymer aus, das mit einem geeigneten Mechanismus an die Oberfläche aufgepfropft wird. Ein Nachteil dieser Methode ist, dass beim Aufpfropfen fertiger Polymere, benachbarte potentielle Bindungsstellen durch die Makromoleküle stark blockiert werden, dies geschieht beim Grafting-from Ansatz nicht. Eine Kontrolle über die Polymer-Länge und Molekulargewichtsverteilung der aufgebrachten Polymere ist wiederrum nur beim grafting-to Ansatz zu erreichen. Two methods are distinguished. One speaks of the grafting-from method when a polymer chain is initiated from the surface of the substrate and grows increasingly. In this variant, the substrate must be able to act, for example, as the initiator radical of a radical polymerization, or it must be able to be brought to it via an activator reagent. The grafting-from strategy achieves a higher density of functionalization, since the polymer chains grow successively and are not applied as a finished polymer. The reverse approach, grafting-to, is based on a finished polymer grafted to the surface with a suitable mechanism. A disadvantage of this method is that when grafting finished polymers, adjacent potential binding sites are strongly blocked by the macromolecules, this does not happen in the grafting-from approach. In contrast, control over the polymer length and molecular weight distribution of the applied polymers can only be achieved with the grafting-to approach.

Die direkte Modifikation mit kleinen Molekülen bzw. die Reduktion der Oberflächen-Carbonylgruppen des PEEK ist durch Reduktion mittels Natriumborhydrid in Dimethylsulfoxid (DMSO) bei 120 °C und Ankuppeln von primären Aminen möglich (siehe unten und C. Henneuse; B. Goret; J. Marchand-Brynaert, Polymer 1998, 39, 835-844 und C. Henneuse-Boxus; E. Duliere; J. Marchand-Brynaert, European Polymer Journal 2001, 37, 9-18) .The direct modification with small molecules or the reduction of the surface carbonyl groups of PEEK is possible by reduction with sodium borohydride in dimethylsulfoxide (DMSO) at 120 ° C and coupling of primary amines (see below and C. Henneuse; Goret; J. Marchand-Brynaert, Polymer 1998, 39, 835-844 and C. Henneuse-Boxus; E. Duliere; J. Marchand-Brynaert, European Polymer Journal 2001, 37, 9-18) ,

Es ist bekannt an die reduzierte PEEK-Oberfläche verschiedene Moleküle, unter anderem Gelatine, zu kuppeln, wodurch die Hydrophilie erhöht und eine höhere Akzeptanz knochenbildender Zellen erreicht werden konnte. Der Kontaktwinkel der beschichteten Substrate nahm ebenfalls signifikant ab, wodurch die Hydrophilie der Oberfläche und somit die Akzeptanz für knochenbildende Zellen gesteigert werden konnte ( siehe J. Knaus, Master Thesis 2013 Universität Konstanz und H. Cölfen; L. F. Tian; J. Knaus, 2016 ).It is known to couple various molecules, including gelatin, to the reduced PEEK surface, thereby increasing hydrophilicity and achieving higher acceptance of bone-forming cells. The contact angle of the coated substrates also decreased significantly, whereby the hydrophilicity of the surface and thus the acceptance of bone-forming cells could be increased ( see J. Knaus, Master Thesis 2013 University of Konstanz and H. Cölfen; Tian Tian; J. Knaus, 2016 ).

Als Grafting-from Ansatz kann beispielsweise eine oberflächeninduzierte Polymerisation in Betracht kommen. Durch Oberflächenmodifikation mittels kleiner Moleküle lassen sich bei einer Vielzahl organischer Polymere Linker einführen, wodurch weitere Modifikationen an der Oberfläche durchgeführt werden können. Es ist beispielsweise gelungen auf der Oberfläche von PEEK mittels nasschemischer Modifikation OH Gruppen einzuführen an die mittels Acrylsäurederivaten wiederum ATRP Initiatoren angekuppelt wurden (siehe B. Yameen; M. Alvarez; O. Azzaroni; U. Jonas; W. Knoll, Langmuir 2009, 25, 6214-6220 ).As a grafting-from approach, for example, a surface-induced polymerization can be considered. By surface modification by means of small molecules can be introduced in a variety of organic polymers linker, which can be carried out further modifications to the surface. For example, it has been possible to introduce OH groups onto the surface of PEEK by wet-chemical modification, to which ATRP initiators have been coupled by means of acrylic acid derivatives (see US Pat Yameen; M. Alvarez; O. Azzaroni; U. Jonas; W. Knoll, Langmuir 2009, 25, 6214-6220 ).

Ferner kommt eine UV-indizierte Polymerisation (UV: Ultraviolett) in Betracht. Anstatt einen Radikalstarter oder andere Initiatoren auf die Oberfläche aufzubringen ist es je nach Substrat möglich, Radikale direkt auf der Oberfläche zu erzeugen. Dies lässt sich z.B. durch Hilfsreagenzien, wie Benzophenon (BP), Benzoylbenzoesäure oder andere Photoinitiatoren, erreichen, die bei UV Anregung Wasserstoffatome von geeigneten Polymeren abstrahieren und dadurch Radikale auf der Polymeroberfläche erzeugen, die einen Kettenstart initiieren können. Polymere, wie PET, bilden nach Argonplasma-Behandlung an Luft Hydroxyl- und Peroxidgruppen an der Oberfläche aus. Diese können unter Anregung mit UV Licht ebenfalls als Radikalstarter dienen. Mit Polyethylen wurde dies unter ähnlichen Bedingungen ebenfalls durchgeführt.Furthermore, a UV-indexed polymerization (UV: ultraviolet) into consideration. Instead of applying a radical initiator or other initiators to the surface, depending on the substrate, it is possible to generate radicals directly on the surface. This can be e.g. by auxiliary reagents, such as benzophenone (BP), benzoylbenzoic acid or other photoinitiators, which, upon UV excitation, abstract hydrogen atoms from suitable polymers and thereby generate radicals on the polymer surface which can initiate chain initiation. Polymers, such as PET, form hydroxyl and peroxide groups on the surface after argon plasma treatment in air. These can also serve as free-radical initiators upon excitation with UV light. With polyethylene, this was also done under similar conditions.

Für den Photoinitiator BP ist bekannt, dass er unter UV-Einwirkung eine Photopinakolreaktion eingeht. Dies resultiert in der Bildung eines Semibenzopinakolradikals, welches als Initiator in Polymerisationen dienen kann. Durch photoinduzierte Spaltung können aus dem angeregten Molekül ebenfalls Radikale entstehen, die Polymerisationen starten. Das Polymer Polyetheretherketon (PEEK) besitzt im Polymerrückgrat BP Einheiten, die sich ähnlich verhalten (siehe auch M. Kyomoto; K. Ishihara, Acs Applied Materials & Interfaces 2009, 1, 537-542). So wurde 2009 von Kyomoto nachgewiesen, dass sich die Oberfläche von unbehandeltem PEEK unter UV Einwirkung dazu eignet, radikalische Polymerisationen verschiedener Acrylsäurederivate zu initiieren. Hierbei handelt es sich, um einen gemischten Grafting-from und Grafting-to Mechanismus, da sowohl wachsende Polymerketten an der Oberfläche gestartet werden, als auch wachsende Polymerketten in Lösung an der Oberfläche terminieren. Auf seiner Arbeit aufbauend, führten weitere Gruppen selbstinitiierende Polymerisationen unter UV Anregung durch, unter anderem mit Acrylsäure. Der direkte Nachweis der Ketylradikale gelang Kyomoto 2013 durch in-situ ESR Spektroskopie.The photoinitiator BP is known to undergo a photopinacol reaction upon UV exposure. This results in the formation of a semibenzopinacol radical which can serve as an initiator in polymerizations. Photoinduced cleavage can also generate radicals from the excited molecule that initiate polymerizations. The polymer polyetheretherketone (PEEK) has units in the polymer backbone that behave similarly (see also M. Kyomoto, K. Ishihara, Acs Applied Materials & Interfaces 2009, 1, 537-542). In 2009, Kyomoto demonstrated that the surface of untreated PEEK under UV action is capable of initiating radical polymerizations of various acrylic acid derivatives. This involves a mixed grafting-from and grafting-to mechanism as both growing polymer chains are started on the surface and growing polymer chains terminate in solution at the surface. Building on its work, other groups have self-initiated polymerizations under UV excitation, including acrylic acid. The Kyomoto 2013 direct detection of ketyl radicals was achieved by in situ ESR spectroscopy.

Die kovalent gebundene Matrix weist typischerweise eine Schichtdicke von 100 bis 150 Nanometer (nm) auf, kann aber auch dicker sein oder dünner sein. Insbesondere kann die kovalent gebundene Matrix eine Schichtdicke von 1 nm bis 10 Mikrometer (µm), bevorzugt von 10 nm bis 1 µm, mehr bevorzugt von 20 nm bis 500 nm, mehr bevorzugt von 30 nm bis 300 nm, mehr bevorzugt von 50 nm bis 200 nm und am meisten bevorzugt von 100 bis 150 nm aufweisen. Weiter bedeckt die kovalent gebundene Matrix bevorzugt die gesamte Oberfläche des erfindungsgemäßen Materials für Knochenimplantate.The covalently bonded matrix typically has a layer thickness of 100 to 150 nanometers (nm), but may be thicker or thinner. In particular, the covalently bonded matrix may have a layer thickness of 1 nm to 10 microns (μm), preferably from 10 nm to 1 μm, more preferably from 20 nm to 500 nm, more preferably from 30 nm to 300 nm, more preferably from 50 nm 200 nm, and most preferably from 100 to 150 nm. Further, the covalently bonded matrix preferably covers the entire surface of the bone implant material of the present invention.

Eine interessante Variante der Grafting-to Methode ist das Einfangen von wachsenden radikalischen Polymerketten durch immobilisierte Radikalfänger auf der Oberfläche des Substrats (siehe auch P. Yang; J. Y. Xie; J. Yuan; L. Zhang; W. N. Liu; W. T. Yang, Journal of Polymer Science Part a-Polymer Chemistry 2007, 45, 745-755 ). Von Yang et al. wurde gezeigt, dass es möglich ist den Polymerisationsinhibitor Hydrochinon zu nutzen um Polymere nach dem Grafting-to Ansatz auf ein Substrat aufzubringen. An interesting variant of the grafting-to method is the trapping of growing radical polymer chains by immobilized radical scavengers on the surface of the substrate (see also P. Yang, JY Xie, J. Yuan, L. Zhang, WN Liu; WT Yang, Journal of Polymer Science Part a-Polymer Chemistry 2007, 45, 745-755 ). By Yang et al. It has been shown that it is possible to use the polymerization inhibitor hydroquinone to apply polymers on a substrate after the grafting-to approach.

Dabei wurde ein Hydrochinon-Derivat an die Oberfläche gekuppelt und eine normale radikalische Polymerisation mit einem thermischen Radikalinitiator durchgeführt. Das immobilisierte Hydrochinon quenched die wachsende Polymerkette durch homolytische Spaltung der OH Bindung, es kommt zum Kettenabbruch. Das langlebige Aryloxylradikal ist nicht in der Lage eine radikalische Polymerisation mit den vorhandenen Monomeren zu starten, kann aber mit einem wachsenden Polymerradikal rekombinieren und somit das Polymer an der Oberfläche einfangen.In this case, a hydroquinone derivative was coupled to the surface and carried out a normal free-radical polymerization with a thermal radical initiator. The immobilized hydroquinone quenched the growing polymer chain by homolytic cleavage of the OH bond, it comes to chain termination. The long-lived aryloxyl radical is unable to initiate radical polymerization with the monomers present, but can recombine with a growing polymer radical, capturing the polymer at the surface.

Schließlich umfasst das erfindungsgemäße Material für Knochenimplantate in die genannte Matrix eingelagertes Calciumphosphat, bevorzugt Calciumorthophosphat in allen mineralischen Formen, besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus amorphem Calciumorthophosphat (ACP), Dicalciumphophat-Dihydrat (DCPD; Brushit), Octacalciumphosphat und Hydroxylapatit, auch mit partieller Fluorid-, Chlorid- oder Carbonatsubstitution, wobei ACP, Hydroxylapatit und Octacalciumphosphat besonders bevorzugt sind. Verfahren zum Einlagern der genannten Calciumphosphate in eine entsprechende Matrix sind nachfolgend beschrieben.Finally, the bone implant material of the present invention includes calcium phosphate incorporated into said matrix, preferably calcium orthophosphate in all mineral forms, more preferably selected from the group consisting of amorphous calcium orthophosphate (ACP), dicalcium phosphate dihydrate (DCPD), octacalcium phosphate, and hydroxyapatite with partial fluoride, chloride or carbonate substitution, with ACP, hydroxyapatite and octacalcium phosphate being particularly preferred. Methods for incorporating said calcium phosphates into a corresponding matrix are described below.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Polysaccharid über einen Linker an das biokompatible Material gebunden, wobei der Linker ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus: einem Diamin-Linker oder Diamin Linker in Kombination mit einem Bernsteinsäurelinker oder einem (UV-gegrafteten) Polyacrylsäure-Linker. Entsprechende Linker sind im Stand der Technik bekannt. Verfahren für die kovalente Bindung von Polysacchariden an beispielsweise PEEK sind nachfolgend beschrieben.In a preferred embodiment, the polysaccharide is attached to the biocompatible material via a linker, wherein the linker is selected from a group consisting of: a diamine linker or diamine linker in combination with a succinic acid linker or a (UV-grafted) polyacrylic acid linker. Corresponding linkers are known in the art. Methods for the covalent attachment of polysaccharides to, for example, PEEK are described below.

In anderen Ausführungsformen umfasst das erfindungsgemäße Material für Knochenimplantate oxidische Keramikmaterialien, Titan, Polymermaterialien oder Kompositmaterialien, oder besteht aus diesen, wobei das Polysaccharid der kovalent gebundenen Matrix bei Titan oder oxidischen Keramikmaterialien über einen Silanlinker gebunden ist. Geeignete Silanlinker und entsprechende Verfahren zur Bindung von Polysacchariden sind im Stand der Technik bekannt.In other embodiments, the bone implant material of the present invention comprises or consists of oxide ceramic materials, titanium, polymeric materials, or composite materials, wherein the polysaccharide of the covalently bonded matrix is bound to titanium or ceramic oxide materials via a silane linker. Suitable silane linkers and corresponding methods for binding polysaccharides are known in the art.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Material für Knochenimplantate, umfassend:

  1. (a) das biokompatibles Material PEEK ist,
  2. (b) das Polysaccharid Alginsäure ist und
  3. (c) das in diese Matrix eingelagerte Calciumphosphat Hydroxylapatit, insbesondere kristallines Hydroxylapatit ist.
In a particularly preferred embodiment, the present invention relates to a material for bone implants, comprising:
  1. (a) the biocompatible material is PEEK,
  2. (b) the polysaccharide is alginic acid and
  3. (c) the calcium phosphate embedded in this matrix is hydroxyapatite, in particular crystalline hydroxyapatite.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Materials für Knochenimplantate, umfassend die Schritte:

  1. (a) Bereitstellen einer Trägerstruktur mit einer Oberfläche, umfassend ein biokompatibles Material,
  2. (b) kovalentes Ankoppeln einer Matrix, umfassend zumindest ein Polysaccharid, an diese Oberfläche, und
  3. (c) Mineralisieren der Matrix mit Calciumphosphat.
A further subject matter of the present invention relates to a method for producing a material according to the invention for bone implants, comprising the steps:
  1. (a) providing a support structure having a surface comprising a biocompatible material,
  2. (b) covalently attaching a matrix comprising at least one polysaccharide to said surface, and
  3. (c) mineralizing the matrix with calcium phosphate.

Für diesen Gegenstand der vorliegenden Erfindung gelten alle relevanten Definitionen, Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen, die vorstehend für das erfindungsgemäße Material für ein Knochenimplantat aufgeführt wurden, in analoger Weise. For this object of the present invention, all relevant definitions, advantages and preferred embodiments, which have been listed above for the material according to the invention for a bone implant, apply analogously.

Verfahren zur kovalenten Ankupplung einer Polysaccharid umfassenden Matrix an eine Oberfläche gemäß Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens unterliegen keinen besonderen Beschränkungen und sind im Stand der Technik bekannt.Methods for the covalent coupling of a polysaccharide-comprising matrix to a surface according to step (b) of the method according to the invention are not particularly limited and are known in the prior art.

In einer bevorzugten Ausführungsform, insbesondere wenn die Oberfläche PEEK umfasst oder aus diesem besteht, umfasst Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens die Schritte: (b1) kovalentes Ankoppeln eines Linkermoleküls, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Diamin-Linker oder einem Diamin Linker und einem Bernsteinsäure-Linker oder UV-gegrafteter Polyacrylsäure (PAA), an diese aktivierte Oberfläche, und (b2) kovalentes Ankoppeln des Polysaccharids mit Carbonsäuregruppen an das Diamin Linkermolekül oder des Hexamethylendiamin modifizierten Polysaccharids an den Bernsteinsäure Linker oder des unmodifizierten Polysaccharids über Esterbindungen an den Polyacrysäure-Linker.In a preferred embodiment, in particular if the surface comprises or consists of PEEK, step (b) of the method according to the invention comprises the steps: (b1) covalently coupling a linker molecule selected from the group consisting of a diamine linker or a Diamine linker and a succinic acid-linker or UV-grafted polyacrylic acid (PAA) to this activated surface, and (b2) covalently coupling the polysaccharide having carboxylic acid groups to the diamine linker molecule or the hexamethylenediamine-modified polysaccharide to the succinic acid linker or the unmodified polysaccharide via ester linkages to the polyacryric acid linker.

Verfahren zur Ankupplung von Linkermolekülen an eine entsprechend aktivierte PEEK-Oberfläche unterliegen ebenfalls keinen besonderen Beschränkungen.Methods for coupling linker molecules to a correspondingly activated PEEK surface are also not particularly limited.

Verfahren zum Mineralisieren einer Polysaccharid enthaltenden Matrix mit Calciumphosphaten gemäß Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens unterliegen keinen besonderen Beschränkungen. Sie umfassen für den Fall, dass amorphes Calciumphosphat (ACP) verwendet wird, beispielsweise das Inkubieren der Oberfläche mit einer Lösung, umfassend Calciumchlorid, Dikaliumhydrogenphosphat und einen Nukleationsinhibitor. Dieser Nukleationsinhibitor ist bevorzugt ein nicht-kollagenes Protein oder Proteinanalogon, besonders bevorzugt poly-Asparaginsäure und/oder Fetuin. Für den Fall, dass Hydroxylapatit verwendet wird, umfassen Sie beispielsweise das Inkubieren der Oberfläche mit einer Lösung, umfassend Calciumchlorid und Dikaliumhydrogenphosphat.Methods for mineralizing a polysaccharide-containing matrix with calcium phosphates according to step (c) of the method according to the invention are not particularly limited. In the case that amorphous calcium phosphate (ACP) is used, for example, they include incubating the surface with a solution comprising calcium chloride, dipotassium hydrogen phosphate and a nucleation inhibitor. This nucleation inhibitor is preferably a non-collagenous protein or protein analog, more preferably poly-aspartic acid and / or fetuin. For example, in the case where hydroxyapatite is used, you include incubating the surface with a solution comprising calcium chloride and dipotassium hydrogen phosphate.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Knochenimplantat auf das das erfindungsgemäße Knochenimplantatmaterial aufgebracht ist.Another object of the present invention relates to a bone implant on which the bone implant material according to the invention is applied.

Für diesen Gegenstand der vorliegenden Erfindung gelten alle relevanten Definitionen, Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen, die vorstehend für das erfindungsgemäße Material für Knochenimplantate aufgeführt wurden, in analoger Weise.For this object of the present invention, all relevant definitions, advantages and preferred embodiments, which have been listed above for the material for bone implants according to the invention, apply in an analogous manner.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung des erfindungsgemäßen Materials für ein Knochenimplantat als Knochenimplantatmaterial. Für diesen Gegenstand der vorliegenden Erfindung gelten alle relevanten Definitionen, Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen, die vorstehend für das erfindungsgemäße Material für Knochenimplantate aufgeführt wurden, in analoger Weise.Another object of the present invention relates to the use of the material according to the invention for a bone implant as a bone implant material. For this object of the present invention, all relevant definitions, advantages and preferred embodiments, which have been listed above for the material for bone implants according to the invention, apply in an analogous manner.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung des erfindungsgemäßen Materials für ein Knochenimplantat beispielsweise zur Behandlung von Knochenschäden.Another object of the present invention relates to the use of the material according to the invention for a bone implant, for example for the treatment of bone damage.

Auch für diesen Gegenstand der vorliegenden Erfindung gelten alle relevanten Definitionen, Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen, die vorstehend für das erfindungsgemäße Material für Knochenimplantate aufgeführt wurden, in analoger Weise.Also for this object of the present invention, all relevant definitions, advantages and preferred embodiments, which were listed above for the material according to the invention for bone implants, apply analogously.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung des erfindungsgemäßen Knochenimplantats beispielsweise zur Behandlung von Knochenschäden.Another object of the present invention relates to the use of the bone implant according to the invention, for example for the treatment of bone damage.

Auch für diesen Gegenstand der vorliegenden Erfindung gelten alle relevanten Definitionen, Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen, die vorstehend für das erfindungsgemäße Material für Knochenimplantate aufgeführt wurden, in analoger Weise.Also for this object of the present invention, all relevant definitions, advantages and preferred embodiments, which were listed above for the material according to the invention for bone implants, apply analogously.

Implantate wachsen in den menschlichen Körper umso besser ein, und werden umso stabiler mit dem Körper verbunden (unter anderem durch vermehrte Anlagerung von Körperzellen), je besser die Implantatoberfläche dem natürlichen Knochen entspricht. Dies ist das Ziel der vorliegenden Erfindung. Weiter soll die Beschichtung kovalent an die Oberfläche der Implantate gebunden werden. Die erfindungsgemäßen Knochenimplantatmaterialien weisen eine höhere Biokompatibilität, bessere Einheilung in den natürlichen Knochen und eine erhöhte mechanische Belastbarkeit auf.Implants grow better in the human body, and become more stable with the body (among other things by increased accumulation of body cells), the better the implant surface corresponds to the natural bone. This is the goal of the present invention. Furthermore, the coating should be covalently bonded to the surface of the implants. The bone implant materials according to the invention have a higher biocompatibility, better healing in the natural bones and an increased mechanical strength.

Die Oberflächenmodifikation gemäß der vorliegenden Erfindung zielt darauf ab, knochenähnliche Strukturen kovalent gebunden auf die Oberfläche von Knochenimplantatmaterialien aufzubringen, welche eine organische Polysaccharidmatrix und die Mineralphase des natürlichen Knochens beinhalten. Dies soll die Einheilung des Implantats in den Knochen unterstützen. Diese Strukturen beinhalten eine Matrix aus einem Polysaccharid, welche schließlich mit Calciumphosphat mineralisiert wird. Die Mineralisation erfolgt hierbei mit Hilfe von nicht-kollagenen Proteinen und deren Analoga, welche als Nukleationsinhibitoren fungieren, so dass die Mineralisation kontrolliert verläuft und eine ektopische Mineralisation vermieden wird. Solche Nukleationsinhibitoren sind beispielsweise poly-Asparaginsäure oder Fetuin. Die Mineralisation mit Octacalciumphosphat oder Hydroxylapatit erfolgt durch das Inkubieren der Polysaccharidmatrix in einer Lösung, welche Calciumionen oder Phosphationen beinhaltet. Durch eine langsame und kontrollierte Zugabe einer Lösung der jeweils komplementären Phosphationen oder Calciumionen kann Octacalciumphosphat und/oder Hydroxylapatit innerhalb der Polysaccharidmatrix ausgefällt werden. Durch die relativ ungeordnete Struktur des Polysaccharids besitzt die resultierende Oberflächenmodifikation geflechtknochenartige oder kallusartige Struktur. Die Knochenzellen könnten so bei der Einheilung des Materials weitere ungeordnete Kollagenstrukturen um das Material herum aufbauen bzw. das Material direkt weiter mit dem Knochen verknüpfen. Diese ungeordneten Strukturen können dann schließlich in der natürlichen Remodellierungsphase der Knochenwundheilung zu geordneten Knochenstrukturen umgebaut werden. Hierbei können die Zellen durch die kovalente Anbindung der Polysaccharide bei der Remodellierung allerdings nicht bis zur direkten Oberfläche des Implantatmaterials vordringen und verbleiben so immer in einer gewünschten Matrix aus extrazellulären Proteinen. Das Implantatmaterial wird damit für die Zellen maskiert, um bei der Einheilung von Implantaten unerwünschte Reaktionen zu vermeiden. Da die Modifikationen lediglich die Oberfläche der Implantatmaterialien betrifft, werden Materialeigenschaften nicht verändert.The surface modification according to the present invention aims to covalently bond bone-like structures to the surface of bone graft materials that include an organic polysaccharide matrix and the mineral phase of the natural bone. This is to assist the healing of the implant in the bone. These structures include a matrix of a polysaccharide which is eventually mineralized with calcium phosphate. Mineralization occurs with the help of non-collagenous proteins and their analogues, which act as nucleation inhibitors, so that mineralization is controlled and ectopic mineralization is avoided. Such nucleation inhibitors are, for example, poly-aspartic acid or fetuin. Mineralization with octacalcium phosphate or hydroxyapatite is by incubating the polysaccharide matrix in a solution containing calcium ions or phosphate ions. By a slow and controlled addition of a solution of each complementary phosphate ions or calcium ions, octacalcium phosphate and / or hydroxyapatite may be precipitated within the polysaccharide matrix. Due to the relatively disordered structure of the polysaccharide, the resulting surface modification has a braid-like or callus-like structure. The bone cells could thus build up further disordered collagen structures around the material during the healing of the material or link the material directly to the bone. These disordered structures can then eventually be converted into ordered bone structures in the natural remodeling phase of bone wound healing. In this case, however, the cells can not penetrate to the direct surface of the implant material due to the covalent attachment of the polysaccharides during the remodeling and thus always remain in a desired matrix of extracellular proteins. The implant material is thus masked for the cells in order to avoid unwanted reactions during the healing of implants. Since the modifications only affect the surface of the implant materials, material properties are not changed.

Die grundlegenden chemischen Reaktionen können leicht für die Modifikation verschiedener Materialien adaptiert werden. So können Metalloxidoberflächen kovalent über etablierte Silanchemie angebunden werden. Dies macht die erfindungsgemäße Oberflächenbeschichtung auch interessant für oxidische Keramikmaterialien. Da weiterhin Metalle beispielsweise durch Plasmabehandlung unschwer an der Oberfläche oxidierbar sind, werden über die Silanchemie auch die gängigen Implantatmaterialien aus Titan der erfindungsgemäßen Oberflächenmodifizierung über Silane zugänglich.The basic chemical reactions can easily be adapted for the modification of different materials. Thus, metal oxide surfaces can be covalently attached via established silane chemistry. This makes the surface coating according to the invention also interesting for oxide ceramic materials. Furthermore, since metals are readily oxidizable on the surface, for example by plasma treatment, the common titanium implant materials of the surface modification according to the invention via silanes are accessible via silane chemistry.

In den vergangenen Jahren wurden viele verschiedene Materialien für die Verwendung als Knochenimplantate entwickelt. Die biologischen, chemischen, wie auch mechanischen Anforderungen für Implantatmaterialien müssen in einem Material vereint werden, um den Eigenschaften des Knochens möglichst nah zu kommen. Die Vielfalt an zugelassenen Materialien spiegelt die großen Anstrengungen in diesem Feld wider. Der Kunststoff Polyetheretherketon (PEEK) hat beispielsweise sehr gute mechanische Eigenschaften die vergleichbar mit natürlichem Knochen sind. Die Nachteile liegen mit der hohen Hydrophobie und damit geringer Bioaktivität aber auf der Hand, weshalb es zahlreiche Bestrebungen gibt, diese Problematik anzugehen.In recent years, many different materials have been developed for use as bone implants. The biological, chemical, as well as mechanical requirements for implant materials must be combined in one material in order to come as close as possible to the properties of the bone. The variety of approved materials reflects the great effort in this field. The plastic polyetheretherketone (PEEK), for example, has very good mechanical properties comparable to natural bone. The disadvantages are obvious with the high hydrophobicity and thus low bioactivity, which is why there are numerous attempts to tackle this problem.

Es wurde eine Methode entwickelt, in welcher die Gelatinefunktionalisierung des Knochenimplantatkunststoffs PEEK etabliert wurde. In der vorliegenden Erfindung wurde nun eine Methode entwickelt, um an der Oberfläche von PEEK ein Netzwerk aus Polysacchariden aus pflanzlichem oder bakteriellem Ursprung, im Konkreten Hyaluronsäure-, Alginsäurederivate und vollsynthetische Polymere kovalent zu binden, um die Probleme, welche ein Coating auf tierischer Basis hat, wie beispielsweise der Nachweis von Keimfreiheit und der langwierige Zulassungsprozess aufgrund des potentiellen Endotoxingehalts und des Allergenpotentials, zu umgehen. Einige Patienten entscheiden sich aus persönlichen Gründen gegen bestimmte tierische Produkte, sei es aus religiösen oder aus ethischen Gründen. Vegane, bzw. synthetische Funktionalisierungen könnten für diesen Personenkreis interessante Alternativen sein. Um der chemischen Struktur natürlichen Knochenmaterials möglichst nahe zu kommen kann abschließend die aufgebrachte Beschichtung mit Calciumphosphat, im speziellen Hydroxylapatit, mineralisiert werden.A method was developed in which the gelatin functionalization of the bone implant plastic PEEK was established. In the present invention, a method has now been developed to covalently bond to the surface of PEEK a network of polysaccharides of plant or bacterial origin, in the concrete hyaluronic acid, alginic acid derivatives and fully synthetic polymers, to address the problems of animal-based coating to circumvent, for example, the evidence of sterility and the lengthy approval process due to the potential endotoxin content and the allergen potential. Some patients opt for certain animal products for personal reasons, be it religious or ethical reasons. Vegan or synthetic functionalizations could be interesting alternatives for this group of people. In order to come as close as possible to the chemical structure of natural bone material, finally, the applied coating with calcium phosphate, in particular hydroxyapatite, mineralized.

Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in einigen abhängigen Ansprüchen zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale können jedoch zweckmäßigerweise auch einzeln betrachtet und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfasst werden, insbesondere bei Rückbezügen von Ansprüchen, so dass ein einzelnes Merkmal eines abhängigen Anspruchs mit einem einzelnen, mehreren oder allen Merkmalen eines anderen abhängigen Anspruchs kombinierbar ist. Außerdem sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination sowohl mit dem erfindungsgemäßen Verfahren als auch mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen kombinierbar. So sind Verfahrensmerkmale auch als Eigenschaft der entsprechenden Vorrichtungseinheit gegenständlich formuliert zu sehen und funktionale Vorrichtungsmerkmale auch als entsprechende Verfahrensmerkmale.The description of advantageous embodiments of the invention given so far contains numerous features that are summarized in several dependent claims in several groups. However, these features may conveniently be considered individually and summarized to meaningful further combinations, particularly in terms of claims, so that a single feature of a dependent claim may be combined with a single, several, or all features of another dependent claim. In addition, these features can be combined individually and in any suitable combination both with the method according to the invention and with the device according to the invention according to the independent claims. Thus, process features are also objectively formulated as a property of the corresponding device unit and functional device features also as corresponding process features.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang in der folgenden Beschreibung genannten Beispiele beschränken die Erfindung nicht auf die darin angegebene Kombination von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Außerdem können dazu geeignete Merkmale eines jeden Ausführungsbeispiels auch explizit isoliert betrachtet, aus einem Ausführungsbeispiel entfernt, in ein anderes Ausführungsbeispiel zu dessen Ergänzung eingebracht und/oder mit einem beliebigen der Ansprüche kombiniert werden.The above-described characteristics, features and advantages of this invention, as well as the manner in which they are achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the embodiments; the examples mentioned in the following description do not limit the invention the combination of features specified therein, not even in terms of functional characteristics. In addition, suitable features of each embodiment may also be explicitly considered isolated, removed from one embodiment, incorporated into another embodiment to complement it, and / or combined with any of the claims.

Die im folgenden Text genannten und verwendeten Methoden (ATR-IR Analyse, Rasterelektronenmikroskopie, Konfokale Laser-Scanning Mikroskopie, Fluoreszenzspektrometrie, NMR-Messungen, Thermogravimetrische Analyse (TGA), UV-Untersuchungen, Kontaktwinkelmessung, Kernspinresonenzspektroskopie wurden nach dem Fachmann bekannten Prinzipien und Vorgehensweisen sowie mit bekannten Geräten durchgeführt. The methods mentioned and used in the text below (ATR-IR analysis, scanning electron microscopy, confocal laser scanning microscopy, fluorescence spectrometry, NMR measurements, thermogravimetric analysis (TGA), UV investigations, contact angle measurement, nuclear magnetic resonance spectroscopy were used in accordance with well-known principles and procedures and performed with known devices.

Es ist möglich über eine nasschemische Modifikation der PEEK-Oberfläche, die Reduktion der Carbonylgruppen im PEEK-Grundgerüst durch Behandlung der Folie mit NaBH4 in DMSO bei 120 °C zu erreichen:

Figure DE102016122837A1_0003
It is possible via a wet-chemical modification of the PEEK surface to achieve the reduction of the carbonyl groups in the PEEK skeleton by treating the film with NaBH 4 in DMSO at 120 ° C.
Figure DE102016122837A1_0003

Die Reaktion kann ohne Sauerstoffausschluss unter Rühren in einem 500 Milliliter (mL) Kolben durchgeführt werden. 10 PEEK-Plättchen (je 1 cm2 (Quadratzentimeter)) wurden in 20 Milliliter (mL) DMSO gegeben und gerührt. Es wurde auf 120°C erhitzt und nach 20 min wurden 13mmol (490 mg) NaBH4 zugegeben. Die Reaktionszeit betrug 4 h 30 min. Das PEEK wurde 15 min in 20 mL MeOH, 10 min in 20 ml H2O und 35 min in 20 mL 1 M HCl gewaschen. Nach Abspülen in EtOH wurde das PEEK im Vakuumtrockenofen für 2 h bei 40°C und 50 mbar getrocknet. Die Reaktion wurde anhand eines ATR-IR-Spektrums verifiziert (ATR-IR: ν 3400 cm-1 (m) (cm-1: Wellenzahl), starke Abschwächung der 1647 cm-1 (w) C=O Valenzschwingung, nicht gezeigt).The reaction can be carried out without exclusion of oxygen with stirring in a 500 milliliter (mL) flask. 10 PEEK plates (1 cm 2 (square centimeter) each) were placed in 20 milliliters (mL) of DMSO and stirred. It was heated to 120 ° C and after 20 min 13mmol (490 mg) of NaBH 4 were added. The reaction time was 4 h 30 min. The PEEK was washed in 20 mL MeOH for 15 min, in 20 mL H 2 O for 10 min and in 20 mL 1 M HCl for 35 min. After rinsing in EtOH, the PEEK was dried in a vacuum drying oven for 2 h at 40 ° C and 50 mbar. The reaction was verified by ATR-IR spectrum (ATR-IR: ν 3400 cm -1 (m) (cm -1 : wavenumber), strong attenuation of 1647 cm -1 (w) C = O valence vibration, not shown) ,

Die reduzierten PEEK-Folien können weiter zum Bernsteinsäureester umgesetzt werden. Die Veresterung kann mittels Bernsteinsäureanhydrid in Aceton bei Raumtemperatur durchgeführt werden:

Figure DE102016122837A1_0004
10 PEEK-Plättchen (je 1 cm2) wurden in 30 ml Aceton vorgelegt und auf 40°C erhitzt. Es wurde 1 Gramm (g) (10 mmol) Bernsteinsäureanhydrid zugegeben. Die Reaktionszeit betrug 5 h 35 min. Die Plättchen wurden mit je 20 mL Aceton, H2O und Ethanol gewaschen und im Vakuumtrockenofen für 2 h bei 40°C und 50 mbar getrocknet. Die Reaktion wurde anhand eines ATR-IR-Spektrums verifiziert. ATR-IR: ν 3400 cm-1 (m), 2924 cm-1 (w), 2861 cm-1 (m) sp3 CH2 Valenzschwingungen, 1705 (w) COOH Valenzschwingung (nicht gezeigt).The reduced PEEK films can be further converted to the succinic acid ester. The esterification can be carried out by means of succinic anhydride in acetone at room temperature:
Figure DE102016122837A1_0004
Ten PEEK flakes (1 cm 2 each) were placed in 30 ml of acetone and heated to 40 ° C. 1 gram (g) (10 mmol) of succinic anhydride was added. The reaction time was 5 h 35 min. The platelets were washed with 20 ml of acetone, H 2 O and ethanol and dried in a vacuum drying oven for 2 h at 40 ° C and 50 mbar. The reaction was verified by ATR-IR spectrum. ATR-IR: ν 3400 cm -1 (m), 2924 cm -1 (w), 2861 cm -1 (m) sp 3 CH 2 valence oscillations, 1705 (w) COOH valence vibration (not shown).

Gereinigte PEEK-Folien konnten in purem Diamin (Ethylendiamin (EDA) und 1,3-Diaminopropan) umgesetzt werden. Es kommt zu einer Bildung von Iminen (Schiffschen Base) auf der PEEK-Oberfläche. Die Reaktion kann 3 h unter Reflux des Diamins und Rühren der Mischung ablaufen:

Figure DE102016122837A1_0005
Purified PEEK films could be reacted in pure diamine (ethylenediamine (EDA) and 1,3-diaminopropane). There is formation of imines (Schiff's base) on the PEEK surface. The reaction may proceed for 3 hours with reflux of the diamine and stirring of the mixture:
Figure DE102016122837A1_0005

5 PEEK-Plättchen (je 1 cm2) wurden in 10 mL Ethylendiamin, bzw. 1,3-Diaminopropan vorgelegt. Die Reaktionsmischung wurde unter Rühren 3 h unter Reflux erhitzt. Die Reaktionsmischung wurde auf RT abgekühlt und die PEEK-Plättchen ausgiebig mit Aceton gewaschen. Die modifizierten Folien wurden im Vakuumtrockenofen für 2 h bei 40°C und 50 mbar getrocknet. Die Reaktion wurde anhand eines ATR-IR-Spektrums verifiziert ATR-IR: ν 2925 cm-1 (m), 2854 cm-1 (m) sp3 CH2 Valenzschwingungen, 1620 cm-1 (w) C=N Valenzschwingung (nicht gezeigt). 5 PEEK platelets (1 cm 2 each) were initially charged in 10 ml of ethylenediamine or 1,3-diaminopropane. The reaction mixture was heated with stirring for 3 h under reflux. The reaction mixture was cooled to RT and the PEEK plates washed extensively with acetone. The modified films were dried in a vacuum oven for 2 h at 40 ° C and 50 mbar. The reaction was verified by an ATR-IR spectrum ATR-IR: ν 2925 cm -1 (m), 2854 cm -1 (m) sp 3 CH 2 valence oscillations, 1620 cm -1 (w) C = N valence vibration (not shown).

Es konnte auch ein Bernsteinsäurelinker an die aminfunktionalisierten PEEK-Proben eingeführt werden: Die PEEK-Folien wurden in 10 mL trockene 10 Millimol (mM) Bernsteinsäureanhydrid DMF-Lösung (DMF: Dimethylformamid) gegeben. Nach 10 h wurden die Folien sorgfältig mit MilliQ (Reinstwasser) gewaschen. Und mittels ATR-IR-Spektroskopie untersucht (nicht gezeigt). ATR-IR: ν 2925 cm-1 (m), 2854 cm-1 (m) sp3 CH2 Valenzschwingungen, 1706 cm-1 (w) C=O Valenzschwingung.It was also possible to introduce a succinic acid linker to the amine-functionalized PEEK samples. The PEEK films were placed in 10 mL dry 10 millimolar (mM) succinic anhydride DMF solution (DMF: dimethylformamide). After 10 hours, the films were washed thoroughly with MilliQ (ultrapure water). And examined by ATR-IR spectroscopy (not shown). ATR-IR: ν 2925 cm -1 (m), 2854 cm -1 (m) sp 3 CH 2 valence oscillations, 1706 cm -1 (w) C = O valence vibration.

Die modifizierten PEEK-Folien wurden einer Kontaktwinkelmessung unterzogen. Die modifizierten PEEK-Folien wurden vor der Messung mit Phosphatpuffer behandelt, mit MilliQ abgespült und gut getrocknet. Die Kontaktwinkelmessungen können 5 Sekunden (s) nach Aufbringen des Tropfens erfolgen. Kontaktwinkelmessungen mit Reinstwasser (MilliQ) implizieren beim mit Ethylendiamin modifizierten PEEK eine mit 66° deutlich erhöhte Hydrophilie im Vergleich zu unmodifizierten PEEK-Folien (84,5°). Bei der mit 1,3-Diaminopropan modifizierten Variante ist der Kontaktwinkel mit 70° auch kleiner geworden, da die Oberfläche ebenfalls hydrophiler wurde. Die Erhöhung der Hydrophilie spricht für einen erfolgreichen Reaktionsverlauf bei der Umsetzung von PEEK mit den Diaminen.The modified PEEK films were subjected to contact angle measurement. The modified PEEK films were treated with phosphate buffer prior to measurement, rinsed with MilliQ and dried well. The contact angle measurements can be made 5 seconds (s) after application of the drop. Contact angle measurements with ultrapure water (MilliQ) imply a significantly increased hydrophilicity of the ethylenediamine-modified PEEK compared to unmodified PEEK films (84.5 °). In the variant modified with 1,3-diaminopropane, the contact angle at 70 ° has also become smaller since the surface also became more hydrophilic. The increase in hydrophilicity suggests a successful reaction during the reaction of PEEK with the diamines.

Unbehandelte PEEK-Folien können mit einer Grafting-from Polymerisationsmethode mit Polyacrylsäure beschichtet werden (UV-Licht induzierte PEEK-Modifikation):

Figure DE102016122837A1_0006
Untreated PEEK films can be coated with a polyacrylic acid grafting-from polymerization method (UV light-induced PEEK modification):
Figure DE102016122837A1_0006

Die verwendete Experimentalvorschrift kann in einem Schritt durchgeführt werden. Es kann mit entgasten wässrigen Lösungen von destillierter Acrylsäure gearbeitet werden. Als UV Licht Quelle kann eine OSRAM Vitalux 300 ohne weiteren Filter verwendet werden.The experimental procedure used can be carried out in one step. It can be worked with degassed aqueous solutions of distilled acrylic acid. As UV light source an OSRAM Vitalux 300 can be used without further filters.

4 PEEK-Plättchen (je 1 cm2) wurden in einem Schlenkkolben vorgelegt und mittels 3 Vakuum/Stickstoffcyclen entgast. Die entsprechende Menge entgastes MilliQ Wasser (4 Freeze Pump Thaw Zyklen) wurde zugegeben. Nach Zugabe der entgasten Acrylsäure (30 min Durchleiten von Stickstoff) wurde der Kolben unter Rühren mit der UV-Lampe aus einer Entfernung von 15 cm bestrahlt. Die Reaktionszeit betrug zwischen 15 min und 75 min. Die Konzentration der Acrylsäurelösung betrug zwischen 5 wt% und 25 wt%. ATR-IR: ν 1705 cm-1 (m) COOH Valenzschwingung.4 PEEK plates (1 cm 2 each) were placed in a Schlenk flask and degassed by means of 3 vacuum / nitrogen cycles. The appropriate amount of degassed MilliQ water (4 Freeze Pump Thaw cycles) was added. After adding the degassed acrylic acid (passing nitrogen through it for 30 minutes), the flask was irradiated while stirring with the UV lamp from a distance of 15 cm. The reaction time was between 15 minutes and 75 minutes. The concentration of the acrylic acid solution was between 5 wt% and 25 wt%. ATR-IR: ν 1705 cm -1 (m) COOH valence vibration.

Die jeweilig möglichen Bedingungen und Ergebnisse sind in Tabelle 1 Tabelle 1aufgeführt. Tabelle 1: Reaktionsansätze des UV-Graftings mit Acrylsäure. Eintrag Acrylsäure Konzentration [wt%] Reaktionszeit [min] Gelschicht auf Oberfläche MG10 20 75 Ja MG11 10 70 Ja MG13 7,5 70 Ja MG19 5 30 Ja MG20 5 45 Ja MG12 5 60 Ja The respective possible conditions and results are listed in Table 1 Table 1. Table 1: Reactions of UV grafting with acrylic acid. entry Acrylic acid concentration [wt%] Reaction time [min] Gel layer on surface MG10 20 75 Yes MG11 10 70 Yes MG13 7.5 70 Yes MG19 5 30 Yes MG20 5 45 Yes MG12 5 60 Yes

Die mit Polyacrylsäure gegrafteten PEEK-Folien wurden im Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht (nicht gezeigt). The polyacrylic acid-grafted PEEK films were examined by scanning electron microscope (SEM) (not shown).

Bei jedem Ansatz wurde eine im Wesentlichen homogene Schicht aus Polyacrylsäure gebildet. Je höher die Polyacrylsäurekonzentration und je länger die Reaktionszeit umso mehr Polyacrylsäure wurde auf der Oberfläche im Wesentlichen in Kugelform abgeschieden bzw. umso höher war die Schichtdicke. Hierbei sind die Kügelchen umso kleiner, je geringer die Polyacrylsäurekonzentration war (30 (Mikrometer (µm) bei MG10 gegenüber 3 µm bei MG12).In each approach, a substantially homogeneous layer of polyacrylic acid was formed. The higher the polyacrylic acid concentration and the longer the reaction time the more polyacrylic acid was deposited on the surface essentially in spherical form or the higher was the layer thickness. Here, the smaller the polyacrylic acid concentration, the smaller the beads (30 (micron (μm) at MG10 versus 3 μm at MG12).

Zur weiteren Oberflächenfunktionalisierung wurden die Proben verwendet, die für 30 Minuten bei 5 wt% Acrylsäureanteil polymerisiert wurden. Unter diesen Bedingungen war die Beschichtung noch ausreichend dick um von einer homogenen Beschichtung zu sprechen (nicht gezeigt), und gleichzeitig kann man bei dieser Schichtdicke davon ausgehen, dass die mechanischen Eigenschaften des Bulkmaterials nicht negativ beeinflusst werden. Die Polyacrylsäureschichten die bei höheren Acrylsäurekonzentrationen hergestellt wurden, sind aufgrund des dicken Gelkissens von bis zu 5 Millimeter (mm) nicht geeignet für die Zielanwendung als Knochenimplantatmaterial, da ein Gelkissen auf der Oberfläche den mechanischen Kontakt zum umliegenden Gewebe stark verschlechtert.For further surface functionalization, the samples were polymerized for 30 minutes at 5 wt% acrylic acid moiety. Under these conditions, the coating was still sufficiently thick to speak of a homogeneous coating (not shown), and at the same time, at this layer thickness, one can assume that the mechanical properties of the bulk material are not adversely affected. The polyacrylic acid layers made at higher acrylic acid concentrations are not suitable for targeting as a bone graft material because of the thick gel cushion of up to 5 millimeters (mm) because a gel pad on the surface greatly degrades mechanical contact to the surrounding tissue.

Bei geringer Vergrößerung erkennt man dass die Polyacrylsäure mit den Kügelchen lineare Strukturen ausgebildet hat. Die Ausbildung dieser Linien könnte der Trocknungsmethode geschuldet sein (Vakuumofen) ist möglicherweise aber auch der Hydrophobie der PEEK-Oberfläche geschuldet. Die an die aktive Stelle diffundierenden Acrylsäuremoleküle haben eine höhere Affinität für eine wachsende Polyacrylsäureschicht, als für die hydrophobe PEEK-Oberfläche. Dies könnte die aus PAA Kugeln bestehenden Linienstrukturen erklären. Die durchschnittliche Kügelchengröße unter diesen Reaktionsbedingungen beträgt 1,7 µm und ist damit nochmal etwa halb so groß als bei 60 min Polymerisation. Die Beschichtungsergebnisse wurden anhand von ATR-IR-Spektren verifiziert (nicht gezeigt).At low magnification, it can be seen that the polyacrylic acid has formed linear structures with the beads. The formation of these lines could be due to the drying method (vacuum furnace) but may also be due to the hydrophobicity of the PEEK surface. The acrylic acid molecules diffusing to the active site have a higher affinity for a growing polyacrylic acid layer than for the hydrophobic PEEK surface. This could explain the line structures consisting of PAA balls. The average bead size under these reaction conditions is 1.7 microns, making it about half as large as at 60 min polymerization. Coating results were verified by ATR-IR spectra (not shown).

Als besonders geeignet haben sich die Beschichtungen, die bei 5 wt% Acrylsäure und 30 min UV-Behandlung hergestellt wurden erwiesen. Das PEEK kann unter diesen Bedingungen dünn beschichtet werden, sodass kein zu großes Gelkissen abgeschieden wurde.The coatings which have been prepared at 5% by weight of acrylic acid and 30 minutes of UV treatment have proven particularly suitable. The PEEK can be thinly coated under these conditions so that too little gel pad is deposited.

Die UV-induzierte grafting-Polymerisation eignet sich also sehr gut für die Beschichtung von PEEK mit Polyacrylsäure, da deutliche Mengen des PAA auf der PEEK-Oberfläche nachgewiesen werden konnten.The UV-induced grafting polymerization is thus very well suited for the coating of PEEK with polyacrylic acid, since significant amounts of PAA could be detected on the PEEK surface.

Es können auch Polymerisationen in purer Acrylsäure und zum Vergleich in purem Methylacrylat durchgeführt werden, also eine Polymerisation im reinen Monomer. Die Resultate wurden anhand von ATR-IR-Spektren verifiziert (nicht gezeigt). Kupplung von 1,4-Diaminobutan an die mit PAA beschichtete PEEK-Oberfläche:It is also possible to carry out polymerizations in pure acrylic acid and, for comparison, in pure methyl acrylate, ie a polymerization in the pure monomer. The results were verified by ATR-IR spectra (not shown). Coupling of 1,4-diaminobutane to the PAA-coated PEEK surface:

Die Polyacrylsäure-Schicht kann durch die Ankupplung von Diaminlinkern modifiziert werden, damit später mit organischen Säuren Amidbindungen ausgebildet werden können. Die Kupplung der Diamin Spezies an die Carboxylgruppen kann mittels des modernen Kupplungsreagenzes 4-(4,6-Dimethoxy-1,3,5-triazin-2-yl)-4-methylmorpholinium chloride (DMT-MM) durchgeführt werden. Die Aktivierung und Kupplung kann mit DMT-MM bei einem gepuffertem pH-Wert von 9 erfolgten:

Figure DE102016122837A1_0007
The polyacrylic acid layer can be modified by the coupling of diamine linkers, so that later can be formed with organic acids amide bonds. The coupling of the diamine species to the carboxyl groups can be carried out using the modern coupling reagent 4- (4,6-dimethoxy-1,3,5-triazin-2-yl) -4-methylmorpholinium chloride (DMT-MM). Activation and coupling can be performed with DMT-MM at a buffered pH of 9:
Figure DE102016122837A1_0007

Die Quantifizierung der Aminogruppen auf der Oberfläche der linkerfunktionalisierten PEEK-Folien (Substrat) kann mittels des Fluoreszenzfarbstoff C-Cumarin:

Figure DE102016122837A1_0008
nach dem Fachmann bekannter Weise durchgeführt werden: (Stern = 7-Hydroxicumarin-Fluorophor, Sub = Substrat und siehe S. Shiota; S. Yamamoto; A. Shimomura; A. Ojida; T. Nishino; T. Maruyama, Langmuir 2015, 31, 8824-8829) :
Figure DE102016122837A1_0009
Quantification of the amino groups on the surface of the left-functionalized PEEK films (substrate) can be carried out by means of the fluorescent dye C-coumarin:
Figure DE102016122837A1_0008
be carried out in a manner known to the person skilled in the art: (star = 7-Hydroxicumarin fluorophore, Sub = substrate and see S. Shiota; S. Yamamoto; A. Shimomura; A. Ojida; T. Nishino; T. Maruyama, Langmuir 2015, 31, 8824-8829) :
Figure DE102016122837A1_0009

Über die Fluoreszenzintensität kann die Konzentration des Farbstoffes in Lösung bestimmt und damit Rückschlüsse auf die Menge der Oberflächen-Aminogruppen gezogen werden. Bei den funktionalisierten PEEK-Proben (mit Ethylendiamin, 1,3-Diaminopropan 4 und Tetramethylendiamin (TMDA)) konnte eine höhere NH2 Dichte gegenüber einer unfunktionalisierten PEEK-Probe ermittelt werden (Daten nicht gezeigt).The fluorescence intensity can be used to determine the concentration of the dye in solution and thus to draw conclusions about the amount of surface amino groups. For the functionalized PEEK samples (with ethylenediamine, 1,3-diaminopropane 4 and tetramethylenediamine (TMDA)), a higher NH 2 density than an unfunctionalized PEEK sample could be determined (data not shown).

Synthesen der modifizierten Polysaccharide:Syntheses of Modified Polysaccharides:

Zur Modifikation der PEEK-Folien mit Polysacchariden, können zwei Strategien verfolgt werden: Die Einführung des Linkermoleküls (Diamin) auf der carboxylierten PEEK-Oberfläche und die Einführung der Linker am Polymer. Im ersten Fall würde im Polymer-Kupplungsschritt unmodifiziertes Polysaccharid an freie Aminogruppen am Substrat gekuppelt werden, wohingegen im zweiten Fall aminfunktionalisierte Polysaccharide an Carboxylgruppen am Substrat verankert werden.To modify the PEEK films with polysaccharides, two strategies can be pursued: the introduction of the linker molecule (diamine) on the carboxylated PEEK surface and the introduction of the linker on the polymer. In the first case, in the polymer coupling step, unmodified polysaccharide would be coupled to free amino groups on the substrate, whereas in the second case, amine functionalized polysaccharides would be anchored to carboxyl groups on the substrate.

In einem Ansatz können unmodifizierte Hyaluronsäure:

Figure DE102016122837A1_0010
oder Alginsäure (gezeigt als Strukturausschnitte von Alginsäure mit den verschiedenen Poly-G, Poly-M und alternierenden Blöcken. Je nach Herkunft der Alginsäure ist das Verhältnis aus G und M unterschiedlich):
Figure DE102016122837A1_0011
Figure DE102016122837A1_0012
Figure DE102016122837A1_0013
mit einem Amin funktionalisiert werden, um danach an Carboxylgruppen auf der PEEK-Oberfläche gekuppelt zu werden. Hierbei kann es nötig sein, vor der Funktionalisierung eine Deacetylierung durchzuführen.In one approach, unmodified hyaluronic acid:
Figure DE102016122837A1_0010
or alginic acid (shown as structural sections of alginic acid with the various poly-G, poly-M and alternating blocks, depending on the source of alginic acid, the ratio of G and M is different):
Figure DE102016122837A1_0011
Figure DE102016122837A1_0012
Figure DE102016122837A1_0013
be functionalized with an amine to be subsequently coupled to carboxyl groups on the PEEK surface. It may be necessary to perform a deacetylation prior to functionalization.

Deacetylierung von Hyaluronsäure:Deacetylation of hyaluronic acid:

Unmodifizierte Hyaluronsäure besteht aus einer D-Glucuronsäure und einer N-Acetyl-Glucosamin-Einheit. Sie besitzt deshalb pro Disaccharid-Monomer eine freie Carboxylfunktion und eine acetylierte Aminfunktion. Zwei gängige Methoden um Aminfunktionalitäten einzuführen, können neben Substitutionsreaktionen an den OH-Gruppen, die Funktionalisierung der Carboxylgruppen mit Diamin-Linkern, oder die Entschützung der N-Acetyl-Gruppe zum freien Amin sein.Unmodified hyaluronic acid consists of a D-glucuronic acid and an N-acetyl-glucosamine unit. It therefore has one free carboxyl function and one acetylated amine function per disaccharide monomer. Two common methods for introducing amine functionalities, in addition to substitution reactions on the OH groups, the functionalization of the carboxyl groups with diamine linkers, or the deprotection of the N-acetyl group to the free amine.

Die Deacetylierung kann in wässriger Hydrazinlösung unter Hydrazinsulfatkatalyse durchgeführt werden:

Figure DE102016122837A1_0014
The deacetylation can be carried out in aqueous hydrazine solution under Hydrazinsulfatkatalyse:
Figure DE102016122837A1_0014

Zu 1 g Natriumhyaluronat wurde 50 mL Hydrazinmonohydrat und 0,5 g Hydrazinsulfat gegeben, sodass eine Lösung, bezogen auf das Polymer, von 2 Gewichtsprozent (wt%) erreicht war. Nach 72 h rühren bei 55°C wurde das Polymerprodukt in kaltem Ethanol ausgefällt, filtriert und im Vakuum getrocknet (24 h). Der Rückstand wurde in 20 mL 5 % Essigsäure aufgenommen. Zu dieser Lösung wurde wässrige Iodsäurelösung (10 mL, 0,5 M) gegeben, wobei die Temperatur für 1 h in einem Eisbad auf 4°C gehalten wurde. Wässrige Jodwasserstoff Lösung (57 %, 3 mL) wurde dazugegeben. Nach 15 Minuten wurde die violette Lösung im Scheidetrichter fünfmal mit je 25 mL Diethylether extrahiert bis die wässrige Phase farblos war. Der pH Wert der Lösung wurde mit 0,2 M NaOH Lösung auf 7-7,5 eingestellt. Das Polymer wurde in 1 Volumenäquivalent Ethanol ausgefällt, in H2O gelöst und gegen entionisiertes Wasser dialysiert. Das Dialysewasser wurde täglich 2-mal gewechselt. Nach dreitägiger Dialyse wurde die Lösung gefriergetrocknet und die deacetylierte Hyaluronsäure als Produkt erhalten.To 1 g of sodium hyaluronate was added 50 mL of hydrazine monohydrate and 0.5 g of hydrazine sulfate to give a solution, based on the polymer, of 2 percent by weight (wt%). After stirring for 72 h at 55 ° C, the polymer product was precipitated in cold ethanol, filtered and dried in vacuo (24 h). The residue was taken up in 20 mL of 5% acetic acid. To this solution was added aqueous iodic acid solution (10 mL, 0.5 M) keeping the temperature at 4 ° C for 1 h in an ice bath. Aqueous solution of hydrogen iodide (57%, 3 mL) was added. After 15 minutes, the violet solution in the separating funnel was extracted five times with 25 mL diethyl ether each time until the aqueous phase was colorless. The pH of the solution was adjusted to 7-7.5 with 0.2 M NaOH solution. The polymer was precipitated in 1 volume equivalent of ethanol, dissolved in H 2 O and dialyzed against deionized water. The dialysis water was changed twice a day. After three days of dialysis, the solution was freeze-dried and the deacetylated hyaluronic acid was obtained as a product.

Die freien Aminogruppen könnten als Ankergruppen für die Kupplung an die Carboxylgruppen der PEEK-PAA Oberfläche verwendet werden. Das Polymer wurde NMR-spektroskopisch untersucht um den Deacetylierungsgrad zu bestimmen (nicht gezeigt). The free amino groups could be used as anchor groups for coupling to the carboxyl groups of the PEEK-PAA surface. The polymer was examined by NMR spectroscopy to determine the degree of deacetylation (not shown).

Modifikation von Hyaluronsäure mittels Hexamethylendiamin und Adipinsäuredihydrazid:Modification of hyaluronic acid by means of hexamethylenediamine and adipic dihydrazide:

Die freien Carboxylgruppen der Hyaluronsäure können sich für vielfältige Modifikationsmöglichkeiten des Polymers eignen. In der Literatur wurde z.B. von Amidierung, Esterbildung oder Ugi-Kondensation berichtet.The free carboxyl groups of hyaluronic acid may be suitable for various modification possibilities of the polymer. In the literature, e.g. reported by amidation, ester formation or Ugi condensation.

Für die Synthese der amidierten Hyaluronsäure kann Hexamethylendiamin (HMDA) verwendet werden. Die Kupplung des Amins kann über die klassische EDC/NHS-Kupplung (1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid/ N-Hydroxysuccinimid -Kupplung) im wässrigen Medium verlaufen. Die Reaktion wird in eine Aktivierungsphase im leicht sauren und eine Kupplungsphase im leicht basischen aufgeteilt. Der pH Wert der Reaktion musste kontinuierlich kontrolliert und nachgestellt werden:

Figure DE102016122837A1_0015
For the synthesis of the amidated hyaluronic acid hexamethylenediamine (HMDA) can be used. The coupling of the amine can proceed via the classic EDC / NHS coupling (1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide / N-hydroxysuccinimide coupling) in an aqueous medium. The reaction is split into an activation phase in slightly acidic and a coupling phase in slightly basic. The pH value of the reaction had to be continuously monitored and adjusted:
Figure DE102016122837A1_0015

Eine wässrige Natriumhyaluronat Lösung mit 3   m g m L

Figure DE102016122837A1_0016
wurde hergestellt (500 Milligramm (mg) in 167 mL MilliQ). Bezogen auf die Menge der Carboxylgruppen im Polymer wurden 30 äq. Hexamethylendiamin (HMDA, 30äq, 39,6 mmol, 4,6 g) zugegeben. Der pH Wert der Lösung wurde auf 7,5 eingestellt (0,1 M NaOH, bzw. 0,1 M HCl). EDC (4 äq., 5,28 mmol, 0,9 g) und NHS (4 äq., 5,28 mmol, 0,607 g) wurden in 10 mL Wasser gelöst und dann zu der Reaktionslösung gegeben. Der pH Wert der Mischung wurde mittels Zugabe von 0,1 M NaOH bei 7,5 gehalten. Die Reaktion wurde über Nacht gerührt. Der pH Wert wurde auf 7 eingestellt und das Polymer in Ethanol (3 Volumenäquivalente) ausgefällt. Das Polymer wurde in MilliQ gelöst ( m g m L )
Figure DE102016122837A1_0017
und 6 Tage gegen VE-Wasser (Vollentsalztes Wasser) dialysiert. Das VE-Wasser wurde täglich 2 Mal gewechselt. Das gereinigte Produkt wurde 4 Tage gefriergetrocknet. Der Grad der HMDA-Funktionalisierung wurde mittels 1H-NMR Spektroskopie bestimmt. 46 % HMDA Funktionalisierung.An aqueous sodium hyaluronate solution with 3 m G m L
Figure DE102016122837A1_0016
was prepared (500 milligrams (mg) in 167 mL MilliQ). Based on the amount of carboxyl groups in the polymer were 30 eq. Hexamethylenediamine (HMDA, 30 eq, 39.6 mmol, 4.6 g) was added. The pH of the solution was adjusted to 7.5 (0.1 M NaOH, or 0.1 M HCl). EDC (4 eq., 5.28 mmol, 0.9 g) and NHS (4 eq., 5.28 mmol, 0.607 g) were dissolved in 10 mL of water and then added to the reaction solution. The pH of the mixture was maintained at 7.5 by the addition of 0.1 M NaOH. The reaction was stirred overnight. The pH was adjusted to 7 and the polymer precipitated in ethanol (3 volume equivalents). The polymer was dissolved in MilliQ ( 5 m G m L )
Figure DE102016122837A1_0017
and dialyzed against demineralised water for 6 days. The demineralised water was changed twice a day. The purified product was freeze-dried for 4 days. The degree of HMDA functionalization was determined by 1 H NMR spectroscopy. 46% HMDA functionalization.

Die Reaktion erfolgte unter sehr großem Überschuss an Diamin (30-fach, bezogen auf die Menge der Carboxylgruppen im Polymer) um die Quervernetzung der Hyaluronsäure zu verhindern. Durch 1H-NMR-Spektren konnte die erfolgreiche Kupplung des HMDA Linkers und durch ATR-IR-Spektren die erfolgreiche Funktionalisierung der Carboxylgruppen durch Ausbildung von Amidbindungen mit den HMDA-Linkern nachgewiesen werden (nicht gezeigt).The reaction was carried out with a very large excess of diamine (30 times, based on the amount of carboxyl groups in the polymer) to prevent the cross-linking of hyaluronic acid. By 1 H NMR spectra, the successful coupling of the HMDA linker and ATR-IR spectra revealed the successful functionalization of the carboxyl groups through formation of amide bonds with the HMDA linkers (not shown).

Modifikation von Hyaluronsäure mit Adipinsäurediazid:Modification of hyaluronic acid with adipic acid diazide:

Zur Synthese des Adipinsäuredihydrazid (ADH) Derivats wurde die Synthesevorschrift abgewandelt. Da ADH eine geringere Basizität als HMDA zeigt, ist die Kupplung bereits im sauren pH-Bereich von 4,8 möglich. Deshalb konnte auf die Zugabe von NHS verzichtet werden:

Figure DE102016122837A1_0018
For the synthesis of the adipic dihydrazide (ADH) derivative, the method of synthesis was modified. Since ADH shows a lower basicity than HMDA, the coupling is possible even in the acidic pH range of 4.8. Therefore, the addition of NHS could be omitted:
Figure DE102016122837A1_0018

Eine Natriumhyaluronatlösung mit 3   m g m L

Figure DE102016122837A1_0019
wurde hergestellt durch lösen von 500 mg Natriumhyaluronat in 170 mL H2O. Bezogen auf die Menge der Carboxylgruppen im Polymer wurde ein 40-fach molarer Überschuss an Adipinsäuredihydrazid (ADH, 52,8 mmol, 9,2 g) zugegeben. Es wurde gewartet bis das ADH vollständig gelöst war (15 min). Der pH Wert der Reaktionsmischung wurde mittels 1 M HCl Lösung auf 4 eingestellt. Es wurde Ethanol (50 mL, 50 Volumenprozent (Vol%)) zugegeben und 30 Minuten gerührt. Es wurden 4 äq. EDC-HCl (5,3 mmol, 0,9 g) zugegeben.A sodium hyaluronate solution with 3 m G m L
Figure DE102016122837A1_0019
was prepared by dissolving 500 mg of sodium hyaluronate in 170 mL of H 2 O. Based on the amount of carboxyl groups in the polymer, a 40-fold molar excess of adipic dihydrazide (ADH, 52.8 mmol, 9.2 g) was added. It was waited until the ADH was completely dissolved (15 min). The pH of the reaction mixture was adjusted to 4 using 1 M HCl solution. Ethanol (50 mL, 50% by volume (vol%)) was added and stirred for 30 minutes. There were 4 eq. EDC-HCl (5.3 mmol, 0.9 g) was added.

Der pH Wert wurde für 2 h mittels 1 M HCl auf ca. 4,8 gehalten. Nach 2 h wurde die Reaktion gestoppt Neutralisation der Lösung mittels 1 M NaOH (pH = 7). Die Reaktionslösung wurde in vorgewaschene Dialysemembranschläuche gegeben ( MWCO = 3500   g m o l )

Figure DE102016122837A1_0020
und für 9 Tage dialysiert. 1 Tag wurde gegen 100 mM NaCl Lösung dialysiert und danach abwechselnd einen Tag gegen 25 Vol% Ethanollösung und einen Tag gegen VE Wasser. Der Ethanol/VE Wasser Zyklus wurde 4 Mal wiederholt. Die Polymerlösung wurde schließlich 3 Tage gefriergetrocknet. Der Grad der ADH Funktionalisierung wurde mittels 1H-NMR Spektroskopie bestimmt. 53 % ADH Funktionalisierung.The pH was maintained at 4.8 for 2 h using 1 M HCl. After 2 h, the reaction was stopped neutralization of the solution using 1 M NaOH (pH = 7). The reaction solution was placed in prewashed dialysis membrane tubing ( MWCO = 3500 G m O l )
Figure DE102016122837A1_0020
and dialysed for 9 days. 1 day was dialyzed against 100 mM NaCl solution and then alternately one day against 25 vol% ethanol solution and one day against deionized water. The ethanol / VE water cycle was repeated 4 times. The polymer solution was finally freeze-dried for 3 days. The degree of ADH functionalization was determined by 1 H NMR spectroscopy. 53% ADH functionalization.

Die Synthese kann unter großem Überschuss an ADH um hier ebenfalls die Vernetzung der Hyaluronsäure zu verhindern erfolgen. Bei beiden Synthesen musste das Produkt ausgiebig dialysiert werden, um den großen Überschuss des HMDA bzw. ADH zu entfernen. Durch 1H-NMR-Spektren konnte die erfolgreiche Synthese der ADH-modifizierten Hyaluronsäure und durch ATR-IR-Spektren die erfolgreiche Funktionalisierung der Carboxylgruppen durch Ausbildung von Amidbindungen mit dem ADH nachgewiesen werden (nicht gezeigt).The synthesis can be carried out with a large excess of ADH to prevent the cross-linking of hyaluronic acid here as well. In both syntheses, the product had to be extensively dialyzed to remove the large excess of HMDA or ADH. By 1 H NMR spectra, the successful synthesis of ADH-modified hyaluronic acid and ATR-IR spectra demonstrated the successful functionalization of the carboxyl groups by forming amide bonds with the ADH (not shown).

HMDA modifizierte Alginsäure:HMDA modified alginic acid:

Analog zur Hyaluronsäure kann auch die Alginsäure mit HMDA funktionalisiert werden. Die Kupplung kann nach einer Vorschrift zur Octylaminfunktionalisierung von Alginsäure erfolgten:

Figure DE102016122837A1_0021
Similar to hyaluronic acid, alginic acid can also be functionalized with HMDA. The coupling can be carried out according to a specification for the octylamine functionalization of alginic acid:
Figure DE102016122837A1_0021

30 mL wässrige Natriumalginat mit 3 wt% (1 g Natriumalginat) wurde in einem Kolben vorgelegt und der pH Wert mittels 0,1 M HCl auf 3,4 eingestellt. Die Polymerlösung wurde dadurch auf 50 mL verdünnt (2 wt%). In 4 mL H2O wurden 797,5 mg (4, 16 mmol) EDC-HCl gelöst und zu der Polymerlösung gegeben. Das Verhältnis der EDC Menge zu den Carboxylfunktionalitäten betrug somit 0,7. Die Konzentration des EDC wurde durch die molare Häufigkeit der Natriumalginat Monomere ( M = 168,11   g m o l )

Figure DE102016122837A1_0022
im Polymer. Nach 5 min Reaktionszeit wurden 10 äq. Hexamethylendiamin (7, 05 g) zugegeben. Die Lösung wurde 24 h bei Raumtemperatur gerührt. Das Polymer wurde in Aceton ausgefällt, nach Trocknung in H2O gelöst und gegen H2O dialysiert. Das Wasser wurde 2 Mal täglich gewechselt. Nach 9-tägiger Dialyse wurde die Polymerlösung 4 Tage gefriergetrocknet. Es wurde 938 mg Produkt erhalten. Der Grad der HMDA Funktionalisierung wurde mittels 1H-NMR Spektroskopie bestimmt. 31,5 % HMDA Funktionalisierung.30 mL aqueous sodium alginate with 3 wt% (1 g sodium alginate) was placed in a flask and the pH was adjusted to 3.4 by means of 0.1 M HCl. The polymer solution was thereby diluted to 50 mL (2 wt%). In 4 mL H 2 O, 797.5 mg (4.16 mmol) of EDC-HCl was dissolved and added to the polymer solution. The ratio of EDC amount to carboxyl functionalities was thus 0.7. The concentration of EDC was determined by the molar frequency of sodium alginate monomers ( M = 168.11 G m O l )
Figure DE102016122837A1_0022
in the polymer. After a reaction time of 5 minutes, 10 eq. Hexamethylenediamine (7.05 g) was added. The solution was stirred at room temperature for 24 h. The polymer was precipitated in acetone, dissolved after drying in H 2 O and against H 2 O dialysed. The water was changed twice a day. After 9 days of dialysis, the polymer solution was freeze-dried for 4 days. There was obtained 938 mg of product. The degree of HMDA functionalization was determined by 1 H NMR spectroscopy. 31.5% HMDA functionalization.

Die Synthese kann unter großem Überschuss von HMDA erfolgten, um die Vernetzung der Alginsäure zu verhindern. Das Produkt kann ausgiebig dialysiert werden, um es vom überschüssigen HMDA zu befreien. Durch 1H-NMR-Spektren konnte die erfolgreiche Kupplung des HMDA Linkers und durch ATR-IR-Spektren die erfolgreiche Funktionalisierung der Carboxylgruppen durch Ausbildung von Amidbindungen mit den HMDA-Linkern nachgewiesen werden (nicht gezeigt).The synthesis can be done with a large excess of HMDA to prevent crosslinking of alginic acid. The product can be extensively dialyzed to rid it of excess HMDA. By 1 H NMR spectra, the successful coupling of the HMDA linker and ATR-IR spectra revealed the successful functionalization of the carboxyl groups through formation of amide bonds with the HMDA linkers (not shown).

Funktionalisierung der PEEK-Oberfläche mit Polysacchariden: Für die weitere Funktionalisierung der PEEK-Oberfläche können unterschiedliche Strategien verfolgt werden. Zum einen können verschieden modifizierte Polysaccharide mit Aminfunktionalitäten versehen und im nächsten Schritt an die Carboxylgruppen auf der PEEK-Oberfläche gekuppelt werden. Der andere Ansatz geht von der Modifikation der Carboxylgruppen auf der Oberfläche durch Diamine aus, um im nächsten Schritt unmodifizierte Polysaccharide ankuppeln zu können.Functionalization of the PEEK surface with polysaccharides: Different strategies can be pursued for the further functionalization of the PEEK surface. On the one hand, differently modified polysaccharides can be provided with amine functionalities and, in the next step, coupled to the carboxyl groups on the PEEK surface. The other approach is based on the modification of the carboxyl groups on the surface by diamines in order to be able to couple unmodified polysaccharides in the next step.

Kupplung aminfunktionalisierter Polysaccharide:Coupling of amine-functionalized polysaccharides:

Um die Polysaccharide auf das Polymersubstrat aufbringen zu können, sollte eine Peptidbindung aufgebaut werden. Es kann einerseits die klassische EDC/NHS Kupplungschemie verwendet werden. Andererseits kann auch mit dem modernen Kupplungsreagenz DMT-MM gearbeitet werden. Die klassische EDC/NHS Kupplung kann zweistufig durchgeführt werden. Nach 20-minütiger Aktivierung der PEEK-Folie im leicht sauren MES Puffer kann die Kupplung mit den modifizierten Polysacchariden im leicht basischen Phosphat-Puffer über Nacht durchgeführt werden:

Figure DE102016122837A1_0023
In order to be able to apply the polysaccharides to the polymer substrate, a peptide bond should be built up. On the one hand, the classic EDC / NHS coupling chemistry can be used. On the other hand, it is also possible to work with the modern coupling reagent DMT-MM. The classic EDC / NHS coupling can be carried out in two stages. After activation of the PEEK film in the slightly acidic MES buffer for 20 minutes, the coupling with the modified polysaccharides in the slightly basic phosphate buffer can be carried out overnight:
Figure DE102016122837A1_0023

Als alternative Kupplungsreaktion kann die einstufige Kupplung mit dem modernen Kupplungsreagenz 4-(4,6-Dimethoxy-1,3,5-triazin-2-yl)-4-methylmorpholinium chloride (DMT-MM) gewählt werden. Der Aktivierungsmechanismus und die anschließende Ausbildung der Peptidbindung können so erfolgen:

Figure DE102016122837A1_0024
As an alternative coupling reaction, the one-step coupling with the modern coupling reagent 4- (4,6-dimethoxy-1,3,5-triazin-2-yl) -4-methylmorpholinium chloride (DMT-MM) can be chosen. The activation mechanism and the subsequent formation of the peptide bond can be carried out as follows:
Figure DE102016122837A1_0024

Sie hat den Vorteil, dass die Reaktion bei einem konstanten pH Wert von 9 durchgeführt werden kann und das Reaktionsgefäß zwischen Aktivierung und Kupplung nicht gewechselt werden muss. Die Kupplung bei pH 9 ist im Vergleich zur Kupplung an den NHS Ester bei pH 7,3 deutlich schneller, da die Amine bei pH 9 größtenteils als freies Amin vorliegen, was wichtig für den nukleophilen Angriff auf das aktivierte Carbonylzentrum ist. Die NHS Kupplung kann bei so hohen pH-Werten nicht durchgeführt werden, da der NHS Ester in der wässrigen Lösung sonst zu schnell hydrolysiert wird:

Figure DE102016122837A1_0025
It has the advantage that the reaction can be carried out at a constant pH of 9 and the reaction vessel between activation and coupling must not be changed. The coupling at pH 9 is significantly faster compared to the coupling to the NHS ester at pH 7.3, since the amines at pH 9 are largely free amine, which is important for nucleophilic attack on the activated carbonyl center. The NHS coupling can not be carried out at such high pH values as otherwise the NHS ester is hydrolyzed too quickly in the aqueous solution:
Figure DE102016122837A1_0025

Modifikation der iminfunktionalisierten PEEK-Oberfläche:Modification of the imino-functionalized PEEK surface:

Die iminfunktionalisierte PEEK-Oberfläche kann unter identischen Reaktionsbedingungen mit nativer Hyaluronsäure und Alginsäure umgesetzt werden.The imine-functionalized PEEK surface can be reacted under identical reaction conditions with native hyaluronic acid and alginic acid.

Direkte Modifikation der iminierten PEEK-Oberfläche mit nativer Hyaluronsäure. Die Kupplung erfolgte mittels DMT-MM in wässiger Phosphatpufferlösung bei pH =8:

Figure DE102016122837A1_0026
Direct modification of the imitated PEEK surface with native hyaluronic acid. The coupling was carried out by means of DMT-MM in an aqueous phosphate buffer solution at pH = 8:
Figure DE102016122837A1_0026

Direkte Modifikation der iminierten PEEK-Oberfläche mit nativer Alginsäure. Die Kupplung erfolgte mittels DMT-MM in wässiger Phosphatpufferlösung bei pH =8 (Aminierte PEEK Folie wurde mit Polysaccharid in PBS Puffer (PBS: Phosphate Buffer Saline) bei pH=8 (67 mM) in 1 mM DMT-MM Lösung über Nacht geschüttelt. Konzentration von Hyaluronsäure: 0,1 mg/mL; Alginsäure: 0,05 mg/mL. Es wurde dreimal mit MilliQ Wasser gewaschen):

Figure DE102016122837A1_0027
Direct modification of the imitated PEEK surface with native alginic acid. The coupling was carried out by means of DMT-MM in an aqueous phosphate buffer solution at pH = 8 (aminated PEEK film was shaken with polysaccharide in PBS buffer (PBS: phosphate buffer saline) at pH = 8 (67 mM) in 1 mM DMT-MM solution overnight. Concentration of hyaluronic acid: 0.1 mg / mL, alginic acid: 0.05 mg / mL, washed three times with MilliQ of water):
Figure DE102016122837A1_0027

Modifikation der mit Polyacrylsäure beschichteten-PEEK-Oberfläche:Modification of the polyacrylic acid coated PEEK surface:

Die Beschichtung der PEEK-Substrate mit Polyacrylsäure war, wie oben beschrieben wurde, sehr erfolgreich. Die sehr große Menge an Carboxylgruppen die dadurch auf der PEEK-Oberfläche eingeführt werden konnte, sollte nun als Angriffspunkt für die weitere Funktionalisierung mit verschiedenen Polysaccharidderivaten dienen. So wurden Kupplungsreaktionen mit ADH-Hyaluronsäure, HMDA-Hyaluronsäure, deacetylierter Hyaluronsäure und HMDA-Alginsäure durchgeführt.The coating of the PEEK substrates with polyacrylic acid was very successful as described above. The very large amount of carboxyl groups that could thereby be introduced on the PEEK surface should now serve as a target for further functionalization with various polysaccharide derivatives. Thus, coupling reactions were carried out with ADH-hyaluronic acid, HMDA-hyaluronic acid, deacetylated hyaluronic acid and HMDA-alginic acid.

Modifikation der mit Polyacrylsäure beschichteten PEEK-Oberfläche mit ADH-Hyaluronsäure. Die Kupplung erfolgte mittels DMT-MM in wässriger Phosphatpufferlösung bei pH =8:

Figure DE102016122837A1_0028
Modification of the polyacrylic acid coated PEEK surface with ADH-hyaluronic acid. The coupling was carried out by means of DMT-MM in aqueous phosphate buffer solution at pH = 8:
Figure DE102016122837A1_0028

Die Reaktion erfolgte unter denselben Bedingungen wie die vorherigen Kupplungen. The reaction was carried out under the same conditions as the previous couplings.

Modifikation der mit Polyacrylsäure beschichteten PEEK-Oberfläche mit HMDA-Hyaluronsäure. Die Kupplung erfolgte mittels DMT-MM in wässriger Phosphatpufferlösung bei pH =8:

Figure DE102016122837A1_0029
Modification of the polyacrylic acid coated PEEK surface with HMDA-hyaluronic acid. The coupling was carried out by means of DMT-MM in aqueous phosphate buffer solution at pH = 8:
Figure DE102016122837A1_0029

Modifikation der mit Polyacrylsäure beschichteten PEEK-Oberfläche mit HMDA-Alginsäure. Die Kupplung erfolgte mittels DMT-MM in wässriger Phosphatpufferlösung bei pH =8:

Figure DE102016122837A1_0030
Modification of the polyacrylic acid coated PEEK surface with HMDA-alginic acid. The coupling was carried out by means of DMT-MM in aqueous phosphate buffer solution at pH = 8:
Figure DE102016122837A1_0030

Modifikation der mit Polyacrylsäure beschichteten PEEK-Oberfläche mit deacetylierter Hyaluronsäure. Die Kupplung erfolgte mittels DMT-MM in wässriger Phosphatpufferlösung bei pH =8:

Figure DE102016122837A1_0031
Modification of the polyacrylic acid coated PEEK surface with deacetylated hyaluronic acid. The coupling was carried out by means of DMT-MM in aqueous phosphate buffer solution at pH = 8:
Figure DE102016122837A1_0031

Insgesamt wurden noch bedeutend mehr Kupplungsversuche an das PEEK-Substrat durchgeführt. Der Überblick über die Reaktionen ist in Tabelle 2Tabelle 2 dargestellt. Die mit einem X markierten Kupplungen wurden durchgeführt. Alle Reaktionen wurden unter denselben basischen Bedingungen mit Hilfe von DMT-MM als Kupplungsreagenz durchgeführt. Tabelle 2: Übersicht über die erfolgten Polysaccharidkupplungen an PEEK-Substrate. Hya Alg Deac.-Hya ADH-Hya HMDA-Hya HMDA-Alg PEEK-Imin X X PEEK-Imin-COOH X X X X PEEK-PAA X X X X PEEK-PAA-Amin X X Overall, significantly more coupling experiments were carried out on the PEEK substrate. The overview of the reactions is shown in Table 2, Table 2. The couplings marked with an X were carried out. All reactions were carried out under the same basic conditions using DMT-MM as coupling reagent. Table 2: Overview of the polysaccharide couplings to PEEK substrates. Hya Alg Deac.-Hya ADH Hya HMDA Hya HMDA Alg PEEK Imin X X PEEK-imine COOH X X X X PEEK PAA X X X X PEEK-PAA-amine X X

Die den einzelnen Reaktionen zugehörigen Reaktionsschemata sind wie folgt: Durch ATR-IR-Spektren wurde die erfolgreiche Funktionalisierung nachgewiesen (nicht gezeigt).The reaction schemes associated with each reaction are as follows: ATR-IR spectra demonstrated successful functionalization (not shown).

Direkte Modifikation der iminierten PEEK-Oberfläche mit nativer Alginsäure. Die Kupplung erfolgte mittels DMT-MM in wässiger Phosphatpufferlösung bei pH =8:

Figure DE102016122837A1_0032
Direct modification of the imitated PEEK surface with native alginic acid. The coupling was carried out by means of DMT-MM in an aqueous phosphate buffer solution at pH = 8:
Figure DE102016122837A1_0032

Modifikation der iminierten und carboxylierten PEEK-Oberfläche mit ADH-Hyaluronsäure. Die Kupplung erfolgte mittels DMT-MM in wässriger Phosphatpufferlösung bei pH =8:

Figure DE102016122837A1_0033
Modification of the iminated and carboxylated PEEK surface with ADH-hyaluronic acid. The coupling was carried out by means of DMT-MM in aqueous phosphate buffer solution at pH = 8:
Figure DE102016122837A1_0033

Modifikation der iminierten und carboxylierten PEEK-Oberfläche mit HMDA-Hyaluronsäure. Die Kupplung erfolgte mittels DMT-MM in wässriger Phosphatpufferlösung bei pH =8:

Figure DE102016122837A1_0034
Modification of the iminated and carboxylated PEEK surface with HMDA-hyaluronic acid. The coupling was carried out by means of DMT-MM in aqueous phosphate buffer solution at pH = 8:
Figure DE102016122837A1_0034

Modifikation der iminierten und carboxylierten (Bernsteinsäure) PEEK-Oberfläche mit HMDA-Alginsäure. Die Kupplung erfolgte mittels DMT-MM in wässriger Phosphatpufferlösung bei pH =8:

Figure DE102016122837A1_0035
Modification of the iminated and carboxylated (succinic acid) PEEK surface with HMDA-alginic acid. The coupling was carried out by means of DMT-MM in aqueous phosphate buffer solution at pH = 8:
Figure DE102016122837A1_0035

Modifikation der iminierten und carboxylierten PEEK-Oberfläche mit deacetylierter Hyaluronsäure. Die Kupplung erfolgte mittels DMT-MM in wässriger Phosphatpufferlösung bei pH =8:

Figure DE102016122837A1_0036
Modification of the iminated and carboxylated PEEK surface with deacetylated hyaluronic acid. The coupling was carried out by means of DMT-MM in aqueous phosphate buffer solution at pH = 8:
Figure DE102016122837A1_0036

Modifikation der mit Polyacrylsäure beschichteten PEEK-Oberfläche mit ADH-Hyaluronsäure. Die Kupplung erfolgte mittels DMT-MM in wässriger Phosphatpufferlösung bei pH =8:

Figure DE102016122837A1_0037
Modification of the polyacrylic acid coated PEEK surface with ADH-hyaluronic acid. The coupling was carried out by means of DMT-MM in aqueous phosphate buffer solution at pH = 8:
Figure DE102016122837A1_0037

Modifikation der mit Polyacrylsäure beschichteten PEEK-Oberfläche mit HMDA-Hyaluronsäure. Die Kupplung erfolgte mittels DMT-MM in wässriger Phosphatpufferlösung bei pH =8:

Figure DE102016122837A1_0038
Modification of the polyacrylic acid coated PEEK surface with HMDA-hyaluronic acid. The coupling was carried out by means of DMT-MM in aqueous phosphate buffer solution at pH = 8:
Figure DE102016122837A1_0038

Modifikation der mit Polyacrylsäure beschichteten PEEK-Oberfläche mit HMDA-Alginsäure. Die Kupplung erfolgte mittels DMT-MM in wässriger Phosphatpufferlösung bei pH =8:

Figure DE102016122837A1_0039
Modification of the polyacrylic acid coated PEEK surface with HMDA-alginic acid. The coupling was carried out by means of DMT-MM in aqueous phosphate buffer solution at pH = 8:
Figure DE102016122837A1_0039

Modifikation der mit Polyacrylsäure beschichteten PEEK-Oberfläche mit deacetylierter Hyaluronsäure. Die Kupplung erfolgte mittels DMT-MM in wässriger Phosphatpufferlösung bei pH =8:

Figure DE102016122837A1_0040
Modification of the polyacrylic acid coated PEEK surface with deacetylated hyaluronic acid. The coupling was carried out by means of DMT-MM in aqueous phosphate buffer solution at pH = 8:
Figure DE102016122837A1_0040

Modifikation der mit Polyacrylsäure beschichteten und anschließend mit Tetramethylendiamin behandelten PEEK-Oberfläche mit nativer Hyaluronsäure. Die Kupplung erfolgte mittels DMT-MM in wässriger Phosphatpufferlösung bei pH = 8:

Figure DE102016122837A1_0041
Modification of the polyacrylic acid-coated and then tetramethylenediamine-treated PEEK surface with native hyaluronic acid. The coupling was carried out by means of DMT-MM in aqueous phosphate buffer solution at pH = 8:
Figure DE102016122837A1_0041

Modifikation der mit Polyacrylsäure beschichteten und anschließend mit Tetramethylendiamin behandelten PEEK-Oberfläche mit nativer Alginsäure. Die Kupplung erfolgte mittels DMT-MM in wässriger Phosphatpufferlösung bei pH = 8:

Figure DE102016122837A1_0042
Modification of the polyacrylic acid-coated and then treated with tetramethylenediamine PEEK surface with native alginic acid. The coupling was carried out by means of DMT-MM in aqueous phosphate buffer solution at pH = 8:
Figure DE102016122837A1_0042

Modifikation der iminierten PEEK-Oberfläche mit angekuppelter Bernsteinsäure mit nativer Alginsäure. Die Kupplung erfolgte mittels DMT-MM in wässriger Phosphatpufferlösung bei pH =8:

Figure DE102016122837A1_0043
Modification of the imitated PEEK surface with coupled succinic acid with native alginic acid. The coupling was carried out by means of DMT-MM in aqueous phosphate buffer solution at pH = 8:
Figure DE102016122837A1_0043

Mineralisierungsversuche mit Hydroxylapatit:

  • Zudem können drei unterschiedliche Ansätze zur Mineralisierung von Hydroxylapatit in per PEEK-PAA Probe durchgeführt werden.
  • Zum einen können zwei Versuche mit Calciumprästrukturierung unternommen werden und einer mit Phosphat-Prästrukturierung.
Mineralization experiments with hydroxyapatite:
  • In addition, three different approaches to the mineralization of hydroxyapatite in PEEK-PAA sample can be performed.
  • On the one hand, two attempts can be made with calcium pre-structuring and one with phosphate pre-structuring.

Hier wäre die folgende Ca-Prästrukturierung möglich:Here the following ca-prestructuring would be possible:

Eine etablierte Syntheseroute für Hydroxylapatit kann abgewandelt und für die Mineralisierung von PEEK-PA Folien verwendet werden. Die PEEK-PA Folie kann in 0,3 M Calciumchlorid-Lösung bei einem gepufferten pH-Wert von 9 vorgelegt und für 30 Minuten gerührt werden. Nun wurde eine ebenfalls bei pH = 9 gepufferte Dinatriumhydrogenphosphat-Lösung mit einer Rate von 3   m L m i n

Figure DE102016122837A1_0044
zugegeben. Nach vollständiger Zugabe wurde die Mischung über Nacht gerührt.An established hydroxyapatite synthesis route can be modified and used for the mineralization of PEEK-PA films. The PEEK-PA film can be placed in 0.3 M calcium chloride solution at a buffered pH of 9 and stirred for 30 minutes. Now, a disodium hydrogen phosphate solution also buffered at pH = 9 was added at a rate of 3 m L m i n
Figure DE102016122837A1_0044
added. After complete addition, the mixture was stirred overnight.

Es könnte zudem eine Ca-Prästrukturierung und Phosphatprästrukturierung durchgeführt werden: In addition, a Ca-prestructuring and phosphate pre-structuring could be carried out:

Es können ebenfalls simplere Varianten der Mineralisierung durchgeführt werden. PEEK-PAA Proben wurden 72 h in Diammoniumhydrogenphosphat (Phosphatprästrukturierung, 6 mL Gläschen mit 1 M wässriger (NH4)2HPO4-Lösung), respektive Calciumnitrat Cal (6 mL Gläschen mit 1 M wässriger Ca(NO3)2-Lösung) gegeben. Nach dieser Ruhezeit wurden die Proben in die jeweils andere Lösung (0,6 M (NH4)2HPO4 bzw. 0,6 M Ca (NO3)2-Lösung) gegeben und für eine Woche darin belassen, um den Gegenionen zu ermöglichen ebenfalls ins Gel zu diffundieren.Simpler variants of mineralization can also be performed. PEEK-PAA samples were incubated for 72 h in diammonium hydrogen phosphate (phosphate pre-structuring, 6 mL vials with 1 M aqueous (NH 4 ) 2 HPO 4 solution) or calcium nitrate Cal (6 mL vials with 1 M aqueous Ca (NO 3 ) 2 solution) given. After this rest period, the samples were placed in the other solution (0.6 M (NH 4 ) 2 HPO 4 or 0, respectively). 6M Ca (NO 3 ) 2 solution) and left for a week to allow the counterions to diffuse into the gel as well.

ZusammenfassungSummary

Es wurde an der Oberflächenfunktionalisierung des Knochenimplantatkunststoffs Polyetheretherketon gearbeitet, um einen besseren Einbau in das behandelte Knochenareal zu ermöglichen. Es wurden Polyetheretherketon-Oberflächen erfolgreich mit verschiedenen Methoden chemisch modifiziert. Dabei wurden die Oberflächeneigenschaften mit Hilfe kleiner Moleküle verändert und Hydroxyl-, Carboxyl- und Iminfunktionalitäten auf der Oberfläche erhalten. Die modifizierte Oberfläche wurde mittels ATR-IR-Spektroskopie analysiert und charakterisiert (nicht gezeigt). Des Weiteren wurden auf der Polyetheretherketon-Oberfläche mittels UV-induzierter grafting-Polymerisation funktionelle Polymere, wie Polyacrylsäure, aber auch Polymethylacrylat (PMA), abgeschieden. Die Polyacrylsäureschicht wurde mit unterschiedlichen Oberflächen-Analytikmethoden, wie ATR-Infrarotspektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Konfokaler Laser-Scanning Mikroskopie untersucht, um spektroskopische Informationen über die Oberfläche zu bekommen und um ein genaues Bild von deren Topographie zu erhalten (nicht gezeigt). Es wurde die Polyacrylsäure-Schicht durch die Ankupplung von Diaminlinkern modifiziert, damit später mit organischen Säuren Amidbindungen ausgebildet werden können. Um quantitative Aussagen über den Grad der Oberflächenfunktionalisierung mit Aminogruppen treffen zu können, wurde der spaltbare Fluoreszenzfarbstoff C-Cumarin synthetisiert mit dem sich die zugänglichen Aminogruppen auf der Oberfläche indirekt quantifizierten ließen. Die Quantifizierung gelang bei den Proben, die direkt mit Diaminen iminfunktionalisiert wurden.Work has been done on the surface functionalization of the bone graft plastic polyetheretherketone to allow for better incorporation into the treated bone area. Polyetheretherketone surfaces have been successfully chemically modified by various methods. The surface properties were changed with the help of small molecules and hydroxyl, carboxyl and imine functionalities were obtained on the surface. The modified surface was analyzed and characterized by ATR-IR spectroscopy (not shown). Furthermore, functional polymers, such as polyacrylic acid, but also polymethyl acrylate (PMA) were deposited on the polyetheretherketone surface by means of UV-induced grafting polymerization. The polyacrylic acid layer was examined by various surface analysis methods, such as ATR infrared spectroscopy, scanning electron microscopy, and confocal laser scanning microscopy, to obtain spectroscopic information about the surface and to obtain an accurate picture of its topography (not shown). The polyacrylic acid layer was modified by the coupling of diamine linkers, so that later can be formed with organic acids amide bonds. In order to be able to make quantitative statements about the degree of surface functionalization with amino groups, the cleavable fluorescent dye C-coumarin was synthesized with which the accessible amino groups on the surface could be indirectly quantified. The quantification was successful for the samples which were directly imin-functionalized with diamines.

Es wurde Hyaluronsäure mit Adipinsäuredihydrazid und Hexamethylendiamin und Alginsäure nur mit dem Diamin modifiziert um Amin-Linker für spätere Verankerungen an den verschiedenen Polyetheretherketon-Substraten anzukuppeln. Ebenso wurde Hyaluronsäure deacetyliert, um auf diese Weise Aminfunktionalitäten am Polysaccharid einzuführen. Die modifizierten Polysaccharide wurden mittels NMR- und ATR-infrarot-spektroskopischen Methoden charakterisiert (nicht gezeigt).Hyaluronic acid with adipic dihydrazide and hexamethylenediamine and alginic acid was modified only with the diamine to couple amine linker for subsequent anchoring to the various polyetheretherketone substrates. Likewise, hyaluronic acid was deacetylated to introduce amine functionality on the polysaccharide. The modified polysaccharides were characterized by NMR and ATR infrared spectroscopic methods (not shown).

Es wurden die zahlreichen modifizierten und nichtmodifizierten Polysaccharide an die komplementären PEEK-Substrate gekuppelt. Die gekuppelten Proben wurden mittels ATR-Infrarot-Spektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und teils mit Thermogravimetrie untersucht (nicht gezeigt).The numerous modified and unmodified polysaccharides were coupled to the complementary PEEK substrates. The coupled samples were analyzed by ATR infrared spectroscopy, scanning electron microscopy, and partly by thermogravimetry (not shown).

Ausblickoutlook

Da die oberflächeninduzierte radikalische Polymerisation sehr erfolgreich war, ergeben sich besonders in diesem Bereich einige Ansätze auf denen man weitere Arbeiten aufbauen könnte. Da sich die Einführung von Polysaccharidstrukturen auf der Polyetheretherketon-Oberfläche nicht als trivial erwies, die Polymerisation mit Acrylsäure aber sehr gut funktionierte, wäre es ein vielversprechender Ansatz die PEEK-Oberfläche direkt mit Polymeren aus modifizierten Acrylsäurederivaten zu beschichten. Als alternative Monomereinheiten auf Acrylsäure-Basis kämen beispielsweise mit Zuckermolekülen modifizierte Acrylsäurederivate in Betracht, für die bekannt ist, dass sie bei der Zelladhäsion von Osteoblasten eine wichtige Rolle spielen. Ebenso wäre es interessant wenn die Monomereinheiten Oligosaccharide der Hyaluronsäure, oder auch kurze haftvermittelnde RGD-Peptidsequenzen, etc. tragen würden:

Figure DE102016122837A1_0045
Since the surface-induced radical polymerization has been very successful, there are a number of approaches in this area where further work could be done. Since the introduction of polysaccharide structures on the polyetheretherketone surface did not prove to be trivial, but the polymerization with acrylic acid worked very well, it would be a promising approach to coat the PEEK surface directly with polymers of modified acrylic acid derivatives. Suitable acrylic acid-based monomer units would be, for example, acrylic acid derivatives modified with sugar molecules, which are known to play an important role in the cell adhesion of osteoblasts. It would also be interesting if the monomer units would carry oligosaccharides of hyaluronic acid, or else short adhesion-promoting RGD peptide sequences, etc.
Figure DE102016122837A1_0045

Eine sehr empfindliche Oberflächenanalytikmethode ist die Röntgenphotoelektronenspektroskopie. Auf diese Weise ließen sich eventuell doch Polysaccharide auf den Oberflächen der hergestellten Substrate nachweisen.A very sensitive surface analysis method is X-ray photoelectron spectroscopy. In this way, polysaccharides could possibly be detected on the surfaces of the substrates produced.

Die Untersuchung des Quellverhaltens der Polyacrylsäurelayer auf dem Polyetheretherketon-Substrat könnte ein Ansatz sein, die Kupplungsbedingungen zu optimieren, sodass auch mit einfachen Analytikmethoden Polysaccharidnachweise gelingen würden. Kupplungen in nicht wässrigen Medien wären auch denkbar, sind jedoch wegen der schlechten Löslichkeit der Polysaccharide mit Sicherheit ebenfalls problematisch.The investigation of the swelling behavior of the polyacrylic acid layers on the polyether ether ketone substrate could be an approach to optimize the coupling conditions so that polysaccharide detection would be possible even with simple analytical methods. Couplings in non-aqueous media would also be conceivable, but are certainly also problematic because of the poor solubility of the polysaccharides.

Weitere Versuche Hydroxylapatit in der Polyacrylsäureschicht abzuscheiden sollten ebenfalls unternommen werden, da die Hydroxylapatit-Beschichtung erwiesenermaßen positive Auswirkungen auf die Akzeptanz im Organismus haben. Further attempts to deposit hydroxyapatite in the polyacrylic acid layer should also be made, as the hydroxyapatite coating has been shown to have beneficial effects on organism acceptance.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • C. Henneuse; B. Goret; J. Marchand-Brynaert, Polymer 1998, 39, 835-844 und C. Henneuse-Boxus; E. Duliere; J. Marchand-Brynaert, European Polymer Journal 2001, 37, 9-18) [0046]C. Henneuse; Goret; J. Marchand-Brynaert, Polymer 1998, 39, 835-844 and C. Henneuse-Boxus; E. Duliere; J. Marchand-Brynaert, European Polymer Journal 2001, 37, 9-18). [0046]
  • siehe J. Knaus, Master Thesis 2013 Universität Konstanz und H. Cölfen; L. F. Tian; J. Knaus, 2016 [0047]see J. Knaus, Master Thesis 2013 University of Konstanz and H. Cölfen; L.F. Tian; J. Knaus, 2016 [0047]
  • B. Yameen; M. Alvarez; O. Azzaroni; U. Jonas; W. Knoll, Langmuir 2009, 25, 6214-6220 [0048]Yameen; M. Alvarez; O. Azzaroni; U. Jonas; W. Knoll, Langmuir 2009, 25, 6214-6220 [0048]
  • W. T. Yang, Journal of Polymer Science Part a-Polymer Chemistry 2007, 45, 745-755 [0052]W.T. Yang, Journal of Polymer Science Part a-Polymer Chemistry 2007, 45, 745-755. [0052]
  • 7-Hydroxicumarin-Fluorophor, Sub = Substrat und siehe S. Shiota; S. Yamamoto; A. Shimomura; A. Ojida; T. Nishino; T. Maruyama, Langmuir 2015, 31, 8824-8829) [0098]7-Hydroxicumarin fluorophore, Sub = substrate and see S. Shiota; S. Yamamoto; A. Shimomura; A. Ojida; T. Nishino; T. Maruyama, Langmuir 2015, 31, 8824-8829) [0098]

Claims (14)

Material für ein Knochenimplantat, umfassend: (a) eine Trägerstruktur mit einer Oberfläche, die zumindest ein biokompatibles Material umfasst, (b) eine kovalent an diese Oberfläche gebundene Matrix und (c) in diese Matrix eingelagertes Calciumphosphat, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix zumindest ein Polysaccharid aufweist.A bone implant material comprising: (a) a support structure having a surface comprising at least one biocompatible material, (b) a matrix covalently bonded to said surface, and (c) calcium phosphate incorporated into said matrix, characterized in that said matrix is at least having a polysaccharide. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polysaccharid ein pflanzliches Polysaccharid oder tierisches Polysaccharid ist.Material after Claim 1 , characterized in that the polysaccharide is a vegetable polysaccharide or animal polysaccharide. Material nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Polysaccharid ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Alginsäure, Alginat, Hyaluronsäure, Pektin, Carrageenan, Agarose, Amylose und Chitosan.Material after Claim 1 or Claim 2 , characterized in that the polysaccharide is selected from a group consisting of alginic acid, alginate, hyaluronic acid, pectin, carrageenan, agarose, amylose and chitosan. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polysaccharid ein chemisch modifiziertes Polysaccharid ist.Material according to one of the preceding claims, characterized in that the polysaccharide is a chemically modified polysaccharide. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das biokompatible Material ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem oxidischen Keramikmaterial, einem Polymermaterial, einem Kompositmaterial und Titan.Material according to one of the preceding claims, characterized in that the biocompatible material is selected from a group consisting of an oxide ceramic material, a polymer material, a composite material and titanium. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das biokompatible Material Polyetheretherketon (PEEK) ist.Material according to one of the preceding claims, characterized in that the biocompatible material is polyetheretherketone (PEEK). Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polysaccharid über einen Linker an das biokompatible Material gebunden ist, wobei der Linker ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Diamin-Linker, einem Diamin und Bernsteinsäure-Linker und einem Polyacrylsäure-Linker.The material of any one of the preceding claims, characterized in that the polysaccharide is linked to the biocompatible material via a linker, wherein the linker is selected from a group consisting of a diamine linker, a diamine and succinic acid linker, and a polyacrylic acid linker. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (a) das biokompatibles Material PEEK ist, (b) das Polysaccharid Alginsäure ist und (c) das in diese Matrix eingelagerte Calciumphosphat Hydroxylapatit, insbesondere kristallines Hydroxylapatit ist.Material according to any one of the preceding claims, characterized in that (a) the biocompatible material is PEEK, (b) the polysaccharide is alginic acid and (c) the calcium phosphate embedded in this matrix is hydroxyapatite, in particular crystalline hydroxyapatite. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kovalent gebundene Matrix eine Schichtdicke von 100 bis 150 nm aufweist.Material according to one of the preceding claims, characterized in that the covalently bonded matrix has a layer thickness of 100 to 150 nm. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix die gesamte Oberfläche der Trägerstruktur bedeckt.Material according to one of the preceding claims, characterized in that the matrix covers the entire surface of the support structure. Verfahren zur Herstellung eines Materials für ein Knochenimplantat, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen einer Trägerstruktur mit einer Oberfläche, umfassend ein biokompatibles Material, (b) kovalentes Ankoppeln einer Matrix, umfassend zumindest ein Polysaccharid, an diese Oberfläche, und (c) Mineralisieren der Matrix mit Calciumphosphat.Method for producing a material for a bone implant, in particular according to one of the Claims 1 to 10 comprising the steps of: (a) providing a support structure having a surface comprising a biocompatible material, (b) covalently attaching a matrix comprising at least one polysaccharide to said surface, and (c) mineralizing the matrix with calcium phosphate. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (b) die folgenden Schritte umfasst: (b1) kovalentes Ankoppeln eines Linkermoleküls, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Diamin-Linker oder einem Diamin Linker und einem Bernsteinsäure-Linker oder UVgegrafteter Polyacrylsäure, an die aktivierte Oberfläche, und (b2) kovalentes Ankoppeln des Polysaccharids mit Carbonsäuregruppen an das Diamin Linkermolekül oder des Hexamethylendiamin modifizierten Polysaccharids an den Bernsteinsäure Linker oder des unmodifizierten Polysaccharids über Esterbindungen an den Polyacrysäure-Linker.Method according to Claim 11 characterized in that step (b) comprises the steps of: (b1) covalently coupling a linker molecule selected from the group consisting of a diamine linker or a diamine linker and a succinic acid linker or UV-grafted polyacrylic acid to which has been activated Surface, and (b2) covalently coupling the polysaccharide having carboxylic acid groups to the diamine linker molecule or the hexamethylenediamine modified polysaccharide to the succinic acid linker or the unmodified polysaccharide via ester linkages to the polyacryric acid linker. Knochenimplantat auf das ein Knochenimplantatmaterial nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10 aufgebracht ist.Bone implant on the bone implant material after at least one of Claims 1 to 10 is applied. Verwendung des Materials nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10 als Knochenimplantatmaterial. Use of the material according to at least one of Claims 1 to 10 as a bone implant material.
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