DE102017005036A1 - INDIVIDUAL BIOMATERIAL VESSEL FOR THE RECONSTRUCTION OF BONE DEFECTS - Google Patents

INDIVIDUAL BIOMATERIAL VESSEL FOR THE RECONSTRUCTION OF BONE DEFECTS Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abdeckung und/oder Rekonstruktion einer Knochendefektstelle, die einen mit einem partikulärem Material unterfüllbaren Hohlraum zwischen Defektoberfläche und der dem Knochendefekt zugewandten Oberfläche der Vorrichtung aufweist, welcher einen Aufsatz bildet umfassend • einen einen Rahmen bildenden 3-dimensionalen Festkörper, und • eine darauf befestigte Membran, welche beide jeweils aus demselben oder unterschiedlichen Biomaterialien bestehen und eine dem Knochendefekt abgewandte Oberfläche und eine dem Knochendefekt zugewandte Oberfläche aufweisen, wobei die Abmessungen und 3-dimensionale Geometrie des Rahmens durch die Oberflächendaten des Knochendefektes, die mit Hilfe eines Schichtbildgebungsverfahrens gewonnen und mittels CAD-CAM-Technik weiterverarbeitet wurden, definiert sind. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, ein angepasster Rahmen und ein System zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.The invention relates to a device for covering and / or reconstruction of a bone defect site, which has an underfillable with a particulate material cavity between the defect surface and the bone defect facing surface of the device, which forms an essay comprising a frame forming a 3-dimensional solid, and A membrane fixed thereon, each consisting of the same or different biomaterials and having a bone defect facing surface and a bone defect facing surface, the dimensions and 3 dimensional geometry of the frame being determined by the surface defect data obtained by a slice imaging technique and further processed using CAD-CAM technology. Another object of the invention is a method, an adapted frame and a system for producing the device according to the invention.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

1. TECHNISCHES GEBIET1. TECHNICAL AREA

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abdeckung und/oder Rekonstruktion einer Knochendefektstelle, die einen mit einem partikulärem Material unterfüllbaren Hohlraum zwischen Defektoberfläche und der dem Knochendefekt zugewandten Oberfläche der Vorrichtung aufweist, welcher einen Aufsatz bildet umfassend

  • • einen einen Rahmen bildenden 3-dimensionalen Festkörper, und
  • • eine darauf befestigte Membran,
welche beide jeweils aus demselben oder unterschiedlichen Biomaterialien bestehen und eine dem Knochendefekt abgewandte Oberfläche und eine dem Knochendefekt zugewandte Oberfläche aufweisen. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, ein angepasster Rahmen und ein System zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.The invention relates to a device for covering and / or reconstruction of a bone defect site comprising a cavity which can be filled with a particulate material between the defect surface and the bone defect facing surface of the device, which comprises an attachment
  • A frame forming a 3-dimensional solid, and
  • A membrane attached thereto,
which both each consist of the same or different biomaterials and have a surface facing away from the bone defect and a surface facing the bone defect. Another object of the invention is a method, an adapted frame and a system for producing the device according to the invention.

2. STAND DER TECHNIK2. State of the art

Es besteht ein großer Bedarf an Biomaterialien zum Ersatz von Knochengewebe und als Leitstruktur zum Wachsen von neuem Knochen, in der Knochenchirurgie in Orthopädie, Zahnmedizin und anderen Gebieten zur Wiederherstellung von knöchernen Strukturen nach altersbedingter Resorption oder Verlust durch andere Ursache, wie Tumorresektion, Zahnverlust, Trauma oder anderen.There is a great need for biomaterials for replacement of bone tissue and as a lead structure for new bone growth, bone surgery in orthopedics, dentistry and other fields for the restoration of bony structures after age-related resorption or loss due to other causes such as tumor resection, tooth loss, trauma or others.

Bei nicht ausreichendem Knochenangebot wird ein Knochenaufbau durchgeführt. Dies kann eine Erhöhung des Alveolarkammes sein oder eine Sinusbodenelevation. Der Knochenaufbau verwendet entweder autologen Knochen vom selben Individuum oder Fremdmaterial. Das Fremdmaterial kann entweder natürlichen Ursprungs sein (z. B. Spenderknochen) oder künstlich hergestellt sein (z. B. manche Hydroxylapatit-Produkte). Der Knochenaufbau kann entweder partikulär oder als Block stattfinden, wobei der Block eckig oder rund oder vielförmig sein kann. Im Falle eines partikulären Knochenaufbaus kann körpereigener Knochen mit Fremdmaterial gemischt werden.If the bone supply is insufficient, bone formation will be performed. This may be an elevation of the alveolar crest or a sinus floor elevation. Bone building uses either autologous bone from the same individual or foreign material. The foreign material may either be of natural origin (eg, donor bone) or artificially produced (eg, some hydroxyapatite products). Bone building can be either particulate or block, where the block can be angular or round or multi-shaped. In the case of a particulate bone structure, the body's own bone can be mixed with foreign material.

Zur Erhöhung des Alveolarkammes oder grossen seitlichen Anlagerungen bei dennoch ausreichender Höhe ist beispielsweise folgende Technik bekannt: Ein Knochenblock vom gleichen Patienten wird an einer Entnahmestelle (z. B. Kieferwinkel) herausgefräst oder es wird entsprechendes Biomaterial verwendet und an die gewünschte Implantationsstelle transplantiert und entweder pressgenau ohne Hilfsmaterial oder mit einer Osteosyntheseschraube im ortsständigen Knochen fixiert. Bei einem zweiten Eingriff wird dann die Schraube ggf. entfernt und das betreffende Zahnimplantat eingesetzt. Es ist auch denkbar ein Zahnimplantat direkt und vollständig in einem solchen Knochenzylinder einseitig einzusetzen.For example, the following technique is known for increasing the alveolar crest or large lateral deposits with sufficient height: A bone block from the same patient is milled out at a donor site (eg mandibular angle) or appropriate biomaterial is used and transplanted to the desired implantation site and either press-accurate Fixed without auxiliary material or with an osteosynthesis screw in the local bone. In the case of a second intervention, the screw is then removed if necessary and the relevant dental implant is inserted. It is also conceivable to insert a dental implant directly and completely in such a bone cylinder on one side.

Für den Knochenaufbau können verschiedene Materialen verwendet werden. Es kommt entweder autologer Knochen oder künstliches Biomaterial oder aufbereitetes natürliches Biomaterial aus xenogenem oder allogenem Knochen zum Einsatz. Allogenes Knochenmaterial findet eine breite Verwendung in der Orthopädie und Traumatologie, der Mund-Kiefer- und Gesichtschirurgie und Plastischen Chirurgie, zum Auffüllen von Knochendefekten bei Frakturen, Zysten, Tumoren und TEP-Operationen, aber auch Kieferschwund und embryonalen Fehlbildungen ( Matti H 1929 , Wolter D 1976 ). Auch xenogene Materialien werden hier verwendet (z. B. equiner Biotek Block).Different materials can be used for bone formation. Either autologous bone or artificial biomaterial or purified natural biomaterial from xenogeneic or allogenic bone is used. Allogeneic bone material is widely used in orthopedics and traumatology, oral and maxillofacial surgery and plastic surgery, for filling bone defects in fractures, cysts, tumors and TEP operations, but also jaw shrinkage and embryonic malformations ( Matti H 1929 . Wolter D 1976 ). Also xenogenic materials are used here (eg Equin Biotek block).

Es ist bekannt, dass partikuläres Material oder Blöcke mit Porensystem besser heilen als massives Material, da massives Material langwierig vollständig ab- und neu aufgebaut werden muss.It is known that particulate matter or blocks with pore system heal better than solid material, since massive material has to be tediously completely dismantled and rebuilt.

Es ist auch bekannt, dass bei Blöcken mit Porensystem auch dann kein vollständiger Ersatz der Materialbälkchen mit neuem Knochen erfolgt, auch wenn dieses Material grundsätzlich resorbierbar ist. Aus diesen Gründen sind Techniken die zum überwiegenden Teil Partikelmaterial verwenden anderen Techniken überlegen. Da aber bei einer Erhöhung des Alveolarkammes oder großen seitlichen Anlagerungen eine mechanische Stabilisierung nötig ist, verwendet man dünne stabile Elemente zu diesem Zweck, welche das partikulare Material umschließen. Diese Techniken werden unter dem Begriff Schalentechniken zusammengefasst, da die dünne stabilisierende Barriere wie eine Schale funktioniert.It is also known that in blocks with pore system, no complete replacement of the material trabeculae with new bone takes place, even if this material is basically resorbable. For these reasons, techniques that use mostly particulate material are superior to other techniques. However, since an increase in the alveolar ridge or large lateral deposits mechanical stabilization is necessary to use thin stable elements for this purpose, which enclose the particulate material. These techniques are summarized as shell techniques because the thin stabilizing barrier works like a shell.

Diese Schalentechnik kann nach bisherigem Stand der Technik erfolgen durch folgende lange Jahre bekannte Techniken:

  • • Schalen eines allogene kortikalen Knochens, wobei der Knochen durch Fräsen notdürftig an den Defekt angepasst wird. Diese Technik ist sehr alt.
  • • Schalen eines autologen kortikalen Knochens welcher vom selben Patienten entnommen wurde und beispielsweise aus dem Bereich des Kieferwinkels im Unterkiefer oder der Maxill entnommen wird ( Gellrich, N. C., U. Held, R. Schoen, T. Pailing, A. Schramm and K. H. Bormann (2007). ”Alveolar zygomatic buttress: A new donor site for limited preimplant augmentation procedures.” Journal of Oral & Maxillofacial Surgery 65(2): 275–280. ) ( Khoury, F. (2013). ”The bony lid approach in pre-implant and implant surgery: a prospective study.” Eur J Oral Implantol 6(4): 375–384 ).
  • • Schalen aus nicht resorbierbarem Material (z. B. Titan-Netz, metallverstärkte PTFE-Membranen) welche durch Biegen an den Defekt manuell angepasst werden. Klassische Beispiele sind die Cytoplast-Membran, Goretex-Membran, Neoss-Membran, Tiolox-Membran.
  • • Schalen aus Laktiden (Iglhaut-Technik/Sonic Weld System), welche durch Erhitzen formbar gemacht werden und manuell and en Defekt angepasst werden ( Iglhaut, G., F. Schwarz, M. Grundel, I. Mihatovic, J. Becker and H. Schliephake (2014). ”Shell technique using a rigid resorbable barrier system for localized alveolar ridge augmentation.” Clin Oral Implants Res 25(2): e149–154 ).
This shell technique can be done according to the prior art by the following long-known techniques:
  • • Shells of an allogeneic cortical bone, whereby the bone is adapted to the defect by milling in a makeshift manner. This technique is very old.
  • Shells of an autologous cortical bone taken from the same patient and taken, for example, from the region of the mandibular angle in the lower jaw or the maxilla ( Gellrich, NC, U. Held, R. Schoen, T. Pailing, A. Schramm and KH Bormann (2007). "Alveolar zygomatic buttress: A new donor site for limited preimplant augmentation procedures." Journal of Oral & Maxillofacial Surgery 65 (2): 275-280. ) ( Khoury, F. (2013). "The bony lid approach to pre-implant and implant surgery: a prospective study." Eur J Oral Implantol 6 (4): 375-384 ).
  • • Trays made of non-resorbable material (eg titanium net, metal-reinforced PTFE membranes) which are manually adjusted by bending to the defect. Classic examples are the cytoplast membrane, Goretex membrane, Neoss membrane, Tiolox membrane.
  • • Lactoid shells (Iglhaut technique / Sonic Weld System), which are made malleable by heating and manually adapted to the defect ( Iglhaut, G., F. Schwarz, M. Grundel, I. Mihatovic, J. Becker and H. Schliephake (2014). "Shell technique using a rigid resorbable barrier system for localized alveolar ridge augmentation." Clin Oral Implants Res 25 (2): e149-154 ).

Ein bekanntes Problem ist die mangelnde Passgenauigkeit dieser manuell angepassten Schalen. Außerdem erfordert die manuelle Anpassung enorme Zeit in der OP.A well-known problem is the lack of fit of these manually adjusted shells. In addition, the manual adjustment requires enormous time in the OP.

Die europäische Patentanmeldung EP 2 536 446 der Firma ReOss schlägt eine entsprechend individuell angepasste Vorrichtung vor, wobei Oberflächendaten eines Knochendefektes aus einer Schichtbildgebung generiert und der Defekt in einem CAD-Programm virtuell gefüllt wird. Aus diesen Daten wird ein 3D-Datensatz zur Herstellung einer Schale welche zur Anwendung der Schalentechnik erstellt.The European patent application EP 2 536 446 The company ReOss proposes a correspondingly individually adapted device, where surface data of a bone defect is generated from a slice imaging and the defect is virtually filled in a CAD program. From these data, a 3D data set for the production of a shell which is created for the application of the shell technique.

Die von der Firma ReOss tatsächlich umgesetzten und in Umsetzung befindlichen Produkte umfassen individuelle, customer-made mit CAD-CAM-Technik gefertigte löchrige Membranen (Mesh-Gitter) aus Metallen. Hierbei werden Oberflächendaten des Defektes aus einer Schichtbildgebung generiert und der Defekt in einem CAD-Programm virtuell gefüllt. Aus diesen Daten wird ein 3D-Datensatz für eine Schale welche zur Anwendung der Schalentechnik erstellt und zum Drucken eine Titan-Mesh-Schale verwendet, welche durch ein Lasersinterungsverfahren aus Titanpartikeln in einem 3D-Druck CAM-System geschweißt wird. Entsprechende Schalen aus resorbierbaren Magnesium sind in Erprobung. Diese Vorrichtungen weisen aber eine Reihe von Nachteilen auf:

  • 1. Titanmaterial muss entfernt werden, da es nicht resorbierbar ist.
  • 2. Magnesium führt bei der Resorption zu Gasbildung, welches erheblich die Knochenheilung beeinträchtigt.
  • 3. Beide Materialien müssen in einem aufwendigen speziellen 3D-Schweiss-CAM-System hergestellt werden und führen somit zu hohen Kosten.
  • 4. Beide Systeme arbeiten mit einem Netz, das Löcher aufweist (Mesh), was eine zusätzliche Deckung mit einer Kollagenmembran erfordert, um ungünstigen Einwuchs von Bindegewebe anstelle von Knochen zu vermeiden.
  • 5. Es kann schwer sein große Flächen mit einer Materialdicke von 0,1 mm additiv oder subtraktiv herzustellen.
The products actually implemented and implemented by ReOss include individual, customer-made perforated membranes (mesh lattices) made of metals using CAD-CAM technology. Here, surface data of the defect are generated from a slice imaging and the defect is virtually filled in a CAD program. From these data, a 3D data set for a shell made using the shell technique and used for printing a titanium mesh shell, which is welded by a laser sintering process of titanium particles in a 3D printing CAM system. Corresponding shells made of absorbable magnesium are being tested. However, these devices have a number of disadvantages:
  • 1. Titanium material must be removed as it is not absorbable.
  • 2. Magnesium causes gas formation on absorption, which significantly affects bone healing.
  • 3. Both materials must be produced in a complex special 3D welding CAM system and thus lead to high costs.
  • 4. Both systems work with a mesh that has holes (mesh), which requires additional collagen membrane coverage to prevent unfavorable connective tissue ingrowth instead of bone.
  • 5. It can be difficult to produce large surfaces with a material thickness of 0.1 mm additive or subtractive.

3D Printing wurde ursprünglich 1984 von Chuck Hull entwickelt und ist eine spezielle Form der CAM-Technologie. Es ist ein additiver Prozess um ein dreidimensionales, festes Objekt aus einem digitalen Modell herzustellen. Zum 3D Druck werden Oberflächendaten, meist ein .STL File, vom 3D-Drucker genutzt, um durch das sukzessive Übereinanderlegen von Materialschichten ein Objekt zu erzeugen. Die Druckauflösung (Schichtdicke und X-Y-Auflösung in der Ebene) ist entweder definiert als dpi (dots per inch) oder Mikrometer (μm). Eine typische Schichtdicke ist etwa 100 μm. Bestimmte Drucker (z. B. Objet Connex series und 3D Systems' ProJet series) können Schichtdicken von bis zu 16 μm Dünne erreichen. The X-Y Auflösung der 3D Drucker ist etwa 50 bis 100 μm. Neben anderen Anwendungen werden 3D Drucker auch eingesetzt, um Matrices und Gerüste in der Biomedizin zu drucken.3D Printing was originally developed by Chuck Hull in 1984 and is a special form of CAM technology. It's an additive process to make a three-dimensional, solid object from a digital model. For 3D printing, surface data, usually a .STL file, is used by the 3D printer to create an object by successively stacking layers of material. The print resolution (layer thickness and X-Y in-plane resolution) is defined either as dpi (dots per inch) or micrometers (μm). A typical layer thickness is about 100 μm. Certain printers (eg Objet Connex series and 3D Systems' ProJet series) can achieve layer thicknesses of up to 16 μm thin. The X-Y resolution of the 3D printer is about 50 to 100 μm. Among other applications, 3D printers are also used to print matrices and scaffolds in biomedicine.

Einige resorbierbare Polymere wurden bereits zum Bio-3D-Druck mit handelsüblicher Schmelz-Strahl-Technik (Kunststoffstrahldrucktechnologie (PJP)) verwendet. Dies schließt die Polymere Poly(caprolactone) (PCL), Poly(L-lactide) (PLLA) and Poly(Lactide-co-glycolide) (PLGA) ein.Some resorbable polymers have already been used for bio-3D printing using commercial melt-jet technology (PJP). This includes the polymers poly (caprolactone) (PCL), poly (L-lactide) (PLLA) and poly (lactide-co-glycolide) (PLGA).

Saito, Eiji, et al., Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine 7, no. 2 (2013): 99–111 beschreiben 3D-Printing von Gerüststrukturen zum Knochenaufbau mit PLLA und PLGA. Dabei wurde eine massive Gerüststruktur als potentielles Knochenersatzmaterial gedruckt. Beide Polymere, PLLA und PLGA wurden auf der Basis von Schichtbildgebungen und CAD-CAM-Planung mit finalen Oberflächendaten gedruckt. In diesem Fall wurden zusätzlich der knochenwachstumsfördernde Faktor BMP7 und Fibroblasten-Zellen auf die Gerüststruktur aufgebracht und subkutan in Mäusen 4–8 Wochen implantiert. Saito, Eiji, et al., Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine 7, no. 2 (2013): 99-111 describe 3D-printing skeletal structures for bone formation using PLLA and PLGA. A massive framework structure was printed as a potential bone substitute material. Both polymers, PLLA and PLGA, were printed on the basis of slice imaging and CAD-CAM planning with final surface data. In this case, bone growth promoting factor BMP7 and fibroblast cells were additionally applied to the scaffold and implanted subcutaneously in mice for 4-8 weeks.

Neuerdings wurden auch die Druckparameter für 3D Druck mit Polycaprolacton (PCL) optimiert (z. B. Seyednejad, Hajar, et al., Functionalized Polyesters 7, no. 5 (2012): 87 .). Hierbei wurde PCL mit einem Molekulargewicht von etwa 79 kDa erfolgreich mit einem Bio-3D-Drucker ”Bioscaffolder” (Envisiontec GmbH, Gladbeck, Germany) zu einer blockartigen Gerüststruktur gedruckt. Es wurde geschmolzenes Polymer mit PJP Technik durch eine 23 Ga Hitzedüse gepresst wurde (Temperatur: 110°C) und mit der üblichen Layer-By-Layer-Technik, analog zu einem üblichen Ulimaker 2+ Drucker, bei einer Protrusionsgeschwindigkeit des Tisches von 350 mm/min, gedruckt.Recently, the printing parameters for 3D printing with polycaprolactone (PCL) have also been optimized (eg Seyednejad, Hajar, et al., Functionalized Polyesters 7, no. 5 (2012): 87 .). Here, PCL with a molecular weight of about 79 kDa was successfully printed with a bio-3D printer "Bioscaffolder" (Envisiontec GmbH, Gladbeck, Germany) to a block-like framework structure. Molten polymer was pressed with PJP technique through a 23 Ga heat nozzle (temperature: 110 ° C) and with the usual layer-by-layer technique, analogous to a standard Ulimaker 2+ printer, with a protrusion speed of the table of 350 mm / min, printed.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde, eine individuell angepasste Vorrichtung zur Abdeckung und/oder Rekonstruktion einer Knochendefektstelle zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile der vorbekannten Vorrichtungen nicht oder nur in vermindertem Maße aufweisen. The present invention was based on the object to provide an individually adapted device for covering and / or reconstruction of a bone defect site, which does not have the disadvantages of the prior art devices or only to a reduced extent.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGBRIEF SUMMARY OF THE INVENTION

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß gelöst durch die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Abdeckung und/oder Rekonstruktion einer Knochendefektstelle, die einen mit einem partikulärem Material unterfüllbaren Hohlraum zwischen Defektoberfläche und der dem Knochendefekt zugewandten Oberfläche der Vorrichtung aufweist, welcher einen Aufsatz bildet umfassend

  • • einen Rahmen bildenden 3-dimensionalen Festkörper, und
  • • eine darauf befestigte Membran,
welche beide jeweils aus demselben oder unterschiedlichen Biomaterialien bestehen und eine dem Knochendefekt abgewandte Oberfläche und eine dem Knochendefekt zugewandte Oberfläche aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen und 3-dimensionale Geometrie des Rahmens durch die Oberflächendaten des Knochendefektes, die mit Hilfe eines Schichtbildgebungsverfahrens gewonnen und mittels CAD-CAM-Technik weiterverarbeitet wurden, definiert sind.This object is achieved according to the invention by providing a device for covering and / or reconstructing a bone defect site, which has a cavity which can be filled with a particulate material between the defect surface and the bone defect facing surface of the device, which comprises an attachment
  • • a frame-forming 3-dimensional solid, and
  • A membrane attached thereto,
which both each consist of the same or different biomaterials and have a surface facing away from the bone defect and a surface facing the bone defect, characterized in that the dimensions and 3-dimensional geometry of the frame by the surface data of the bone defect obtained by means of a layer imaging method and means CAD-CAM technique were further processed.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Aufsatzes für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abdeckung und/oder Rekonstruktion einer Knochendefektstelle, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

  • (a) Eingabe der durch ein Schichtbildgebungsverfahren ermittelten Oberflächendaten des Knochendefektes in eine Datenverarbeitungsanlage,
  • (b) Weiterverarbeitung dieser Oberflächendaten mit einer CAD-Technik,
  • (c) Steuerung einer additiven oder subtraktiven CAD-CAM-Fertigungseinheit mit den entsprechend weiterverarbeiteten Daten;
  • (d) Erzeugen des Rahmens aus einem Biomaterial mit einer additiven oder subtraktiven CAD-CAM-Fertigungseinheit;
  • (e) Befestigen einer Membran aus einem resorbierbaren Biomaterial auf dem nach (d) erhaltenen Rahmen.
A further subject matter of the invention is a method for producing an attachment for a device according to the invention for covering and / or reconstruction of a bone defect site, the method comprising the following steps:
  • (a) inputting the surface defect data of the bone defect into a data processing equipment as determined by a layer-forming method;
  • (b) further processing of this surface data with a CAD technique,
  • (c) controlling an additive or subtractive CAD-CAM manufacturing unit with the corresponding further processed data;
  • (d) generating the biomaterial frame with an additive or subtractive CAD-CAM manufacturing unit;
  • (e) attaching a membrane of a resorbable biomaterial to the frame obtained according to (d).

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein aus einem Biomaterial bestehender, einen Rahmen bildenden 3-dimensionalen Festkörper zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß eines der Ansprüche 1 bis 14, wobei seine Abmessungen und 3-dimensionale Geometrie durch die Oberflächendaten eines Knochendefektes, die mit Hilfe eines Schichtbildgebungsverfahrens gewonnen und mittels CAD-Technik weiterverarbeitet wurden, definiert sind.The present invention also relates to a biomaterial consisting of a frame forming 3-dimensional solid body for producing a device according to one of claims 1 to 14, wherein its dimensions and 3-dimensional geometry by the surface data of a bone defect, using a layer imaging method and further processed using CAD technology.

Weiterhin Gegenstand der Erfindung ist ein System zur Herstellung eines Rahmens für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abdeckung und/oder Rekonstruktion einer Knochendefektstelle, wobei das System folgende Komponenten umfasst:

  • (I) eine Datenverarbeitungsanlage zur Eingabe der mittels eines Schichtbildgebungsverfahrens gewonnenen Oberflächendaten des Knochendefektes, auf welcher eine Software geladen ist, die diese Oberflächendaten mittels CAD-Technik weiterverarbeitet;
  • (II) eine additiven oder subtraktiven CAD-CAM-Fertigungseinheit, die als Herstellungsmedium einen ausreichenden Vorrat an einem Biomaterial enthält und durch die in der Komponente (I) eingegebenen und weiterverarbeiteten Daten gesteuert wird;
  • (III) eine Arbeitsebene, auf welcher der Aufsatz erzeugt wird;
  • (IV) gegebenenfalls eine daran angeschlossene Verpackungseinheit, in welcher der in der Komponente (III) erzeugte Rahmen unter sterilen Bedingungen verpackt wird.
The invention further provides a system for producing a frame for a device according to the invention for covering and / or reconstruction of a bone defect site, the system comprising the following components:
  • (I) a data processing system for inputting surface data of the bone defect obtained by a slice imaging method, on which a software is loaded, which further processes said surface data by CAD technique;
  • (II) an additive or subtractive CAD-CAM manufacturing unit which contains as a production medium a sufficient supply of a biomaterial and is controlled by the data input and further processed in the component (I);
  • (III) a work plane on which the essay is generated;
  • (IV) optionally, a packaging unit connected thereto in which the frame produced in component (III) is packaged under sterile conditions.

Die Komponente (IV) kann in das erfindungsgemäße System integriert sein oder sich aber auch räumlich davon getrennt im Einflussbereich des Chirurgen befinden.The component (IV) can be integrated into the system according to the invention or else be spatially separated from it within the sphere of influence of the surgeon.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING

1 zeigt eine schematische Darstellung der bevorzugten Methode zur Herstellung der Polymerschale: Die Daten einer Schichtbildgebung (z. B. CT oder DVT) werden im Rahmen des CAD-Prozesses in Oberflächendaten des Defektes umgewandelt. Dann erfolgt die CAD-Rekonstruktion des Defektes und der Export dieser Oberflächendaten zum 3D-CAM-Druck des Rahmens. Die von dem Rahmen umfasste Fläche wird wie im Text beschrieben mit in einem zweiten Schritt mit einer Membran geschlossen. 1 shows a schematic representation of the preferred method for producing the polymer shell: the data of a layer imaging (eg CT or DVT) are converted into surface data of the defect in the context of the CAD process. Then the CAD reconstruction of the defect and the export of this surface data to the 3D-CAM printing of the frame. The area covered by the frame is closed with a membrane in a second step as described in the text.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Entsprechend dieser Erfindung wird eine Biomaterial-Schale zur Verwendung bei einer chirurgischen Knochenaufbautechnik mit dünnen Stabilisiserungswänden (Schalen) zur Verbesserung der Knochenheilung von Defekten und/oder Osseointegration von Implantaten zur Verfügung gestellt. Diese besteht im Wesentlichen aus einem Rahmen der mittels 3D-Printing oder einer subtraktiven Produktionstechnik aus einem resorbierbaren Biomaterial auf der Basis von Oberflächendaten des Knochendefektes individuell hergestellt wird und über welchen in einem zweiten Schritt eine resorbierbare Membran fixiert wird.In accordance with this invention, a biomaterial shell is provided for use in a bone augmentation surgical technique having thin stabilization walls (shells) for improving bone healing of defects and / or osseointegration of implants. This consists essentially of a framework which is individually produced by means of 3D printing or a subtractive production technique from a resorbable biomaterial on the basis of surface data of the bone defect and about which in a second step, a resorbable membrane is fixed.

Der Begriff „Vorrichtung” wie er vor- und nachstehend verwendet wird bezeichnet ein zur Abdeckung und/oder Rekonstruktion einer Knochendefektstelle geeignetes Hilfsmittel in Form einer Schale aus einem resorbierbaren Biomaterial („Biomaterial-Schale”) bestehend aus einem Rahmen und einer darauf befestigten Membran, wobei die Abmessungen des Rahmens durch die Abmessungen eines Knochendefektes definiert sind.The term "device" as used above and below denotes a device suitable for covering and / or reconstruction of a bone defect site in the form of a shell of a bioabsorbable biomaterial consisting of a frame and a membrane attached thereto, wherein the dimensions of the frame are defined by the dimensions of a bone defect.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung verwendet die Kunststoffstrahldrucktechnologie (PJP), wobei der Kunststoff üblicherweise als Filamentfaden von einer Rolle zugeführt wird. In einem 3D-Drucker dieser Art (z. B. Ultimaker 2+) wird der Aufsatz gedruckt, indem der Werkstoff über Zuführschläuche durch die Druckstrahlen aus der Patrone gezogen wird. Der Werkstoff wird daraufhin in einem dünnen Strahl durch die Druckstrahlen gespritzt. Die Bewegung des Druckstrahls wird von der Druckerplatte koordiniert, die sich nach der Erzeugung jeder Schicht absenkt, sodass eine neue Schicht auf die letzte aufgetragen werden kann. So entsteht Schritt für Schritt das Objekt in Form eines Festkörperfilamentes. Diese Technik ist ein 3D-Druck mittels geschmolzenen Materialen und wird auch als Fused Filament Fabrication (FFF), Schmelzschichtung (z. B. FDM – Fused Deposition Modeling) bezeichnet.A preferred embodiment of the invention uses plastic-jet printing technology (PJP), wherein the plastic is usually supplied as a filament from a roll. In a 3D printer of this type (eg Ultimaker 2+), the attachment is printed by pulling the material out of the cartridge via delivery tubes through the pressure jets. The material is then sprayed in a thin stream through the pressure jets. The movement of the print jet is coordinated by the printing plate, which lowers after the creation of each layer, so that a new layer can be applied to the last one. Thus, step by step, the object is created in the form of a solid filament. This technique is 3D printing by means of molten materials and is also referred to as fused filament fabrication (FFF), melt stratification (eg FDM - fused deposition modeling).

Auf Basis der oben beschriebenen Layer, wird ein 3D-Objekt vorzugsweise auf einer beweglichen und/oder beheizten Plattform aufgebaut. Der Druckkopf ist dabei ein beheizter Extruder, der zugeführtes Material (in Draht oder Stäbchenform) schmilzt. Je nach Modell wird entweder die Düse selbst und/oder die darunter liegende Plattform bewegt. Die Geschwindigkeit eines solchen Druckers wird dabei an die Zeit angepasst, die das verwendete Material zum Abkühlen und Härten benötigt. Erst wenn die darunter liegende Schicht erstarrt ist, wird die nächste Ebene aufgetragen. Die Qualität eines solchen Druckers ist dabei neben dem digitalen Entwurf auch von der Präzision der Bewegungen, der Feinheit der Düsen und den thermischen Eigenschaften des Materials abhängig. Durch das Hinzufügen von weiteren Extruder und eingefärbten Materialien können auch farbige Objekte realisiert werden.Based on the layers described above, a 3D object is preferably constructed on a movable and / or heated platform. The printhead is a heated extruder that melts fed material (in wire or rod form). Depending on the model, either the nozzle itself and / or the underlying platform is moved. The speed of such a printer is adjusted to the time required for the material used for cooling and curing. Only when the underlying layer is solidified, the next level is applied. The quality of such a printer is dependent not only on the digital design but also on the precision of the movements, the fineness of the nozzles and the thermal properties of the material. By adding more extruders and colored materials, colored objects can be realized.

In einem alternativen Verfahren kann ein solcher resorbierbarer Rahmen auch mit Hilfe einer anderen additiven Herstellungstechnik produziert werden, darunter auch andere 3D-Drucktechniken hergestellt werden.In an alternative method, such an absorbable frame can also be produced using another additive manufacturing technique, including other 3D printing techniques.

Insgesamt gibt es verschiedene Techniken neben der beschriebenen Kunststoffstrahldrucktechnologie (PJP) zum 3D-Druck.Overall, there are various techniques besides the described plastic jet printing technology (PJP) for 3D printing.

Ähnlich wie bei einem ”normalen” Papierdrucker, benötigt auch ein 3D-Drucker eine digitale Datei welche die Informationen des zu druckenden Objekts bereitstellt.Similar to a "normal" paper printer, a 3D printer also needs a digital file which provides the information of the object to be printed.

Während beim Papierdrucker eine .doc oder .txt Datei mit den Textinhalten zur Anwendung kommt, wird bei der ”digital Fabrication” ein Dateiformat verwendet, welches Informationen über das 3D-Modell des Knochendefektes enthält. Um das Objekt aus einem 3D-Modell aufbauen zu können, muss es jedoch zuvor (digital) in einzelne 2-Dimensionale, horizontale Scheiben (Layer) geschnitten werden. Ein derartiges Dateiformat mit den Informationen aller einzelnen Layer ist beispielsweise eine .STL oder .AMF Datei. Auf Basis einer solchen Datei, kann jeder aktuelle „3D-Drucker” ein Objekt aus der Summe der einzelnen 2D-Schichten aufbauen.While the paper printer uses a .doc or .txt file containing the text contents, the digital fabrication uses a file format that contains information about the 3D model of the bone defect. To be able to construct the object from a 3D model, however, it must first be cut (digitally) into individual 2-dimensional, horizontal slices (layers). Such a file format with the information of all individual layers is for example a .STL or .AMF file. Based on such a file, each current "3D printer" can build an object from the sum of the individual 2D layers.

Additive Manufacturing (AM) zu Deutsch auch Generative Fertigung umschreibt eine Vielzahl von technischen Verfahren die von der ASTM International, 2012 im Englischen in die Bereiche vat photopolymerisation, material jetting, binder jetting, material extrusion, powder bed fusion, sheet lamination oder directed energy deposition kategorisiert wurden. Manche dieser Verfahren sind im Prinzip sehr ähnlich und unterscheiden sich nur durch einige wenige Abänderungen.Additive Manufacturing (AM) to German also Generative Manufacturing describes a multitude of technical processes that have been described by ASTM International, 2012 in English in the areas of photopolymerization, material jetting, binder jetting, material extrusion, powder bed fusion, sheet lamination or directed energy deposition were categorized. Some of these methods are very similar in principle and differ only by a few modifications.

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere solche Vorrichtungen, Verfahren und Systeme, die unter Verwendung von marktüblichen 3D-Druckern mit Kunststoffstrahldrucktechnologie (PJP) mit Festkörperfilamenten, welche mit Hitze aus einem festen Materialfaden (Filament) von einer Zuführungsrolle einen 3D-Druck durchführen (Kunststoffstrahldrucktechnologie (PJP) 3D-Drucker), erzeugt werden können. Hier ist die Verwendung des Polylaktides (PLLA) oder Polyglykolides (PLGA) besonders bevorzugt, da dies handelsüblich etabliert ist. Außerdem können alle anderen Materialien verwendet werden, welche resorbierbar und mit der genannten Technik herstellbar sind.More particularly, the present invention relates to such devices, methods, and systems that utilize 3D solid state filament plastic 3D printing (PJP) printers that perform 3D printing with heat from a solid filament from a supply roll (plastic jet printing technology (PJP ) 3D printer) can be generated. Here, the use of the polylactide (PLLA) or polyglycolide (PLGA) is particularly preferred since this is commercially established. In addition, all other materials can be used which are absorbable and can be produced by the said technique.

Die Erfindung betrifft auch insbesondere solche additiven Techniken bei denen Titan oder Magnesium oder andere geeignete Materialien in einem Schmelzsinterverfahren schichtweise zu einem dreidimensionalen Rahmen im Sinne der Erfindung gesintert werden. Dies ist auch für Keramiken und andere Materialien möglich.The invention also relates in particular to such additive techniques in which titanium or magnesium or other suitable materials are sintered in layers in a melt sintering process to form a three-dimensional framework in the sense of the invention. This is also possible for ceramics and other materials.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist die Anwendung einer subtraktiven Produktionstechnik. Hierbei wird beispielsweise allogener oder xenogener Knochen, Keramiken wie Hydroxylapatit oder Tricalciumphosphat, Magnesium oder Titan, aber auch Polymere wie PEEK als Block oder Stab einer CNC-Fräse zugeführt oder in einer solchen Fräse Blockweise eingebracht und dann die geplante Form in einer CAD-CAM-Technik herausgefräst.Another preferred embodiment is the use of a subtractive production technique. Here, for example, allogeneic or xenogenic bone, ceramics such as hydroxyapatite or tricalcium phosphate, magnesium or titanium, but also polymers such as PEEK as a block or rod of a CNC milling machine supplied or in such a milling machine Inserted in blocks and then the planned shape milled out in a CAD-CAM technique.

Dadurch ist der Rahmen resorbierbar und muss nicht in einem weiteren Eingriff entfernt werden. Die Membran, welche in einem zweiten Schritt der Herstellung über den rahmen befestigt wird, kann insbesondere eine konfektionierte plane Biomaterialplatte aus ebenso resorbierbarem Material sein und sehr dünn, vorzugsweise 0,1–0,2 mm. Auch diese ist vorzugsweise aus einem Polylactid.As a result, the frame is absorbable and does not need to be removed in another procedure. The membrane, which is fastened in a second step of the production over the frame, may in particular be a ready-made planar biomaterial plate made of material which is also resorbable and very thin, preferably 0.1-0.2 mm. This too is preferably made of a polylactide.

Dadurch kann mit einer sehr kostengünstigen Technik und einem bereits etablierten und kostengünstigen Material in einem einfachen, preiswerten 3D-Drucker eine Biomaterialschale bei sehr niedrigen Produktionskosten im CAD-CAM-Verfahren individuell hergestellt werden.As a result, a biomaterial shell can be custom fabricated using a very low-cost technique and an already established and cost-effective material in a simple, low-cost 3D printer at very low production costs using the CAD-CAM process.

Da der Rahmen nur einen geringen Teil der Schale ausmacht, ist es auch möglich diesen aus einem nicht resorbierbaren Material, wie beispielsweise Titan, zu fertigen und später einfacher zu entfernen als bei einer vollständig aus Titan hergestellten Schale, wohingegen die resorbierbare Membran dabei abgebaut wird.Since the frame makes up only a small part of the shell, it is also possible to manufacture it from a non-resorbable material, such as titanium, and later easier to remove than in a shell made entirely of titanium, whereas the resorbable membrane is thereby degraded.

Der Rahmen macht nur einen geringen Teil der Schale aus. Es ist daher auch möglich und gegenüber einer komplett aus diesem Material gefertigten Schale ein resorbierbares Material wie Magnesium zu verwenden, da der geringere Materialanteil auch eine Reduzierung von negativen Eigenschaften bedingt. Im Speziellen sind 3-dimensionale Festkörper aus den hierbeschriebenen Materialien, welche bei der hier Produktionstechniken eingesetzt werden können, bei einer sehr dünnen Materialschicht von 0,1 mm bis 0,25 mm trotz der möglichen Freisetzung von negativen Abbauprodukten nicht nachteilig für die Knochenheilung.The frame makes up only a small part of the shell. It is therefore also possible and compared to a shell made entirely of this material to use a resorbable material such as magnesium, since the lower material content also causes a reduction of negative properties. In particular, 3-dimensional solids from the materials described herein, which can be used in the here production techniques, with a very thin material layer of 0.1 mm to 0.25 mm despite the possible release of negative degradation products are not detrimental to bone healing.

Daher ist der erfindungsgemäße Rahmen entweder aus einem resorbierbaren oder einem nicht-resorbierbaren Material hergestellt. Wobei hierbei alle als Biomaterial geeigneten Verbindungen und Stoffe in Betracht kommen. Insbesondere klassische Polymere wie PLLA, PGA, PCL, PEEK aber auch neue Biopolymere wie Polyphosphate oder Silicate. Ebenso zählen hierzu geeignete Metalle und Legierungen, sowie Keramiken. Es sind aber auch Zuckerverbindungen wie Chitosan oder auch Verbindungen wie Alginat oder Kombinationsmaterialien aus verschiedenen Materialklassen und Materialien möglich, auch natürliche Materialien wie allogener oder xenogener Knochen. Hierbei sind folgende Eigenschaften wichtig und ggf durch Materialkombination optimierbar: Biokompatibilität, Osteokonduktivität, Osteoinduktivität, Resorbierbarkeit, Beladungsmöglichkeit mit Medikamenten und anderen aktiven Substanzen sowie deren Freisetzungskinetik, mechanische Eigenschaften wie E-Modul und Steifigkeit, sowie Bearbeitbarkeit in den verschiedenen möglichen Herstellungsverfahren.Therefore, the frame according to the invention is made of either a resorbable or a non-resorbable material. All the compounds and substances suitable as biomaterial are suitable here. In particular, classical polymers such as PLLA, PGA, PCL, PEEK but also new biopolymers such as polyphosphates or silicates. Also suitable for this purpose are suitable metals and alloys, as well as ceramics. But there are also sugar compounds such as chitosan or compounds such as alginate or combination materials of different material classes and materials possible, including natural materials such as allogeneic or xenogenic bone. The following properties are important and can optionally be optimized by combination of materials: biocompatibility, osteoconductivity, osteoinductivity, resorbability, possibility of loading with drugs and other active substances and their release kinetics, mechanical properties such as modulus of elasticity and rigidity, as well as workability in the various possible manufacturing processes.

Die hier beschriebene, resorbierbare Biomaterial-Schale kann außerdem als Membran ohne Poren, Löcher oder Mesh-Struktur eingesetzt werden. Daher ist eine zusätzliche Kollagenmembran nicht zwingend erforderlich und das Risiko von Bindegewebsbildung dennoch sehr gering.The resorbable biomaterial shell described herein can also be used as a membrane without pores, holes or mesh structure. Therefore, an additional collagen membrane is not mandatory and the risk of connective tissue formation is nevertheless very low.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind solche, wobei

  • (i) der 3-dimensionale Festkörper des Rahmens mit Hilfe einer CAD-CAM-Technik additiv oder subtraktiv erzeugbar ist.
Further preferred embodiments of the device according to the invention are those wherein
  • (i) the 3-dimensional solid body of the frame can be generated additively or subtractively using a CAD-CAM technique.

Bevorzugt werden resorbierbare Materialschalen aus biokompatiblem Material (Biomaterial). Dieses Biomaterial kann ein geeignetes Metall wie medizinische Titan oder Magnesium sein. Das Biomaterial kann auch eine geeignete Keramik wie Hydroxylapatit oder Tricalciumphosphat sein. Das Biomaterial kann auch Knochen, ein Polymer, eine Polyphosphatverbindung oder eine geeignete Mischverbindung sein.Resorbable material shells made of biocompatible material (biomaterial) are preferred. This biomaterial can be a suitable metal such as medical titanium or magnesium. The biomaterial may also be a suitable ceramic such as hydroxyapatite or tricalcium phosphate. The biomaterial may also be bone, a polymer, a polyphosphate compound, or a suitable mixed compound.

Im Falle der Anwendung einer additiven 3D-Drucktechnik ist eine bevorzugte Ausführungsform ein Biomaterial vom Typ eines thermoplastischen Polymeres, welches bei Raumtemperatur von zirka 20°C fest und in einem Temperaturbereich (Drucktemperatur) von 40°C bis 300°C flüssig ist. Vorzugsweise liegt dieser Temperaturbereich bei 80–260°C, vorzugsweise bei 90–250°C gemäß handelsüblichen 3D-Druckern oder Bio-Plottern. Im Speziellen bei einer Temperatur von etwa 210°C bei der Verwendung von PLLA (Polymilchsäure, englisch polylactic acid oder auch PLA) oder bei einer Temperatur von etwa 110°C bei der Verwendung von PCL (Polycaprolacton) oder bei einer Temperatur von etwa 230°C bei der Verwendung von PGA (Polyglykolsäure, polyglycolic acid oder polygycolide) oder bei einer Temperatur von etwa 60°C bei der Verwendung von PLGA (Poly(Lactide-co-glycolide)). Analog entsprechen andere bevorzugte Temperaturen dem Schmelzbereich der jeweiligen Polymere.In the case of using a 3D additive printing technique, a preferred embodiment is a biomaterial of the thermoplastic polymer type which is solid at room temperature of about 20 ° C and liquid in a temperature range (pressure temperature) of 40 ° C to 300 ° C. Preferably, this temperature range is 80-260 ° C, preferably 90-250 ° C according to commercial 3D printers or bio-plotters. In particular, at a temperature of about 210 ° C when using PLLA (polylactic acid or PLA) or at a temperature of about 110 ° C when using PCL (polycaprolactone) or at a temperature of about 230 ° C when using PGA (polyglycolic acid, polyglycolic acid or polygycolide) or at a temperature of about 60 ° C when using PLGA (poly (lactide-co-glycolide)). Analogously, other preferred temperatures correspond to the melting range of the respective polymers.

Im Falle der Anwendung einer subtraktiven CAD-CAM-Frästechnik ist eine bevorzugte Ausführungsform die Verwendung von Titan oder Magnesium. Dieses Material kann dann als Materialblock in eine geeignete CNC-Fräse, wie beispielsweise eine Cerec-Fräse eingesetzt oder kontinuierlich als Materialstange zugeführt werden.In the case of using a subtractive CAD-CAM milling technique, a preferred embodiment is the use of titanium or magnesium. This material can then be used as a block of material in a suitable CNC milling machine, such as a Cerec cutter or fed continuously as a material bar.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind solche, wobei:

  • (ii) der Rahmen eine Stärke von 0,1–0,5 mm aufweist
  • (iii) die Membran eine Stärke von 0,1–0,2 mm aufweist.
  • (iv) die Membran aus einem geeigneten resorbierbaren Material besteht.
Further preferred embodiments of the device according to the invention are those in which:
  • (ii) the frame has a thickness of 0.1-0.5 mm
  • (iii) the membrane has a thickness of 0.1-0.2 mm.
  • (iv) the membrane is made of a suitable resorbable material.

Bevorzugt werden Materialien welche marktüblich einfach herzustellen und auf den 3D-Rahmen aufzubringen sind. Hierzuzählen beispielsweise: Polymere wie PLLA, PGA, PCL, PEEK, aber auch Kollagen, demineralisierter Knochen, Chitosan, Magnesium oder andere Biomaterialien welche flexibel oder plastisch verformbar sind und auf den Rahmen aufgebarcht werden können.

  • (v) die Oberflächendaten, mit digitaler Volumentomographie (DVT/CBCT), Computer Tomographie (CT) oder Magnetresonanz- bzw. Kernspintomographie (MRT) des Knochendefektes ermittelt wurden.
  • (vi) der 3-dimensionale Festkörper des Rahmens aus resorbierbarem Polymers mit einem 3D Drucker in einem Schmelzschichtverfahren bei handelsüblicherwesie grobregulierten Temperaturen, insbesondere bei 100 bis 300°C erzeugbar ist.
  • (vii) das resorbierbare Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polylactid (PLA), Polyglycolid (PGA) und Polycaprolacton (PCL).
  • (viii) die Vorrichtung zusätzlich ein oder mehrere Befestigungselemente aufweist.
Preference is given to materials which are commercially easy to produce and are to be applied to the 3D frame. These include, for example: polymers such as PLLA, PGA, PCL, PEEK, but also collagen, demineralized bone, chitosan, magnesium or other biomaterials which are flexible or plastically deformable and can be pinned on the frame.
  • (v) the surface data were determined by digital volume tomography (DVT / CBCT), computed tomography (CT) or magnetic resonance imaging (MRI) of the bone defect.
  • (vi) the 3-dimensional solid body of the resorbable polymer frame is producible with a 3D printer in a melt-layer process at commercially controlled coarsely regulated temperatures, in particular at 100 to 300 ° C.
  • (vii) the resorbable polymer is selected from the group consisting of polylactide (PLA), polyglycolide (PGA) and polycaprolactone (PCL).
  • (viii) the device additionally comprises one or more fasteners.

Die verwendeten, üblicherweise auf Rollen gelagerten und zugeführten Polymerfäden (Filamente) haben vorzugsweise handelsübliche Durchmesser von beispielsweise 1,75 mm oder 2,85 mm oder 3,00 mm und sind auf Rollen gelagert von denen sie in den 3D-Drucker abgerollt werden.The polymer filaments (filaments) usually stored on rolls and supplied preferably have commercial diameters of, for example, 1.75 mm or 2.85 mm or 3.00 mm and are stored on rolls from which they are rolled into the 3D printer.

Die Druckdüsen des Kunststoffstrahldrucktechnologie (PJP) 3D-Druckers weisen insbesondere einen Durchmesser von handelsüblichen 0,1 mm oder 0,25 mm oder 0,40 mm oder 0,60 mm oder 0,85 mm auf.In particular, the printing nozzles of the plastic-jet-printing technology (PJP) 3D printer have a diameter of commercially available 0.1 mm or 0.25 mm or 0.40 mm or 0.60 mm or 0.85 mm.

Die Membran weist eine Dicke von 0,1 mm bis 0,25 mm auf, wobei vorzugsweise eine Dicke von 0,1 mm angestrebt wird. Der Rahmen weist eine Dicke von 0,1 mm bis 0,5 mm vorzugsweise von 0,15 bis 0,5 mm, insbesondere von etwa 0,25 mm auf.The membrane has a thickness of 0.1 mm to 0.25 mm, preferably a thickness of 0.1 mm is desired. The frame has a thickness of 0.1 mm to 0.5 mm, preferably 0.15 to 0.5 mm, in particular about 0.25 mm.

Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern, ohne sie zu beschränken.The following examples are intended to illustrate the invention without limiting it.

Beispiel 1:Example 1:

Ein erfindungsgemäßes Produkt ist beispielsweise ein PLA-Polymilchsäure-Rahmen mit einer Randdicke von 0,25 mm, welches in einem Ultimaker 2+ 3D-Printer mit 2,85 mm PLA-Filament bei einer Drucktemperatur von 210°C gedruckt wurde. Der Hierfür nötige Druckdatensatz wurde als gcode-File mit dem Programm Cura aus einem STL-Datensatz generiert. Der STL Datensatz für das erfindungsgemäße Produkt wurde wie folgt generiert:

  • • – Ein DVT-Datensatz des knöchernen Defektes wurde als DICOM Datensatz („Digitale Bildverarbeitung und -kommunikation in der Medizin”) aus dem SIDEXIS Programm der Firma Sirona, wie bei anderen DVT-Programmen auch, exportiert.
  • • Dieser DICOM-Datensatz wurde in das Programm OsiriX eingelesen und ein STL-Datensatz der Oberfläche generiert und exportiert.
  • • Dieser STL-Datensatz wurde in das Programm Slicer importiert. Das Programm Slicer wurde durch eine mit der Programmiersprache Python generierte Erweiterung so ausgestattet, dass der Defekt planungsgemäß virtuell ausgefüllt werden kann, um einen STL-Datensatz der herzustellenden Schale zu erhalten. Dieser STL-Datensatz wurde dann exportiert und wie oben beschrieben weiter benutzt, um den 3D-Drucker zur Erzeugung der Schale zu steuern.
A product according to the invention is, for example, a PLA-polylactic acid frame with an edge thickness of 0.25 mm, which was printed in an Ultimaker 2+ 3D printer with 2.85 mm PLA filament at a printing temperature of 210 ° C. The required print data record was generated as a gcode file with the program Cura from an STL record. The STL data set for the product according to the invention was generated as follows:
  • • - A DVT record of the bony defect was exported as DICOM data set ("digital image processing and communication in medicine") from the SIDEXIS program of the company Sirona, as with other DVT programs also.
  • • This DICOM data record was read into the OsiriX program and an STL record of the interface was generated and exported.
  • • This STL record has been imported into the Slicer program. The program Slicer was equipped by an extension generated with the programming language Python in such a way that the defect can be virtually filled in according to plan, in order to receive an STL data set of the shell to be produced. This STL record was then exported and continued as described above to control the 3D printer to create the shell.

In einem zweiten Schritt wird dann eine PLA-Membran mit einer Schichtdicke von 0,1 mm aufgebracht und mit langsamer Hitzeapplikation formbar dem Rahmen angepasst. Die Fixierung kann mechanisch durch Faltung um Halteränder des Rahmens erfolgen. Unter Beachtung bestehender Schutzrechte des Sonic Weld Systems ist auch ein Lactid-Schweissen möglich.In a second step, a PLA membrane is then applied with a layer thickness of 0.1 mm and adapted with slow heat application formable to the frame. The fixation can be done mechanically by folding around holder edges of the frame. In compliance with existing protection rights of the Sonic Weld system, lactide welding is also possible.

Beispiel 2:Example 2:

Es erfolgt die Herstellung eines erfindungsgemäßen Rahmens aus Polycaprolacton (PCL). Hierbei erfolgt zunächst die Herstellung des Virtuellen Modells in selber Weise wie in Beispiel 1. Der 3D-Druck erfolgt dann mit den Oberflächendaten der zu druckenden Schale wie folgt:
Es wird PCL mit einem Molekulargewicht von etwa 79 kDa mit einem Bio-3D-Drucker ”Bioscaffolder” (Envisiontec GmbH, Gladbeck, Germany) gedruckt, wobei geschmolzendes Polymer mit PJP Technik durch eine 23 Ga Hitzedüse gepresst wird (Temperatur: 110°C) und mit der üblichen Layer-By-Layer-Technik, analog zu einem üblichen Ulimaker 2+ Drucker, bei einer Protrusionsgeschwindigkeit des Tisches von 350 mm/min, gedruckt wird.
The preparation of a polycaprolactone (PCL) frame according to the invention is carried out. In this case, the production of the virtual model takes place in the same way as in example 1. The 3D printing then takes place with the surface data of the shell to be printed as follows:
PCL with a molecular weight of about 79 kDa is printed with a bio-3D printer "Bioscaffolder" (Envisiontec GmbH, Gladbeck, Germany), wherein molten polymer with PJP technology is pressed through a 23 Ga heat nozzle (temperature: 110 ° C.) and printed by the conventional layer-by-layer technique, analogous to a standard Ulimaker 2+ printer, at a protrusion speed of the table of 350 mm / min.

In einem zweiten Schritt wird dann eine Kollagenmembran aufgebracht und mit PLA unter Hitzeapplikation am Rahmen fest geklebt. Die Fixierung kann auch mechanisch durch Spannen um Halterelemente des Rahmens erfolgen. Unter Beachtung bestehender Schutzrechte des Sonic Weld Systems ist auch ein Lactid-Schweissen möglich.In a second step, a collagen membrane is then applied and firmly glued to the frame with PLA under heat application. The fixation can also be done mechanically by clamping around holder elements of the frame. In compliance with existing protection rights of the Sonic Weld system, lactide welding is also possible.

Beispiel 3: Example 3:

Es erfolgt die Herstellung eines erfindungsgemäßen Rahmens aus Titan. Hierbei erfolgt zunächst die Herstellung des Virtuellen Modells in selber Weise wie in Beispiel 1. Die CAM-Herstellung erfolgt dann mit den Oberflächendaten der zu druckenden Schale additiv wie folgt:
Es wird Titanpulver in einer Lasersintermaschine mit der üblichen Layer-By-Layer-Technik, analog zu einem üblichen Ulimaker 2+ Drucker zur 3D-rahmenform gesintert. In einem zweiten Schritt wird dann eine Kollagenmembran aufgebracht und mit PLA unter Hitzeapplication am Rahmen fest geklebt. Die Fixierung kann auch mechanisch durch Spannen um Halterelemente des Rahmens erfolgen. Unter Beachtung bestehender Schutzrechte des Sonic Weld Systems ist auch ein Lactid-Schweissen möglich.
There is the preparation of a frame according to the invention made of titanium. In this case, the production of the virtual model takes place in the same way as in example 1. The production of the CAM then takes place additive with the surface data of the shell to be printed, as follows:
It is sintered titanium powder in a laser sintering machine with the usual layer-by-layer technique, analogous to a conventional Ulimaker 2+ printer for 3D frame shape. In a second step, a collagen membrane is then applied and firmly glued to the frame with PLA under heat application. The fixation can also be done mechanically by clamping around holder elements of the frame. In compliance with existing protection rights of the Sonic Weld system, lactide welding is also possible.

Beispiel 4:Example 4:

Es erfolgt die Herstellung eines erfindungsgemäßen Rahmens aus Magnesium. Hierbei erfolgt zunächst die Herstellung des Virtuellen Modells in selber Weise wie in Beispiel 1. Die CAM-Herstellung erfolgt dann mit den Oberflächendaten der zu druckenden Schale subtraktiv wie folgt:
Es wird ein Magnesiumblock in geeigneter Form in eine Cerec Fräsmaschine eingesetzt. Diese Fräst dann die Grobform des Rahmens. Es erfolgt dann die manuelle Glättung von kanten und Entfernung von Materialüberschüssen, welche ggf zur stabilen Produktion nötig waren. In einem zweiten Schritt wird dann eine Magnesiummembran aufgebracht und mit Hitzeapplication am Rahmen festgeschweißt.
There is the production of a frame made of magnesium according to the invention. In this case, the virtual model is first of all produced in the same way as in Example 1. The production of the CAM is then performed subtractively with the surface data of the shell to be printed as follows:
It is a magnesium block in a suitable form used in a Cerec milling machine. This then mills the rough shape of the frame. There then takes place the manual smoothing of edges and removal of material surpluses, which were possibly necessary for stable production. In a second step, a magnesium membrane is then applied and welded to the frame with heat application.

Während bestimmte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass Veränderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne von der Erfindung in ihren breiteren Aspekten abzuweichen. Daher besteht das Ziel der beigefügten Schutzansprüche darin, alle derartigen Änderungen und Modifikationen, die innerhalb des wahren Geistes und Umfangs der Erfindung abzudecken.While particular embodiments of the invention have been shown and described, it would be obvious to those skilled in the art that changes and modifications can be made thereto without departing from the invention in its broader aspects. Therefore, the aim of the appended claims is to cover all such changes and modifications as fall within the true spirit and scope of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (12)

Vorrichtung zur Abdeckung und/oder Rekonstruktion einer Knochendefektstelle, die einen mit einem partikulärem Material unterfüllbaren Hohlraum zwischen Defektoberfläche und der dem Knochendefekt zugewandten Oberfläche der Vorrichtung aufweist, welcher einen Aufsatz bildet umfassend • einen Rahmen bildenden 3-dimensionalen Festkörper, und • eine darauf befestigte Membran, welche beide jeweils aus demselben oder unterschiedlichen Biomaterialien bestehen und eine dem Knochendefekt abgewandte Oberfläche und eine dem Knochendefekt zugewandte Oberfläche aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen und 3-dimensionale Geometrie des Rahmens durch die Oberflächendaten des Knochendefektes, die mit Hilfe eines Schichtbildgebungsverfahrens gewonnen und mittels CAD-CAM-Technik weiterverarbeitet wurden, definiert sind.A device for covering and / or reconstructing a bone defect site comprising a void space between the defect surface and the bone defect facing surface of the device forming an attachment comprising: a 3-dimensional solid forming a frame, and a membrane mounted thereon both consisting of the same or different biomaterials and having a surface facing away from the bone defect and a surface facing the bone defect, characterized in that the dimensions and 3-dimensional geometry of the frame are determined by the surface defect data obtained by a slice imaging technique were further processed using CAD-CAM technology. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Membran eine Stärke von 0,1 bis 0,2 mm und/oder der Rahmen eine Stärke von 0,1 bis 0,5 mm aufweist.Device according to claim 1, wherein the membrane has a thickness of 0.1 to 0.2 mm and / or the frame has a thickness of 0.1 to 0.5 mm. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Oberflächendaten, mit digitaler Volumentomographie (DVT/CBCT) oder Computer Tomographie (CT) oder Kernspintomografie des Knochendefektes ermittelt wurden.Device according to one of claims 1 to 2, wherein the surface data, with digital volume tomography (DVT / CBCT) or computer tomography (CT) or magnetic resonance imaging of the bone defect were determined. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der 3-dimensionale Festkörper des Rahmens mit Hilfe eines 3D-Druckers erzeugbar ist.Device according to one of claims 1 to 3, wherein the 3-dimensional solid body of the frame can be generated by means of a 3D printer. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der 3-dimensionale Festkörper des Rahmens aus einem resorbierbaren Polymer mit einem 3D-Drucker in einem Schmelzschichtverfahren bei handelsüblicherwesie grobregulierten Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen von 100 bis 300°C, erzeugbar ist.Device according to one of claims 1 to 4, wherein the 3-dimensional solid body of the frame of a resorbable polymer with a 3D printer in a melt layer method at commercial prevail rough regulated temperatures, in particular at temperatures of 100 to 300 ° C, can be generated. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das resorbierbare Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polylactid, Polyglycolid und Polycaprolacton.The device of any one of claims 1 to 5, wherein the resorbable polymer is selected from the group consisting of polylactide, polyglycolide, and polycaprolactone. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der 3-dimensionale Festkörper des Rahmens aus einem Metall mit einem additiven CAD-CAM-Lasersinterprinter in einem Schmelzschichtverfahren erzeugbar ist.Device according to one of claims 1 to 3, wherein the 3-dimensional solid body of the frame made of a metal with a CAD-CAM additive laser sintered printer in a melt layer method is generated. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 7, wobei der 3-dimensionale Festkörper des Rahmens aus einem resorbierbaren Metall, vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung, erzeugbar ist.Device according to one of claims 1 to 3 and 7, wherein the 3-dimensional solid body of the frame of a resorbable metal, preferably selected from the group consisting of magnesium or a magnesium alloy, is generated. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der 3-dimensionale Festkörper des Rahmens aus einem Metall mit einer subtraktiven CAD-CAM-Fräse erzeugbar ist.Device according to one of claims 1 to 3, wherein the 3-dimensional solid body of the frame is made of a metal with a subtractive CAD-CAM milling machine. Verfahren zur Herstellung eines Aufsatzes für eine Vorrichtung zur Abdeckung und/oder Rekonstruktion einer Knochendefektstelle gemäß eines oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) Eingabe der durch ein Schichtbildgebungsverfahren ermittelten Oberflächendaten des Knochendefektes in eine Datenverarbeitungsanlage, (b) Weiterverarbeitung dieser Oberflächendaten mit einer CAD-Technik, (c) Steuerung einer additiven oder subtraktiven CAD-CAM-Fertigungseinheit mit den entsprechend weiterverarbeiteten Daten; (d) Erzeugen des Rahmens aus einem Biomaterial mit einer additiven oder subtraktiven CAD-CAM-Fertigungseinheit; (e) Befestigen einer Membran aus einem resorbierbaren Biomaterial auf dem nach (d) erhaltenen Rahmen.A method for producing an attachment for a device for covering and / or reconstruction of a bone defect site according to one or more of claims 1 to 9, the method comprising the following steps: (a) inputting the surface defect data of the bone defect into a data processing equipment as determined by a layer-forming method; (b) further processing of this surface data with a CAD technique, (c) controlling an additive or subtractive CAD-CAM manufacturing unit with the corresponding further processed data; (d) generating the biomaterial frame with an additive or subtractive CAD-CAM manufacturing unit; (e) attaching a membrane of a resorbable biomaterial to the frame obtained according to (d). Ein aus einem Biomaterial bestehender, einen Rahmen bildenden 3-dimensionalen Festkörper zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß eines der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass seine Abmessungen und 3-dimensionale Geometrie durch die Oberflächendaten eines Knochendefektes, die mit Hilfe eines Schichtbildgebungsverfahrens gewonnen und mittels CAD-Technik weiterverarbeitet wurden, definiert sind.A biomaterial consisting of a frame forming 3-dimensional solid for producing a device according to any one of claims 1 to 9, characterized in that its dimensions and 3-dimensional geometry by the surface data of a bone defect obtained by means of a layer imaging method and means CAD technology were further defined. Ein System zur Herstellung eines Rahmens für eine Vorrichtung zur Abdeckung und/oder Rekonstruktion einer Knochendefektstelle gemäß eines oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 9, wobei das System folgende Komponenten umfasst: (I) eine Datenverarbeitungsanlage zur Eingabe der mittels eines Schichtbildgebungsverfahrens gewonnenen Oberflächendaten des Knochendefektes, auf welcher eine Software geladen ist, die diese Oberflächendaten mittels CAD-Technik weiterverarbeitet; (II) eine additiven oder subtraktiven CAD-CAM-Fertigungseinheit, die als Herstellungsmedium einen ausreichenden Vorrat an einem Biomaterial enthält und durch die in der Komponente (I) eingegebenen und weiterverarbeiteten Daten gesteuert wird; (III) eine Arbeitsebene, auf welcher der Aufsatz erzeugt wird; (IV) gegebenenfalls eine daran angeschlossene Verpackungseinheit, in welcher der in der Komponente (III) erzeugte Rahmen unter sterilen Bedingungen verpackt wird.A system for producing a framework for a device for covering and / or reconstructing a bone defect site according to one or more of claims 1 to 9, the system comprising the following components: (I) a data processing system for inputting the surface defect data obtained by a slice imaging method; on which a software is loaded, which processes this surface data by means of CAD technology; (II) an additive or subtractive CAD-CAM manufacturing unit which contains as a production medium a sufficient supply of a biomaterial and is controlled by the data input and further processed in the component (I); (III) a work plane on which the essay is generated; (IV) if applicable, a packaging unit connected thereto, in which the packaging unit in the Component (III) is packaged under sterile conditions.
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