DE102019119607A1

DE102019119607A1 - Material für ein Knochenimplantat

Info

Publication number: DE102019119607A1
Application number: DE102019119607.8A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Schaffarczyk; Jennifer Knaus
Original assignee: Stimos GmbH
Current assignee: Stimos GmbH
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2021-02-11
Also published as: EP3999134A1; WO2021013303A1; US20220273847A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Material (10, 10a) für ein Knochenimplantat (12, 12a) umfassend: (a) eine Oberfläche (14), umfassend ein Material (16), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus metallbasierten Materialien, Metalllegierungen, oxidischen Keramikmaterialien, Polymermaterialien, Kompositmaterialien oder Kombinationen davon, (b) eine kovalent an diese Oberfläche (14) gebundene organisch polymere Matrix (18, 18a), (c) eine an diese organisch polymere Matrix (18, 18a) angebundene oder eingelagerte Metallionen oder Nanopartikel bindende Substanz (20) und (d) in diese organisch polymere Matrix (18, 18a) eingelagertes Calciumphosphat (22).Mit einer solchen Ausgestaltung kann erreicht werden, dass das Material (10, 10a) für ein Knochenimplantat (12, 12a) biokompatible ist und mit der Korrosion verlangsamt oder gar verhindert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Material für ein Knochenimplantat, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen, ein Knochenimplantat mit solch einem Material sowie eine Verwendung eines solchen Materials.
Der Einsatz von Implantatmaterialien beim Menschen nimmt ständig zu. Dieser Trend betont die Notwendigkeit, hochwertige, stabile und funktionelle Knochenersatzmaterialien zu erforschen. Die Anforderungen an hochwertigen und funktionsgerechten Knochenimplantaten 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 Implantateinheilung sehr komplex und zum Teil unzureichend verstanden ist.
Der Erfolg oder Misserfolg eines Knochenimplantats hängt von vielen Faktoren ab, deren Zusammenhänge komplex sind und auch noch nicht vollständig verstanden wurden. Zu ihnen zählen die Materialeigenschaften (chemische, mechanische und tribologische Eigenschaften), die Biokompatibilität, die Immunogenität und Osseointegration der Implantatmaterialien, die gesundheitliche Situation des Patienten und die Kompetenz des operierenden Arztes. 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. Wenn sich einzelne Partikel vom Implantat lösen, dürfen diese ebenfalls keine der vorher genannten Reaktionen auslösen und sollten zudem entweder im Körper abbaubar oder zumindest sekretierbar sein, um eine permanente Anhäufung und An- bzw. Einlagerung im Körper oder eine aseptische Endoprothesenlockerung zu vermeiden.
Trotz ihrer exzellenten klinischen Leistung kamen Zweifel an metallbasierten Implantatmaterialien bezüglich ihrer Langzeitverträglichkeit innerhalb des Gewebes/Knochens und ihrer potentiellen lokalen und systemischen Nebenwirkung auf. Titan-Partikel im Gewebe wurden beispielsweise mit Monozyt- und Makrophagen-Aktivierung und der einhergehen Freisetzung von Mediatoren der Knochenresorption oder Hypersensitivitätsreaktionen assoziiert. Die Freisetzung solcher Metallpartikel kann aufgrund von Korrosion, Kontamination, Abrieb oder Schäden an den metallbasierten Knochenimplantatmaterialien während ihrer Gebrauchszeit oder während des Implantationsprozesses geschehen. Hierbei stellt die Korrosion metallischer Implantatmaterialien bislang eine Herausforderung dar, welche mit vielfältigen Methoden zu bekämpfen versucht wird allerdings noch nicht gelöst werden konnte.
Korrosion beschreibt hierbei ein Prozess, welcher die graduelle Zersetzung des Materials durch elektrochemische Angriffe oder Abrieb innerhalb des Körpers des Patienten beschreibt. Dabei konnte die Variationen des lokalen pH-Wertes aufgrund diverser Ursachen als eine Quelle für Korrosionen identifiziert werden. Solche Variationen können beispielsweise durch graduelle Imbalancen der physiochemischen Zusammensetzung der lokalen Körperflüssigkeit (z.B. Anteil gelöster Gase wie Sauerstoff) oder generellen Imbalancen des biologischen Systems durch z.B. Krankheit oder bakterielle Infektionen hervorgerufen werden.
Hierbei kann die direkte Materialkorrosion durch begleitende Prozesse, wie z.B. Abrieb oder Verschleiß, beschleunigt werden und führt so zu einer sog. Tribokorrosion. Dies kann beispielsweise durch wiederholte zyklische Belastung erfolgen (durch z.B. Laufen), welche die dem Metall natürliche schützende Oxidschicht beschädigt oder diese gar ganz abgerieben wird, wodurch das reaktive, unpassivierte Metall exponiert wird. Diese wird durch die zunächst sauerstoffreiche Körperflüssigkeit wiederhergestellt. Dies bewirkt allerdings, dass die lokale Sauerstoffkonzentration verringert wird und die natürliche Passivierung erschwert wird. So kann sich lokal der pH-Wert ansäuern, was den Korrosionsprozess wiederum beschleunigt. Hierbei wird mit der Zeit weiter das Material angegriffen. Des Weiteren können hierdurch erleichtert Metallpartikel abgerieben werden, welche von der Oberfläche wegdiffundieren und u.U. Entzündungsreaktionen auslösen können.
Nebst der Entwicklung neuer Implantatmaterialien mit speziellen Eigenschaften, welche solche Korrosionseffekte verlangsamen oder gar verhindern sollen, steht die Entwicklung von Oberflächenbeschichtungen im Fokus der Forschung.
Auf dieser Grundlage liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Material für ein Knochenimplantat bereitzustellen, welches zum einen biokompatible Komponenten aufweist, die kovalent an die Oberfläche gebunden sind. Zum anderen soll eine mögliche Korrosion verlangsamt oder gar verhindert werden. Zudem ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein entsprechendes Herstellungsverfahren bereit zu stellen, mittels dem ein solches Material einfach und mit hoher Ausbeute hergestellt werden kann. Ferner ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Knochenimplantat mit solch einem Material bereitzustellen, das gut verträglich und langlebig ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Verwendung eines solchen Materials, die vielseitig und einfach ist.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst mit einem Material für ein Knochenimplantat, einem Herstellungsverfahren für ein solches, einem Implantat mit einem solchen Material sowie durch eine Verwendung eines solchen Materials mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren entsprechen abhängigen Ansprüchen, der Zeichnung und der Beschreibung.
Die Erfindung geht aus von einem Material für ein Knochenimplantat umfassend: (a) eine Oberfläche, umfassend ein Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus metallbasierten Materialien, Metalllegierungen, oxidischen Keramikmaterialien, Polymermaterialien, Kompositmaterialien oder Kombinationen davon, (b) eine kovalent an diese Oberfläche gebundene organisch polymere Matrix, (c) eine an diese organisch polymere Matrix angebundene oder eingelagerte Metallionen oder Nanopartikel bindende Substanz und (d) in diese organisch polymere Matrix eingelagertes Calciumphosphat.
Durch das erfindungsgemäße Material kann ein Material bereitgestellt werden, das durch seine Biokompatibilität gut verträglich ist. Ferner hat es selbstregenerierende und antibakterielle Eigenschaften. Des Weiteren kann es negative Effekte von Korrosion mildern oder sogar völlig verhindern. Mittels der speziellen Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Materials kann es gezielt für/auf bestimmte Einsatzbereiche abgestimmt werden.
Der schützende Effekt des erfindungsgemäßen Materials basiert demnach auf multiplen Barrierefunktionen. Die kovalente Anbindung des organischen Netzwerkes an die Oberfläche, sowie der großflächigen Zusammenhalt des Netzwerkes verhindert ein Ablösen der Beschichtung von der Oberfläche als auch ein Zerfall und Wegdiffundieren von Material, wie metallischen Komponenten, wie Metallionen oder Metallnanopartikeln. Wenn nun Nanopartikel des Bulkmaterials von der Oberfläche durch Korrosion oder Abrieb wegdiffundieren sollten, kann die Polymermatrix so eine weitreichende Diffusion der Partikel ins umgebende Gewebe verhindern. Des Weiteren verfügt die Gelschicht über die Eigenschaft zur eigenständigen Schließung von Rissen. Dies führt bei Beschädigung der Oberfläche wieder zu einer geschlossenen Gelschicht.
Einen weiteren Schutz stellt das Calciumphosphat dar. Sollte sich der pH-Wert nun auf der Oberfläche des Implantates verringern, kann sich auch die Calciumphosphatschicht lösen. Sollten nun doch Metallionen von der Oberfläche durch das Netzwerk der organischen Schicht diffundieren, können diese mit den gelösten Phosphationen unlösliche Metallphosphate bilden und so das weitreichende Diffundieren der Metallionen in das umgebende Gewebe verhindern. Ein solcher Mechanismus wurde für adsorbierte Calciumphosphatbeschichtungen auf Metalloberflächen vorgeschlagen. In diesen Fällen kann der vorgeschlagene Mechanismus durch den nicht-kovalenten Charakter der Beschichtung allerdings zum Ablösen und damit zum Versagen der Beschichtung führen. Ein solches totales Versagen der Beschichtung ist bei einem Einsatz des erfindungsgemäßen Materials aufgrund des kovalenten Charakters der organischen Schicht und des teilweisen Kompositcharakters der Mineralschicht verhindert.
Selbst wenn bestimmte Begriffe im Singular oder Plural in den Patentansprüchen oder der Beschreibung verwendet werden, soll der Schutzbereich des Patents bzw. der Anmeldung nicht nur auf diese spezifisch genannte Anzahl beschränkt werden. Der Schutzbereich der Erfindung soll sich auch auf eine Einzahl, Vielzahl oder eine andere Anzahl der entsprechenden Struktur beziehen.
Die Begriffe „Material für ein Knochenimplantat“ und „Knochenimplantatmaterial“ werden hier synonym verwendet.
Das erfindungsgemäße Material wird auf feste meist metallbasierte Materialien bzw. Körper (Grundstruktur) aufgebracht, welche als Knochenimplantat Verwendung finden. Hierbei kann die Oberfläche aus Unterpunkt (a) eine Oberfläche dieses Körpers sein, oder eine Oberfläche einer Schicht, die auf diesen Körper aufgebracht ist. 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 bzw. gegebenenfalls auch nur die organisch polymere Matrix aufgebracht werden kann, können hierbei alle dem Fachmann für einsetzbar erachtete bzw. bekannte metallbasierte Materialien, Metalllegierungen, (oxidische) Keramikmaterialien, Polymermaterialien, Kompositmaterialien oder Kombinationen davon 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), Polyetherketon-etherketonketon (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 Titan oder dessen Kompositmaterial. Diese(s) Material(ien) ist/sind der derzeitige Goldstandard in der klinischen Anwendung, da es/sie gute biokompatible Eigenschaften aufweist(en) und somit als Knochenimplantatmaterial gut geeignet ist/sind.
Unter einer organisch polymeren Matrix soll hier ein Netzwerk aus Molekülen verstanden werden, das sich zu einem Großteil (mehr als 50%) aus zumindest einem Grundbaustein mit einem Kohlenstoffgrundgerüst zusammensetzt, wobei dieser eine Grundbaustein oder mehrere Grundbausteine mehrfach verknüpft und/oder vernetzt und/oder in einer Kette aneinandergereiht vorkommen. Dies kann eine Substanz oder ein Substanzgemisch sein, das natürlich vorkommt oder ein(e) synthetisch hergestellte(s) Substanz/Substanzgemisch sein. Bevorzugterweise bedeckt die organisch polymere Matrix die gesamte Oberfläche des Materials aus Punkt (a), wodurch das Material vor den physiologischen Bedingungen des Implantationsortes geschützt werden kann.
Die organisch polymere Matrix kann jede dem Fachmann für einsetzbar erachtete Matrix sein bzw. für einsetzbar erachtete Materialien umfassen/aufweisen, wie beispielsweise Kollagene, Polysaccharide oder Polykatechole.
Vorteilhafterweise umfasst die kovalent an die Oberfläche gebundene organisch polymere Matrix, Kollagen, bevorzugt Typ-I-Kollagen, und/oder Gelatine. Kollagen ist die organischen Komponente des natürlichen Knochens, welcher zu ca. 95 % aus diesem besteht. Die restlichen Komponenten des natürlichen Knochens sind zu ca. 5 % Proteoglykane und andere haftvermittelnde Glykoproteine. Gelatine ist eine denaturierte Form von Kollagen und ist im Vergleich zu diesem kostengünstiger und einfacher handzuhaben. Zudem besitzt Gelatine aber noch einige vorteilhafte Eigenschaften des natürlichen Kollagens, wie zum Beispiel der Ausbildung von Proteinfasern in Lösung ähnlich derer des natürlichen Kollagens. Weiterhin kann Gelatine Hydrogele ausbilden, welche unter speziellen Umständen selbstreparierende Eigenschaften aufweisen. Der hierin verwendete Begriff „selbstreparierend“ bezeichnet die Eigenschaft des Materials für ein Knochenimplantat zur eigenständigen Schließung von „Verletzungen“ wie bspw. Rissen innerhalb der Matrix (Gelschicht). Hierdurch wird wieder eine geschlossene Gelschicht hergestellt. Daher ist die Verwendung von Gelatine als ein Matrixmaterial bevorzugt. Durch die Verwendung solcher gelbildender Materialien weist das erfindungsgemäße Material für Knochenimplantate ebenfalls selbstreparierende Eigenschaften auf.
Die Gelatine und das Kollagen kann chemisch modifiziert werden. Über freie chemische Gruppen in den Aminosäuren, wie z.B. Amin-, Säure- oder Hydroxylgruppen können über etablierte Kopplungschemie über 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid (EDC), oder ähnliche analoge Verfahren weitere Funktionalisierungen in die Beschichtung eingebracht werden. Diese weitere Schicht aus modifiziertem Protein ermöglicht es entweder den Anteil an ionenbindenden Substanzen zusätzlich zu den sich in der Polysaccharidschicht befindlichen zu erhöhen (siehe unten). Es ermöglicht aber auch das Einbringen weiterer kombinatorischer Funktionalisierungen, wie z.B. das Einbringen von zellwachstumsfördernden Substanzen oder antimikrobiell wirkender Substanzen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die kovalent an die Oberfläche gebundene organisch polymere Matrix ein Polysaccharid und/oder ein modifiziertes Polysaccharid. Somit kann eine weitere Komponente der organisch polymeren Matrix des erfindungsgemäßen Materials ein Polysaccharid sein. Hierdurch kann eine Substanzklasse zum Einsatz kommen, die eine Vielzahl von positiven Eigenschaften aufweist. Nebst antibakteriell wirkenden Eigenschaften wurden manchen Polysacchariden ebenfalls nicht-allergene, nicht-toxische, wundheilende, blutstillend, bakteriostatische und fungizide Materialeigenschaften zugesprochen. Hierdurch eignen sie sich als Biomaterialien für den Einsatz zur Wundversorgung, als hämostatische Materialien oder als Gerüststrukturen zur künstlichen Gewebeerzeugung.
Das Polysaccharid des erfindungsgemäßen Materials könnte beispielsweise Chitosan, Alginsäure, Alginat, Hyaluronsäure, Hyaluronat, Pektin, Carrageenan, Agarose und Amylose sein. Möglich wäre auch jedes andere Glykosoaminoglycan, wie Heparin/Heparansulfat, Chondroitinsulfat/Dermatansulfat oder Keratansulfat. Denkbar sind auch Hemicellulosen, wie Xylane oder Mannane nach einer Carboxyfunktionalisierung, oder auch Xanthan, Gellan, Fucogalactan oder Welan Gum. Zudem können auch alle denkbaren Mischungen zum Einsatz kommen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Polysaccharid ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Chitosan, Alginsäure, Alginat, Hyaluronsäure und Hyaluronat. Hierdurch können viele verschiedene Stoffe zum Einsatz kommen, die individuell durch ihre speziellen Eigenschaften ausgewählt werden können.
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 abgeändert oder es kann eine unerwünschte Eigenschaft eliminiert werden. Weiter können weitere Funktionalisierungen in das Material eingebracht werden als auch der Vernetzungsgrad innerhalb der Matrix gesteuert werden. Solche Funktionalisierungen können beispielsweise das Einbringen von ionenbindenden Substanzen wie Brenzkatechine beinhalten.
In einer bevorzugten Realisierung der Erfindung umfasst die kovalent an die Oberfläche gebundene organisch polymere Matrix ein Polykatechol. Unter Polykatechol sollen auch Polykatecholamin verstanden werden. Ähnlich der Eigenschaften der Polysaccharide werden Polykatecholen und Polycatecholaminen antibakteriell wirkende Eigenschaften zugesprochen. Aufgrund ihrer hohen Bindungsfähigkeit auf vielen unterschiedlichen Materialoberflächen können Polykatechole als Beschichtung verwendet werden um Funktionalisierungen einzubringen. Diese umfassen beispielsweise den Einsatz als anwuchsverhindernde („antifouling“) Beschichtungen.
Durch die zusätzliche Modifikation der Matrix mit Katecholen und/oder Katecholaminen wird ebenfalls ein weiterdiffundieren von Metallionen und Nanopartikeln von der Oberfläche verlangsamt oder verhindert. Katechole besitzen natürlicherweise die Eigenschaft Metallionen und -Nanopartikel stark zu binden. Diese Bindung ist bei leicht sauren Umgebungsbedingungen verstärkt. Sollte sich der umgebende pH-Wert senken und sich Metallionen oder -Nanopartikel hierdurch lösen und von der direkten Oberfläche wegdiffundieren, werden diese verstärkt innerhalb der Matrix/Gelschicht abgefangen.
Bevorzugterweise weist das Polykatechol eine Brenzkatechingrundstruktur auf, wobei das Brenzkatechin ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Dopamin, Norepinephrin oder L-3,4-Dihydroxyphenylalanin (L-DOPA). Damit können solche Polykatechole oder Polycatecholamine beispielsweise durch einfache Oxidation von Brenzkatechinen, wie z.B. Dopamin, Norepinephrin oder L-3,4-Dihydroxyphenylalanin (L-DOPA) hergestellt werden. Hierbei kann bereits ein erhöhter Sauerstoffgehalt in der verwendeten Lösung ausreichen um eine Polymerisation zu starten. Denkbar sind allerdings auch Oxidationsmittel wie z.B. Ammoniumperoxodisulfat oder Natriumperiodat.
Die Matrix kann somit entweder Kollagen/Gelatine oder ein Polysaccharid oder ein Polykatechol oder eine Kombination aus zwei Substanzen oder drei Substanzen jeweils aus einer dieser Substanzklassen aufweisen. Es wäre ein Schichtaufbau oder eine Mischung möglich. Hierbei kann die Mischung der angebundenen Matrixsubstanzen stufenlos variiert werden und so auch die Eigenschaftsprofile angepasst werden.
In einer bevorzugten Realisierung der Erfindung umfasst die kovalent an die Oberfläche gebundene organisch polymere Matrix, Kollagen, bevorzugt Typ-I-Kollagen, und/oder Gelatine, ein Polysaccharid oder ein modifiziertes Polysaccharid und ein Polykatechol. Hierdurch ergeben sich vielzählige Kombinationsmöglichkeiten der Zusammensetzung der Matrix, wodurch das Material bzw. die Funktion des Implantates genau an den Bedarf am Implantationsort abgestimmt oder angepasst werden kann. Gelatine wirkt beispielsweise selbstheilend, Chitosan und Polydopamin antibakteriell und das Polydopamin ferner als Kontaktvermittler zwischen der Gelatine und dem Chitosan. Zusätzlich kann das Polydopamin auch als Metallionenfänger dienen.
Die verwendeten Polysaccharide und Polykatechole bzw. Polykatecholamine können hierbei antibakteriell wirken und so einer Senkung des pH-Wertes am Implantationsort durch Bakterien entgegen wirken. So kann der Effekt einer weiteren Korrosion verlangsamt oder gar verhindert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Metallionen oder Nanopartikel bindende Substanz ein Brenzkatechin. Hierdurch kann eine sehr bindungsstarke Substanz zum Einsatz kommen. Das Brenzkatechin kann jedes dem Fachmann für einsetzbar erachtetes Brenzkatechin sein, bevorzugt ist das Brenzkatechin ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Protocatechualkohol, Protocatechualdehyd, Protocatechusäure, 3-(3,4-Dihydroxyphenyl)propionsäure und 3,4-Dihydroxyphenylessigsäure. Diese Substanzen haben eine starke Bindung zu Metallen. Die Bindung kann durch Vorhandensein und/oder Einstellen von leicht sauren Umgebungsbedingungen verstärkt werden. Das Brenzkatechin kann beispielsweise als Modifikation des Kollagens und/oder des Polysaccharids beispielsweise an einer freien Gruppe, z.B. Hydroxyl-, Aldehyd- oder Säuregruppe eingebracht werden.
Durch den Einsatz der Metallionen oder Nanopartikel bindende Substanz kann die organisch polymere Matrix auch ohne Polykatechin auskommen, da deren Fähigkeit der Bindung von Metallionen oder -Nanopartikel durch die Metallionen oder Nanopartikel bindende Substanz übernommen wird. Dadurch ergibt sich auch, dass das Polykatechin in der Matrix (Unterpunkt (b)) die Funktion der Metallionen oder Nanopartikel bindenden Substanz (Unterpunkt (c)) übernehmen kann und die Zugabe einer weiteren Substanz gemäß Unterpunkt (c) entfallen kann.
Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, wenn die organisch polymere Matrix an die Oberfläche über einen Linker gebunden ist. Hierdurch ergibt sich eine stabile Verbindung zwischen Oberfläche, meist die des Implantatgrundkörpers, und der organisch polymeren Matrix. Hierbei kann jeder dem Fachmann für einsetzbar erachtete Linker eingesetzt werden. Die Ankopplung der organisch polymeren Matrix an die im Unterpunkt (a) definierte Materialien kann über an der Oberfläche angebrachte Linkermoleküle, wie beispielsweise Brenzkatechin, Phosphonsäure, Phosphorsäuren oder Organosilanmolekülen erfolgen. Diese können durch Inkubation der Oberfläche in einer Lösung des entsprechenden Linkers auf der Oberfläche angebracht werden. Auf diese Weise können auf der Oberfläche selektiv funktionelle, chemische Gruppen eingebracht werden. So können überdies in den meisten Polysacchariden vorhandene Hydroxylgruppe in 6-er Stellung das Polysaccharid über eine Esterbindung oder Amidbindung an das Implantat angebunden werden. Hierbei kann beispielsweise eine Behandlung mit EDC, Hexamethylendiamin (HMDA) oder Adipinsäuredihydrazid (ADH) erfolgen. HMDA und ADH sind beides Diamidlinker. 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.
Auf diese Weise steht das gesamte Repertoire an Mischungen der einzelnen Komponenten der Matrix des erfindungsgemäßen Materials für die kovalente Bindung an das Implantat zur Verfügung.
Ferner umfasst das erfindungsgemäße Material für ein Knochenimplantat vorteilhafterweise in die genannte organisch polymere Matrix eingelagertes Calciumphosphat. Hierbei können alle mineralischen Formen des Calciumorthophosphats zu Einsatz kommen. Bevorzugt ist das Calciumphosphat ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus amorphem Calciumorthophosphat (ACP), Dicalciumphophat-Dihydrat (DCPD; Brushit), Octacalciumphosphat und Hydroxylapatit, auch mit partieller Fluorid-, Chlorid-Strontium- oder Carbonatsubstitution. Besonders bevorzugt sind amorphes Calciumphosphat (ACP), Hydroxylapatit und Octacalciumphosphat. Verfahren zum Einlagern der genannten Calciumphosphate in eine entsprechende Matrix sind nachfolgend beschrieben.
Durch das direkte mineralisieren des Calciumphosphates innerhalb der Matrix ist dieses direkt auf der Oberfläche verankert. Dies vermeidet gängige Probleme einfacher, aus dem Stand der Technik bekannter, Beschichtungsverfahren. Diese weisen häufig sowohl eine geringe Adhäsion der Calciumphosphate auf dem Implantatmaterial aus, als auch einen limitierter Zusammenhalt innerhalb der einzelnen Calciumphosphatlagen. Dies erhöht das Risiko einer Delaminierung stark. Des Weiteren besteht ein erhöhtes Risiko bei solch einfachen Beschichtungen, dass sich durch Belastung schnell Risse bilden können, was den Schutz der Oberfläche vor Korrosion beeinträchtigt.
Eine gute und funktionale Beschichtung der Oberfläche mit der organisch polymeren Matrix kann vorteilhaft erreicht werden, wenn die organisch polymere Matrix eine Schichtdicke zwischen 0,5 Mikrometern (pm) und 50 µm, bevorzugt zwischen 1 µm und 20 µm und besonders bevorzugt von 10 µm aufweist.
Eine vielversprechende Kombination für die Struktur des erfindungsgemäßen Materials wäre beispielsweise eine Schichtstruktur aus Polydopamin, Brenzkatechin-modifiziertem Chitosan und Brenzkatechin-modifizierter Gelatine, welche über Zugabe von vernetzenden Substanzen quervernetzt werden können. Hierfür kann beispielsweise eine Behandlung mit EDC, HMDA, ADH, Formaldehyd oder Glutaraldehyd erfolgen. Über diese Quervernetzung können dann nachträglich auch noch weitere Schichten angebunden werden über einfache Imprägnierung der Schicht mit dem Quervernetzer, Waschen und Aufbringen der nächsten zu koppelnden Schicht. Dazwischen sind stufenlos alle Kombinationen von Polysacchariden, modifizierten Polysacchariden, Gelatinen, modifizierten Gelatinen und Polydopamin über eine gemeinsame chemische Anbindung über Esterbindungen verfügbar.
Gemäß eines vorteilhaften Aspekts der Erfindung umfasst das Material für ein Knochenimplantat: (a) eine Oberfläche aus Titan, (b) eine kovalent an diese Oberfläche gebundene organisch polymere Matrix umfassend Brenzkatechin-modifizierte Gelatine, Brenzkatechin-modifiziertes Chitosan und Polydopamin, (c) Brenzkatechin-Moleküle als die an die organisch polymere Matrix angebundene oder eingelagerte Metallionen oder Nanopartikel bindende Substanz und (d) in diese organisch polymere Matrix eingelagertes Hydroxylapatit. Diese Materialzusammensetzung kombiniert vorteilhaft ein belastbares Oberflächenmaterial mit einer selbstheilenden, antibakteriell wirkenden, Metallionen und Nanopartikel abfangenden und knochenähnlichen Matrix.
Die Erfindung geht ferner aus von einem Verfahren zur Herstellung eines oben beschriebenen Materials für ein Knochenimplantat. Dieses Verfahren umfasst zumindest die Schritte: (a) Bereitstellen einer Oberfläche, umfassend ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus metallbasierten Materialien, Metalllegierungen, oxidischen Keramikmaterialien, Polymermaterialien, Kompositmaterialien oder Kombinationen davon, (b) kovalentes Ankoppeln einer organisch polymeren Matrix an diese Oberfläche, (c) Einbringen und/oder Ankoppeln einer Metallionen oder Nanopartikel bindende Substanz in/an die organisch polymere Matrix und (d) Mineralisieren der organisch polymeren Matrix mit Calciumphosphat.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann das Material einfach und effizient hergestellt werden. Durch seine Biokompatibilität ist dieses Material gut verträglich. Ferner hat es selbstregenerierende und antibakterielle Eigenschaften. Des Weiteren kann es negative Effekte von Korrosion mildern oder sogar völlig verhindern. Mittels der speziellen Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Materials kann es gezielt für bestimmte Einsatzbereiche abgestimmt werden.
Umfasst die organisch polymere Matrix ein Polykatechol ist zudem vorgesehen, dass in Schritt (b) das Polykatechol mittels einfacher Oxidation zumindest eines Brenzkatechins hergestellt wird. Hierfür kann ein erhöhter Sauerstoffgehalt in der verwendeten Lösung ausreichen um eine Polymerisation zu starten. Somit kann das Polykatechol einfach hergestellt werden.
Das Einbringen und/oder Ankoppeln der Metallionen oder Nanopartikel bindende Substanz in/an die organisch polymere Matrix gemäß Schritt (c) kann durch Inkubieren der organisch polymeren Matrix in der entsprechenden Substanzlösung mit anschließender Inkubation in einer Lösung aus einem Kopplungsvermittler erfolgen. Der Kopplungsvermittler kann beispielsweise EDC, HMDA, ADH, Formaldehyd oder Glutaraldehyd sein.
Die Erfindung geht ferner aus von einem Knochenimplantat, umfassend ein festes Material und/oder einen festen Körper, auf das/den das erfindungsgemäße Knochenimplantatmaterial aufgebracht ist. Hierdurch kann ein Knochenimplantat bereitgestellt werden, welches verträglich und besonders langlebig ist.
Zudem geht die Erfindung aus von einer Verwendung des erfindungsgemäßen Materials als Knochenimplantatmaterial, wodurch ein Material für einen Bereich bereitgestellt werden kann, in dem eine hohe Verträglichkeit und Langlebigkeit wichtig ist.
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 mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Die im Zusammenhang in der folgenden Beschreibung genannten Beispiele sollen die Erfindung nicht auf die darin angegebene Kombination von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale beschränken. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Materials für ein Knochenimplantat mit einer organisch polymeren Matrix mit einem Layer-by-Layer Aufbau der Einzelsubstanzen,
2 eine schematische Darstellung des Aufbaus des Materials für ein Knochenimplantat aus 1 in mineralisierter Form,
3 eine schematische Darstellung eines alternativen Aufbaus eines Materials für ein Knochenimplantat mit einer organisch polymeren Matrix als Mischung aus den Einzelsubstanzen und
4 eine schematische Darstellung des Aufbaus des Materials für ein Knochenimplantat aus 3 in mineralisierter Form.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Aufbau eines Materials 10 für ein Knochenimplantat 12 (nicht im Detail gezeigt) mit einer organisch polymeren Matrix 18 mit einem Layer-by-Layer Aufbau von Einzelsubstanzen, wie Gelatine 26, Chitosan 32 und Polydopamin 34.
Das Material 10 für das Knochenimplantat 12, das beispielsweise aus festem Material bzw. aus einem dreidimensionalen Körper 44 gebildet wird (nicht im Detail gezeigt), umfasst eine Oberfläche 14, umfassend ein Material 16, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus metallbasierten Materialien, Metalllegierungen, oxidischen Keramikmaterialien, Polymermaterialien, Kompositmaterialien oder Kombinationen davon und hier speziell Titan 42.
Auf die Oberfläche 14 ist als eine Oberflächenbeschichtung eine kovalent an diese Oberfläche 14 gebundene organisch polymere Matrix 18 schichtweise bzw. in zumindest drei Schichten 46, 48, 50 aufgebracht. Die organisch polymere Matrix 18 umfasst Kollagen und/oder Gelatine 26 (Schicht 50), ein Polysaccharid 28 bzw. ein modifiziertes Polysaccharid 28 (Schicht 46) und ein Polykatechol 30 (Schicht 48). Zudem bedeckt die organisch polymere Matrix 18 die gesamte Oberfläche 14 des Materials 16.
Hierbei ist das Polysaccharid 28 ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Chitosan 32, Alginat, Hyaluronsäure, Alginsäure, Hyaluronat, Pektin, Carrageenan, Agarose, Amylose, Heparin/Heparansulfat, Chondroitinsulfat/Dermatansulfat, Keratansulfat, Xylane oder Mannane nach einer Carboxyfunktionalisierung, Xanthan, Gellan, Fucogalactan oder Welan Gum und ist hier exemplarisch Chitosan 32.
Das Polykatechol 30 weist eine Brenzkatechingrundstruktur auf, wobei das Brenzkatechin 24 ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Dopamin 34, Norepinephrin oder L-3,4-Dihydroxyphenylalanin (L-DOPA). In diesem exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiel beruht die Brenzkatechingrundstruktur auf Dopamin 34 womit das Polykatechol 30 Polydopamin 34 ist.
Ferner weist die organisch polymere Matrix 18 eine Schicht 50 aus Gelatine 26 auf. Das Polykatechol 30 bzw. das Polydopamin 34 dient hier als Verbinder zwischen der Schicht 46 aus Chitosan 32 und der Schicht 50 aus Gelatine 26. In diesem Ausführungsbeispiel wird erst das Chitosan 32 auf die Oberfläche 14 aufgebracht, dann der Kontaktvermittler Polydopamin 34 und nachfolgend die Gelatine 26. Grundsätzlich kann jedoch auch zuerst die Gelatine 26 aufgebracht werden und nach dem Polydopamin 34 das Chitosan 32.
Um sich eventuell lösendes und wegdiffundierendes Metall abzufangen, weist die organisch polymere Matrix 18 eine Substanz 20 auf, welche an die organisch polymere Matrix 18 angebunden oder eingelagert ist und Metallionen oder Nanopartikel binden kann. Diese die Metallionen oder Nanopartikel bindende Substanz 20 ist ein Brenzkatechin 24, bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Protocatechualkohol, Protocatechualdehyd, Protocatechusäure, 3-(3,4-Dihydroxyphenyl)propionsäure und 3,4-Dihydroxyphenylessigsäure. Auch das Polykatechol 30 bzw. das Polydopamin 34 der Schicht 48 kann Metallionen oder - Nanopartikel binden. Bevorzugt dienen Brenzkatechin-Moleküle 24 als die an die organisch polymere Matrix 18 angebundene oder eingelagerte Metallionen oder Nanopartikel bindende Substanz 20.
Die Substanz 20 kann als Vernetzer des Kollagens bzw. der Gelatine 26, des Polykatechols 30 bzw. des Polydopamins 34 und des Polysaccharids 28 bzw. des Chitosans 34 fungieren und stellt somit Modifikationen dieser Moleküle dar.
Somit umfasst die kovalent an die Oberfläche 14 aus Titan 42 gebundene organisch polymere Matrix 18 in dem hier exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiel eine Schicht 50 aus Brenzkatechin-modifizierter Gelatine 26, eine Schicht 48 aus Brenzkatechin-modifiziertem Polydopamin 34 und eine Schicht 46 aus Brenzkatechin-modifiziertem Chitosan 32.
Die organisch polymere Matrix 18 ist an die Oberfläche 14 über einen Linker 38 gebunden, welcher ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Brenzkatechin, Phosphonsäure, Phosphorsäure und Organosilanmolekülen ist. Bevorzugt ist es ein Silanlinker 38.
Wie in 2, die eine schematische Darstellung des Aufbaus des Materials 10 für das Knochenimplantat 12 in mineralisierter Form, zu sehen ist, weist die organisch polymere Matrix 18 eingelagertes Calciumphosphat 22 auf. Das Calciumphosphat 22 ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Calciumorthophosphat 22 in allen mineralischen Formen bzw. aus der Gruppe bestehend aus amorphem Calciumorthophosphat (ACP), Dicalciumphophat-Dihydrat (DCPD; Brushit), Octacalciumphosphat und Hydroxylapatit 36, auch mit partieller Fluorid-, Chlorid-, Stronzium- oder Carbonatsubstitution, und Kombinationen davon. Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist das Calciumorthophosphat 22 Hydroxylapatit 36.
Die organisch polymere Matrix 18 weist eine Schichtdicke 40 zwischen 0,5 Mikrometern (pm) und 50 µm, bevorzugt zwischen 1 µm und 20 µm und besonders bevorzugt von 10 µm auf.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des Materials 10 für ein Knochenimplantat 12 umfassend zumindest die Schritte:

(a) Bereitstellen einer Oberfläche 14, umfassend ein Material 16, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus metallbasierten Materialien, Metalllegierungen, oxidischen Keramikmaterialien, Polymermaterialien, Kompositmaterialien oder Kombinationen davon,
(b) kovalentes Ankoppeln einer organisch polymeren Matrix 18 an diese Oberfläche 14,
(c) Einbringen und/oder Ankoppeln einer Metallionen oder Nanopartikel bindende Substanz 20 in/an die organisch polymere Matrix 18 und
(d) Mineralisieren der organisch polymeren Matrix 18 mit Calciumphosphat 22.

Umfasst die organisch polymere Matrix 18 ein Polykatechol 30 wird hierbei das Polykatechol 30 in Schritt (b) mittels einfacher Oxidation zumindest eines Brenzkatechins 24 hergestellt.
Das Einbringen und/oder Ankoppeln der Metallionen oder Nanopartikel bindende Substanz 20 in/an die organisch polymere Matrix 18 kann durch Inkubieren der organisch polymeren Matrix 18 in der entsprechenden Substanzlösung mit anschließender Inkubation in einer Lösung aus einem Kopplungsvermittler erfolgen. Der Kopplungsvermittler kann beispielsweise EDC, HMDA, ADH, Formaldehyd oder Glutaraldehyd sein.
Nachfolgend wird die Herstellung des Materials 10 exemplarisch beschrieben:

Beschichtung der Titan-basierten Oberfläche 14 mit Silanlinkern 38:
- Als Oberfläche 14/Substrat diente eine mit 200 Nanometern (nm) Titan 42 bedampftes Substrat, sowie Metallplättchen aus Titan 42. Die Reaktion wird wie in Schema 1 dargestellt durchgeführt. Hierbei wird zunächst das (3-Aminopropyl)trimethoxysilan (APTS) in leicht saurem Medium bei pH 4 für 15 Minuten (min) bei Raumtemperatur hydrolysiert. Zeitgleich werden parallel die Titansubstrate mit Ethanol und Wasser gereinigt und anschließend in 2 Mol (M) NaOH inkubiert um die Oberfläche zu aktivieren. Anschließend werden die gereinigten und getrockneten Titansubstrate in Silan-Lösung getaucht und bei Raumtemperatur für 1 Stunde (h) inkubiert. Anschließend erfolgt ein Abwaschen der ungebundenen Silanlinkermoleküle mit Wasser.

Ankopplung einer Schicht 46 Chitosan 32:

Die Ankopplung des Chitosans 32 (oder wahlweise modifiziertem Chitosan 32) geschieht unter Verwendung von 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid Hydrochlorid (EDC). Dies ist ein weitverbreitetes und kommerziell erhältliches Kopplungsreagenz, welches häufig für die chemische Kopplung von beispielsweise Proteinen und Peptiden, Oligonukleotiden angewendet wird. Zusammen mit N-Hydroxysuccinimid (NHS) wird im Speziellen eine Reaktion von Carboxylaten und Aminen unter Bildung einer Amidbindung gefördert. EDC-Kopplungsreaktionen werden üblicherweise unter sauren Reaktionsbedingungen (pH 4.5 bis 5.5) durchgeführt. Das Reaktionsschema der Ankopplung von Chitosan 32 an die Silanoberfläche ist in Schema 2 gezeigt.

32

14

Ankopplung einer Schicht 48 Polydopamin 34:

Die Anbindung einer Schicht 48 Polydopamin 34 erfolgt durch inkubieren der Titan-Silanlinker-Chitosan-Materials in einer Lösung aus L-DOPA, welches anschließend durch Zugabe eines Oxidationsmittels polymerisiert wird. Die Oberfläche wird anschließend gründlich mit Wasser gewaschen

Ankoppeln einer Schicht 50 Gelatine 26:

Die weitere Anbindung einer Schicht 50 Gelatine 26 (oder modifizierter Gelatine 26) erfolgt durch Inkubieren des zuvor hergestellten Materials in einer Lösung aus Gelatine 26 bei 40 °C. Direkt hiernach wird ein Crosslinker wie beispielsweise EDC oder Hexamethylendiisocyanat hinzugegeben. Anschließen wird die Oberfläche gründlich mit Wasser gewaschen.

Modifizierung von Chitosan 34 oder Gelatine 26:
Schema 3: Schematische Darstellung von Dopamin 34 welches über eine Amidbindung an Gelatine 26 gebunden wurde
Das Anbinden von Dopamin 34 erfolgt durch das Inkubieren einer Gelatine 26 oder Chitosanlösung 32 durch Hinzufügen eines Crosslinkers wie EDC oder Hexamethylendiisocyanat. Anschließend wird die modifizierte Gelatine 26 bzw. das modifizierte Chitosan 32 dialysiert um unreagierte Substanzen zu entfernen.
Mineralisieren der organisch polymeren Matrix 18:

Das Mineralisieren der Matrix 18 erfolgt durch Inkubieren der Beschichteten Substrate in einer Calciumionen enthaltenden Lösung (z.B. CaCl₂) für ca. 15 Minuten bei Raumtemperatur. Der pH-Wert wird auf 9 eingestellt. Anschließend wird mit einer Geschwindigkeit von ca. 3 mL/min eine phosphathaltige Lösung (z.B. aus Na₂HPO₄) kontrolliert hinzugetropft. Hierbei muss der pH-Wert konstant auf 9 gehalten werden. Nach erfolgter Zugabe wird die Lösung für weitere 24 h bei Raumtemperatur gerührt. Die Substrate werden anschließend mit Wasser gewaschen.

In den 3 und 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der organisch polymeren Matrix 18 dargestellt. Im Wesentlichen sind gleich bleibende Substanzen, Merkmale und Funktionen grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen beziffert. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele sind jedoch den Bezugszeichen des alternativen Ausführungsbeispiels der Buchstaben a hinzugefügt. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel in den 1 und 2, wobei bezüglich gleich bleibender Substanzen, Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung des Ausführungsbeispiels in den 1 und 2 verwiesen werden kann.
Die 3 und 4 zeigen ein Material 10a für ein Knochenimplantat 12a mit einer alternative aufgebauten organisch polymeren Matrix 18a. Hierbei unterscheiden sich die Ausführungen der Beispiele der 1/2 und 3/4 dadurch, dass die organisch polymeren Matrix 18a nicht in Schichten aufgebaut ist, sondern dass die organisch polymere Matrix 18a als Mischung 52 aus den Einzelsubstanzen, Kollagen/Gelatine 26, Polykatechol 30/Polydopamin 34, Polysaccharid 28/Chitosan 32, aufgebaut ist.
Bezugszeichenliste

10: Material
12: Knochenimplantat
14: Oberfläche
16: Material
18: Matrix
20: Substanz
22: Calciumphosphat
24: Brenzkatechin
26: Gelatine
28: Polysaccharid
30: Polykatechol
32: Chitosan
34: Dopamin
36: Hydroxylapatit
38: Linker
40: Schichtdicke
42: Titan
44: Körper
46: Schicht
48: Schicht
50: Schicht
52: Mischung

Claims

Material (10, 10a) für ein Knochenimplantat (12, 12a) umfassend: (a) eine Oberfläche (14), umfassend ein Material (16), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus metallbasierten Materialien, Metalllegierungen, oxidischen Keramikmaterialien, Polymermaterialien, Kompositmaterialien oder Kombinationen davon, (b) eine kovalent an diese Oberfläche (14) gebundene organisch polymere Matrix (18, 18a), (c) eine an diese organisch polymere Matrix (18, 18a) angebundene oder eingelagerte Metallionen oder Nanopartikel bindende Substanz (20) und (d) in diese organisch polymere Matrix (18, 18a) eingelagertes Calciumphosphat (22).
Material für ein Knochenimplantat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallionen oder Nanopartikel bindende Substanz (20) ein Brenzkatechin (24) ist, bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Protocatechualkohol, Protocatechualdehyd, Protocatechusäure, 3-(3,4-Dihydroxyphenyl)propionsäure und 3,4-Dihydroxyphenylessigsäure.
Material für ein Knochenimplantat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kovalent an die Oberfläche (14) gebundene organisch polymere Matrix (18, 18a) Kollagen und/oder Gelatine (26) und/oder ein Polysaccharid (28) und/oder ein modifiziertes Polysaccharid (28) und/oder ein Polykatechol (30) umfasst.
Material für ein Knochenimplantat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polysaccharid (28) ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Chitosan (32), Alginat, Hyaluronsäure, Alginsäure, Hyaluronat, Pektin, Carrageenan, Agarose, Amylose, Heparin/Heparansulfat, Chondroitinsulfat/Dermatansulfat, Keratansulfat, Xylane oder Mannane nach einer Carboxyfunktionalisierung, Xanthan, Gellan, Fucogalactan oder Welan Gum.
Material für ein Knochenimplantat zumindest nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polykatechol (30) eine Brenzkatechingrundstruktur aufweist, wobei das Brenzkatechin (24) ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Dopamin (34), Norepinephrin oder L-3,4-Dihydroxyphenylalanin (L-DOPA).
Material für ein Knochenimplantat nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Calciumphosphat (22) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Calciumorthophosphat (22) in allen mineralischen Formen.
Material für ein Knochenimplantate nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Calciumphosphat (22) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus amorphem Calciumorthophosphat (ACP), Dicalciumphophat-Dihydrat (DCPD; Brushit), Octacalciumphosphat und Hydroxylapatit (36), auch mit partieller Fluorid-, Chlorid-, Stronzium- oder Carbonatsubstitution, und Kombinationen davon.
Material für ein Knochenimplantat nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die organisch polymere Matrix (18, 18a) an die Oberfläche (14) über einen Linker (38), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Brenzkatechin, Phosphonsäure, Phosphorsäure und Organosilanmolekülen gebunden ist.
Material für ein Knochenimplantat nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die organisch polymere Matrix (18, 18a) eine Schichtdicke (40) zwischen 0,5 Mikrometern (µm) und 50 µm, bevorzugt zwischen 1 µm und 20 µm und besonders bevorzugt von 10 µm aufweist.
Material für ein Knochenimplantat nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die organisch polymere Matrix (18, 18a) die gesamte Oberfläche (14) des Materials (16) aus Punkt (a) bedeckt.
Material für ein Knochenimplantat nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, umfassend: (a) eine Oberfläche (14) aus Titan (42), (b) eine kovalent an diese Oberfläche (14) gebundene organisch polymere Matrix (18, 18a) umfassend Brenzkatechin-modifizierte Gelatine (26), Brenzkatechin-modifiziertes Chitosan (32) und Polydopamin (34), (c) Brenzkatechin-Moleküle (24) als die an die organisch polymere Matrix (18, 18a) angebundene oder eingelagerte Metallionen oder Nanopartikel bindende Substanz (20) und (d) in diese organisch polymere Matrix (18, 18a) eingelagertes Hydroxylapatit (36).
Verfahren zur Herstellung eines Materials (10, 10a) für ein Knochenimplantat (12, 12a) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend zumindest die Schritte: (a) Bereitstellen einer Oberfläche (14), umfassend ein Material (16), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus metallbasierten Materialien, Metalllegierungen, oxidischen Keramikmaterialien, Polymermaterialien, Kompositmaterialien oder Kombinationen davon, (b) kovalentes Ankoppeln einer organisch polymeren Matrix (18, 18a) an diese Oberfläche (14), (c) Einbringen und/oder Ankoppeln einer Metallionen oder Nanopartikel bindende Substanz (20) in/an die organisch polymere Matrix (18, 18a) und (d) Mineralisieren der organisch polymeren Matrix (18, 18a) mit Calciumphosphat (22).
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die organisch polymere Matrix (18, 18a) ein Polykatechol (30) umfasst, wobei das Polykatechol (30) in Schritt (b) mittels einfacher Oxidation zumindest eines Brenzkatechins (24) hergestellt wird.
Knochenimplantat (12, 12a), umfassend ein festes Material und/oder einen festen Körper (44), auf das/den das Knochenimplantatmaterial (10, 10a) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufgebracht ist.
Verwendung des Materials (10, 10a) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als Knochenimplantatmaterial (10, 10a).