-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung eines bioaktiven Implantats, ein bioaktives Implantat
sowie ein System zum Einbringen in den menschlichen oder tierischen
Körper
mit bioaktiven Eigenschaften.
-
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene
bioaktive Materialien bekannt, die biokompatiblen Gläsern oder
Glaskeramik eine bioaktive Eigenschaft verlei hen können. Wangpeng
Cao und Larry L. Hench geben in einem Artikel "Bioctive Materials" (Ceramics International 22 (1996) 493-507)
einen Überblick über derartige
Materialien. Zu den bekannten bioaktiven Materialien gehören Kalziumphosphate,
Hydroxylapatit und Aluminiumhydroxid.
-
Aus der
DE 19816865 A1 ist es bekannt,
ein Dentalimplantat mit einer Beschichtung zu versehen, die einen
Anteil von 10 bis 40 % Kalziumphosphat aufweist.
-
Aus der WO 97/45377 ist ferner ein
Verfahren bekannt, um einer Keramik eine Bioaktivität zu verleihen.
Hierzu wird die Oberfläche
des zu behandelnden, bereits gebrannten keramischen Werkstücks aufgeraut
und gereinigt und mit einer Schicht, die gemahlenes Hydroxylapatit
beinhaltet, versehen. Diese Schicht wird bei erhöhter Temperatur getrocknet.
Anschließend
wird ein Glanzbrand durchgeführt.
-
Weitere Implantate mit bioaktiven
Eigenschaften und entsprechende bioaktive Materialien sind ferner
bekannt aus
DE 3500287 und
DE 4006379 .
-
Ein gemeinsamer Nachteil von aus
dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung von bioaktiven
Implantaten ist, dass sich der Grad der Bioaktivität nicht
oder nur sehr ungenau vorherbestimmen lässt. Ein weiterer Nachteil
ist, dass durch das nachträgliche
Aufbringen von bioaktivem Material auf die Oberfläche der
bereits gebrannten Keramik deren Farbton ändern kann, was insbesondere
bei Dentalimplantaten nachteilig ist.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Implantats
sowie ein verbessertes Implantat mit einer bioaktiven Oberfläche zu schaffen.
Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System zum
Einbringen in den menschlichen oder tierischen Körper mit einem solchen Implantat
zu schaffen.
-
Die der Erfindung zugrunde liegenden
Aufgaben werden jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen
angegeben.
-
Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung eines
Implantats mit einer bioaktiven Oberfläche so, dass zunächst ein
Werkstück
mit einem Träger,
auf dem sich ein synthetisches Glas und/oder eine synthetische Glaskeramik
befindet, hergestellt wird. Das synthetische Glas und/oder die synthetische
Glaskeramik hat eine Transformationstemperatur von z. B. ca. 680 °C. Das Material
des Trägers
wird so gewählt, dass
es dieser Temperatur standhält
und eine wesentlich geringere Wärmedehnung
als das synthetische Glas und/oder die synthetische Glaskeramik
bei dieser Temperatur aufweist.
-
Bei Erhitzung des Werkstücks entsteht
aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten
des Trägers
und des synthetischen Glases und/oder der synthetischen Glaskeramik
ein Spalt zwischen dem Träger
und dem synthetischen Glas und/oder der synthetischen Glaskeramik.
In diesen Spalt wird ein bioaktives Material wie z. B. Hydroxylapatit,
Kalziumsulfat oder Aluminium-Hydroxylapatit eingebracht.
-
Über
den Spalt diffundiert dann das bioaktive Material durch das synthetische
Glas und/oder die synthetische Glaskeramik zu deren Oberfläche, wodurch
sich die Oberflächenrauheit
verändert.
Wird nur relativ wenig bioaktives Material zugefügt, so ist die Änderung
der Oberflächenrauheit
entsprechend gering, sodass auch die resultierende Bioaktivität relativ
gering ist. Wird dagegen eine größere Menge
bioaktiven Materials zugeführt,
so ist auch die entsprechende Änderung
der Oberflächenrauheit
und die damit einhergehende Erhöhung
der Bioaktivität
größer.
-
Vorzugsweise wird als Träger ein
keramischer Träger,
insbesondere eine Dentalkeramik mit sehr hohem Schmelzpunkt eingesetzt.
Als besonders geeignet hat sich hierfür Leuzit erwiesen. Leuzit hat eine
sehr hohe Schmelztemperatur von ca. 1 540 °C, die weit über üblichen Transformationstemperaturen von
synthetischem Glas und synthetischer Glaskeramik liegt. Ferner hat
Leuzit praktisch keine Wärmedehnung
in dem relevanten Temperaturbereich.
-
Vorzugsweise kommt zur Herstellung
des Rohlings aus dem keramischen Träger und dem synthetischen Glas
und/oder der synthetischen Glaskeramik eine Silikatglaszusammensetzung
zum Einsatz. Die Silikatglaszusammensetzung hat z. B. eine Transformationstemperatur
TG von ca. 680 °C.
-
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird der Rohling auf ca. die Transformationstemperatur
der Silikatglaszusammensetzung erhitzt. Aufgrund der Wärmedehnung
der Silikatglaszusammensetzung kommt es dabei zur Ausbildung eines
Spalts zwischen dem dentalkeramischen Träger und der Silikatglaszusammensetzung.
In diesen Spalt wird dann bioaktives Material eingebracht.
-
Dies erfolgt vorzugsweise über ein
Trägermaterial.
Bei dem Trägermaterial
kann es sich ebenfalls um synthetisches Glas handeln, welches eine tiefere
Transformationstemperatur als die Silikatglaszusammensetzung hat.
Bei Erhitzung auf die Transformationstemperatur der Silikatglaszusammensetzung
hat das synthetische Glas also eine geringe Viskosität.
-
Das synthetische Glas fließt mit den
in ihm befindlichen Partikeln von bioaktivem Material in den Spalt
zwischen dem dentalkeramischen Träger und der Silikatglaszusammensetzung
hinein, sodass die bioaktiven Materialpartikel aus dem durch das
synthetische Glas gebildete Trägermaterial
in die Silikatglaszusammensetzung hinein diffundieren.
-
Vorzugsweise wird als synthetisches
Glas für das
Trägermaterial
ein synthetisches Glas mit einer Transformationstemperatur von ca.
480 °C verwendet.
Ein solches synthetisches Glas hat bei der Transformationstemperatur
der Silikat glaszusammensetzung von ca. 680 °C eine geringe Viskosität, die zum
Einfließen
in den Spalt erforderlich ist.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird für
den dentalkeramischen Träger
Leuzit mit einem Kalium- und/oder Bariumanteil verwendet, um die
Säurelöslichkeit
des Leuzits zu verringern. Dadurch wird eine Säurelöslichkeit von unter 100 μg/cm3 erreicht.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Bioaktivität
an der Oberfläche
des Implantats nicht einheitlich, sondern es gibt Bereiche mit geringerer
und mit höherer
Bioaktivität.
Beispielsweise ist für
das Zusammenwachsen des Implantats mit Gewebe eine geringere Bioaktivität als für das Zusammenwachsen
mit Knochen erforderlich. Beispielsweise für ein Dentalimplantat ist eine
geringere Bioaktivität
im Bereich des Zahnfleisches und eine höhere Bioaktivität im Kieferbereich
vorteilhaft.
-
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung handelt es sich bei dem Implantat um ein Knochenimplantat,
welches eine Oberfläche
mit einem hohen Grad an Bioaktivität zum Zusammenwachsen mit dem
natürlichen
Knochen aufweist.
-
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird
ein System zum Einbringen in den menschlichen oder tierischen Körper mit
einem erfindungsgemäßen Implantat
geschaffen. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Mikrosensor
handeln, der in die Blutbahn eingebracht wird und dann aufgrund
seiner bioaktiven Oberfläche
im Körper
festwächst.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung hat das Implantat eine Kavität zur Aufnahme eines Mikrosystems.
Das Mikrosystem hat z. B. Sensoren und/oder Signalübertragungsmittei,
um einen Zustand des menschlichen oder tierischen Körpers an
eine externe Auswerteeinheit zu übertragen.
Bei dem Mikrosystem kann es sich auch um ein keramisches Mikrosys tem
handeln, welches aus mikrostrukturierten keramischen Komponenten
besteht. Die Herstellung solcher mikrostrukturierten keramischen
Komponenten ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt (vergleiche
Peter Risthaus et al.: "Design
und Fertigung keramischer Mikroreaktoren", Material- und Verfahrensentwicklung
mikrotechnischer Hochleistungsbauteile, Abschlusspräsentation
am 23. Oktober 2001, Wissenschaftliche Berichte FZKA 6662, 109-118,
mit weiteren Nachweisen).
-
Im Weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
-
1:
eine schematische Darstellung eines Rohlings im Querschnitt,
-
2:
eine schematische Darstellung des Rohlings der 1 im Querschnitt nach Erhitzung, sodass
ein Spalt entsteht,
-
3:
eine bevorzugte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines Implantats,
-
4:
einen Längsschnitt
durch eine Ausführungsform
eines implantierten erfindungsgemäßen Dentalimplantats.
-
Die 1 zeigt
einen Querschnitt durch einen Rohling 100. Der Rohling 100 besteht
aus einem Träger 102,
auf dem sich eine Schicht 104 befindet. Vorzugsweise besteht
der Träger 102 aus
einem keramischen Material, insbesondere einem dentalkeramischen
Material. Als besonders geeignet hat sich Leuzit herausgestellt.
Leuzit besteht aus Leuzitkristallen (K2O·Al2O3·4Si02). Diese Kristalle bilden
sich beim Schmelzen von Kalifeldspat. Die Leuzitkristalle haben
eine sehr hohe Schmelztemperatur von 1 540 °C. Ferner hat Leuzit über einen
weiten Temperaturbereich praktisch keine Wärmedehnung.
-
Die Schicht
104 besteht
vorzugsweise zumindest an deren Oberfläche
106 aus einer
biokompatiblen Silikatglaszusammensetzung. Grundsätzlich können für die Schicht
104 verschiedene
synthetische Gläser
und/oder synthetische Glaskeramiken verwendet werden, die an sich
aus dem Stand der Technik bekannt sind wie z. B. aus der
DE 19816865 A1 und
der WO97/45377.
-
Vorzugsweise wird eine Silikatglaszusammensetzung
mit einer relativ hohen Transformationstemperatur TG1 von ca. 680 °C verwendet.
-
Die 2 zeigt
den Rohling 100 nach Erhitzung auf ca. die Transformationstemperatur
TG1 der Schicht 104. Da der Träger 102 nur eine geringe
oder praktisch keine Wärmeausdehnung
zwischen Raumtemperatur und der Transformationstemperatur TG1 hat,
entsteht ein Spalt 108 zwischen dem Träger 102 und der Schicht 104.
In den Spalt 108 wird eine definierte Menge bioaktiven
Materials eingebracht, welches dann in die Schicht 104 eindiffundiert
und zu der Oberfläche 106 gelangt.
Dort bewirkt das bioaktive Material eine Veränderung der Oberflächenstruktur.
-
Die Menge von in den Spalt 108 eingebrachten
bioaktiven Materials muss dabei nicht einheitlich sein, sondern
kann entlang des Spalts 108 variiert werden. Dadurch wird
eine entsprechende Variation des Grades der Bioaktivität der Oberfläche 106 erreicht.
Ebenso lässt
sich auf diese Art und Weise eine Variation des Grades der Bioaktivität an der
Oberfläche 106 in
Längsrichtung
erreichen.
-
Wenn in Teilbereichen der Oberfläche 106 nur
Biokompatibilität,
aber keine Bioaktivität
gewünscht
ist, wird in dem entsprechenden Bereich des Spalts 108 kein
bioaktives Material zugegeben.
-
Vorzugsweise wird das bioaktive Material
in dem Spalt 108 über
ein Trägermaterial
eingebracht. Bei dem Trägermaterial
handelt es sich vorzugsweise um ein synthetisches Glas mit einer
Transformationstemperatur TG2, die unterhalb der Transformationstemperatur
TG1 der Schicht 104 liegt.
-
Beispielsweise beträgt die Transformationstemperatur
des synthetischen Glases des Trägermaterials
TG2 ca. 480 °C.
Ein hierfür
geeignetes synthetisches Glas ist eine Silikatglaszusammensetzung. Aufgrund
seiner geringeren Transformationstemperatur TG2 hat das Trägermaterial
bei Erhitzung auf die Transformationstemperatur TG1 der Schicht 104 eine
geringe Viskosität.
Aufgrund dieser Viskosität fließt das Trägermaterial
mit den in ihm befindlichen Partikeln bioaktiven Materials in den
Spalt 108 ein.
-
Die Partikel bioaktiven Materials
diffundieren dann aus dem Trägermaterial
in dem Spalt 108 in die Schicht 104, sodass auch
Partikel an die Oberfläche 106 gelangen.
Durch Variation der Konzentrationsverteilung der bioaktiven Partikel
in dem Trägermaterial
lässt sich
eine entsprechende Variation der Konzentration der bioaktiven Partikel
in der Schicht 104 und an der Oberfläche 106 erreichen,
um den Grad der Bioaktivität
auf der Oberfläche 106 lokal
einzustellen.
-
Vorzugsweise wird als bioaktives
Material Hydroxylapatit, Kalziumsulfat und/oder Aluminium-Hydroxylapatit
eingesetzt. Die entsprechenden Partikel bioaktiven Materials werden
mit dem Trägermaterial
gemischt und zusammen mit dem Rohling 100 auf die Transformationstemperatur
TG1 gebracht.
-
Die 3 zeigt
ein Flussdiagramm des entsprechenden Verfahrens.
-
In dem Schritt 300 wird ein keramischer
Träger,
vorzugsweise aus Leuzit, hergestellt. Auf den keramischen Träger wird
in dem Schritt 302 ein synthetisches Glas und/oder eine synthetische
Glaskeramik mit biokompatiblen Eigenschaften aufgebracht. Vorzugsweise
wird hierzu eine Silikatglaszusammensetzung verwendet.
-
In dem Schritt 304 wird der so beschichtete Träger auf
die Transformationstemperatur TG1 des synthetischen Glases und/oder
der synthetischen Glaskeramik gebracht. Dadurch bildet sich ein
Spalt zwischen dem Träger
und der Beschichtung aus.
-
In dem Schritt 306 wird eine Menge
bioaktiven Materials zur Einbringung in den Spalt ausgewählt, sodass
sich ein gewünschter
Grad von Bioaktivität
an der Oberfläche
des synthetischen Glases und/oder der synthetischen Glaskeramik
einstellt. In dem Schritt 306 wird die gewählte Menge bioaktiven Materials
mit einem synthetischen Glas gemischt, sodass sich eine bestimmte
Partikelkonzentration von Partikeln des bioaktiven Materials in
dem synthetischen Glas einstellt.
-
Das synthetische Glas hat eine Transformationstemperatur
TG2, die geringer ist als die Transformationstemperatur TG1. Ferner
hat das synthetische Glas für
das Trägermaterial
der bioaktiven Partikel bei der Transformationstemperatur TG1 eine
geringe Viskosität,
die zum Einfließen
in den Spalt erforderlich ist.
-
In dem Schritt 310 wird die Mischung
der bioaktiven Materialpartikel mit dem synthetischen Glas in den
Spalt eingebracht. Dies kann überall
in dem Spalt gleichmäßig erfolgen
oder auch nur in Teilbereichen des Spalts. Ferner kann die Konzentration
der bioaktiven Materialpartikel in dem synthetischen Glas homogen
sein oder ein bestimmtes Konzentrationsprofil aufweisen. Hierdurch
wird ein entsprechendes Profil des Grades an Bioaktivität an der
Oberfläche des
Implantats erreicht. In dem Schritt 312 erreicht ein Teil der in
den Spalt eingebrachten bioaktiven Materialpartikel die Oberfläche des
Implantats, was zu einer entsprechenden Veränderung der Oberflächenstruktur
führt.
-
Die 4 zeigt
ein erfindungsgemäßes Dentalimplantat 400.
Das Dentalimplantat 400 hat einen Bereich 402,
der als Krone ausgebildet ist, und der über das Zahnfleisch (Gingiva) 404 hinausragt.
Ferner hat das Dentalimplantat 400 einen Bereich 406, der
in Form einer Zahn-Wurzel ausgebildet ist. Zwischen den Bereichen 402 und 406 befindet
sich der Bereich 408 des Dentalimplantats 400,
der einem Zahnhals nachgebildet ist.
-
Das Dentalimplantat 400 hat
in seinem Bereich 408 eine bioaktive Oberfläche. Der
Grad der Bioaktivität
in dem Bereich 408 ist so gewählt, dass das Zahnfleisch 404 an
dem Bereich 408 anwachsen kann.
-
In dem Bereich 406 hat das
Dentalimplantat 400 eine erhöhte Bioaktivität, die ein
Verwachsen des Dentalimplantats 400 mit dem natürlichen
Zahnhalteapparat (Parodontium) ermöglicht. Bei dem Parodontium
handelt es sich um eine anatomische funktionelle Einheit zur Befestigung
des Zahns im Kiefer, bestehend aus Zement, Wurzelhaut, Zahnfleisch
und Alveolen. Insbesondere ermöglicht
die erhöhte
Bioaktivität
in dem Bereich 408 ein Anwachsen der Wurzelhaut (Periodontium),
sodass das Dentalimplantat 400 in der Alveole mittels Sharpey-Fasern verankert
wird, wie das auch bei einem gesunden, natürlichen Zahn der Fall ist.
-
Die Bereiche 406 und 408 haben
in deren Inneren jeweils einen dentalkeramischen Träger, vorzugsweise
aus Leuzit, wie mit Bezug auf die 1 bis 3 erläutert. Auf dem dentalkeramischen
Träger befindet
sich eine Silikatglaszusammensetzung, in der sich eindiffundierte
bioaktive Materialpartikel befinden. Dabei ist die Konzentration
der eindiffundierten bioaktiven Materialpartikel in dem Bereich 406 höher als
in dem Bereich 408. Dies entspricht der höheren Bioaktivität an der
Oberfläche
des Bereichs 406 im Vergleich zu dem Bereich 408.
-
Die Bereiche 406 und 408 des
Dentalimplantats 400 können
in einem Arbeitsgang hergestellt werden, indem in den Spalt (vergleiche 2, Spalt 108),
der bei der Erhitzung des Rohlings entsteht, Trägermaterial mit einem entsprechenden
Konzentrationsprofil von bioaktiven Partikeln eingebracht wird.
-
Der Bereich 402 kann dann
nachträglich
auf die Klebefläche 410 auf
der Oberseite des Bereichs 408 z. B. mittels eines Zements
aufgeklebt werden.
-
Im Vergleich zum Stand der Technik
ist das Dentalimplantat 400 besonders vorteilhaft, da der Bereich 406 mit
dem natürlichen
Zahnhalteapparat verwachsen kann, sodass das Dentalimplantat 400 "federnd" an dem Alveolarknochen
befestigt ist. Aufgrund dessen ist die Gefahr reduziert, dass das
Dentalimplantat 400 z. B. bei kräftigem Zubeißen abbricht.
-
- 100
- Rohling
- 102
- Träger
- 104
- Schicht
- 106
- Oberfläche
- 108
- Spalt
- 400
- Dentalimplantat
- 402
- Bereich
- 404
- Zahnfleisch
- 406
- Bereich
- 408
- Bereich
- 410
- Klebefläche