DE19628464A1

DE19628464A1 - Implantat-Formkörper und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE19628464A1
Application number: DE1996128464
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof Dr Schumacher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-07-15
Filing date: 1996-07-15
Publication date: 1998-01-22

Description

Stand der Technik

Dentalimplantate sind Stift-, Pfeilstift-, Anker- und Schraubimplantate unterschiedlicher Geometrie und Ober flächengestaltung. Die verwendeten Materialien sind biokompatible Werkstoffe wie z. B. Titan und Alumini umoxid.

Die Implantate werden nach Extraktion eines Zahnes und Wundheilung in eine vom Zahnarzt erzeugte Kavität in den Kieferknochen eingesetzt. Zum besseren Verwachsen der künstlichen Zahnwurzel mit dem Kieferkno chen wird das Implantat in der Regel mit einer knochenähnlichen künstlichen Substanz, dem Hydroxylapatit beschichtet. Einzelne Implantattypen besitzen zwecks Abfederung der Kaubelastung eine weich-elastische Aufnahme der Zahnkrone. Die äußere Form der Implantate ist meist leicht konisch. Sie werden - außer beim Ankerimplantat - als vertikal ausgerichtetes steilwandiges Element in den Kieferknochen eingesetzt.

Aufgabe

Das Ziel, eine dauerhafte knöcherne Verbindung zwischen Implantat und Kieferknochen zu erreichen, wird dadurch erschwert, daß das elastische Verhalten von Implantatwerkstoff und Kieferknochen sehr unterschied lich ist. So besitzt der Knochen einen Elastizitätsmodul von ca. 15000 N/mm² und Aluminiumoxid einen Ela stizitätsmodul von ca. 400000 N/mm². Das Implantatmaterial kann also als inelastisch gegenüber dem Kno chen angesehen werden. Daraus resultiert, daß bei Kaubelastung die Implantatwand entsprechend einer großen Scherbelastung bzw. Scherverformung gegenüber der Kieferknochenwand hin und her geschoben wird und der Implantatgrund den Knochen dort stark druckverformt (Abb. 1). Druckbelastungen führen aber zum Auswei chen des Knochens. Zahnpositionskorrektur-Maßnahmen mittels Spange etc. nutzen diese natürliche Reaktion des Knochens. Scherungen durch Kaubelastung werden im natürlichen Zahnsystem durch den Zahnhalteappa rat, ein Faserbett, das den Zahn hält, aufgefangen und in Zugspannungen auf den Kieferknochen umgesetzt, so daß der Kieferknochen eher immer auf den Zahn zu wächst.

Die künstliche Zahnwurzel bisheriger Bauart wird also den Organismus aufgrund der Druckspannungen im Knochen und der relativ großen Scherungen bei Kaubelastung zum Abstoßen des Fremdkörpers anregen. Das Implantat wird von Bindegewebe umgeben und verliert seinen Halt.

Lösung

Die erfindungsgemäße Lösung für eine alternative Bauform ist ein Federimplantat, dessen elastisches Verhal ten so genau wie möglich auf das des Kieferknochens abgestimmt ist (Abb. 2). Das optimale Implantat verhält sich eingewachsen in den Kieferknochen genau so wie der Knochen selbst. Die Federform des Implantats macht diese Anpassung möglich und zwar sowohl im Bereich der Knochenkompakta (höhere Steifigkeit) als auch in der Spongiosa (geringere Steifigkeit).

Das Implantat wird als dichtes oder offen poröses, gefülltes und/oder beschichtetes System hergestellt. Es kann zwecks besseren Einwachsens in den Kieferknochen optional mit einer biokompatiblen Beschichtung, vor zugsweise Hydroxylapatit oder Bioglas, versehen werden und in der offenen Porosität eine biokompatible or ganische Komponente, vorzugsweise Kollagen, besitzen.

Das Implantat wird vom Zahnarzt zusammen mit Hydroxylapatitpulver zur Kieferknochenerneuerung im Zahnwurzelbereich eingesetzt. Der Organismus resorbiert das künstliche Knochenmaterial und baut es zu neu em Knochen um. Das Implantat wird im Zahnwurzelbereich vollständig von neugebildetem Knochen umgeben und fest einwachsen.

Herstellung der Implantate

Die erfindungsgemäßen keramischen Implantate werden durch Schlickergießen, Heißgießen, Spritzgießen, Extrudieren oder Grünbearbeitung von axial oder isostatisch gepreßten Rohlingen hergestellt. Sie bestehen aus bioinerten oder bioaktiven Werkstoffen, vorzugsweise Aluminiumoxid. Die Formkörper sind dicht gesintert oder besitzen eine offene Porosität oder eine festigkeitssteigernde Fremdpartikeldispersion, vorzugsweise ZrO₂, oder eine Faserverstärkung, vorzugsweise C-Fasern, SiC-, Carbonitrid- oder Al₂O₃-Fasern.

Die erfindungsgemäßen metallenen Implantate werden pulvermetallurgisch analog zu den oben beschriebenen keramischen Implantaten hergestellt oder durch Formgießen der Metallschmelze oder umformtechnische Bear beitung von Ausgangskörpern, vorzugsweise Drähten.

Die offene Porosität ist optional mit einer organischen biokompatiblen Substanz gefüllt, vorzugsweise mit Kollagen. Die Implantate sind optional mit biokompatiblem Material beschichtet, vorzugsweise mit Hydroxyla patit, das mittels Plasmaspritztechnik aufgebracht wird.

Beispiele für Bauformen

Die erfindungsgemäßen Implantate besitzen die Form einer Feder, vorzugsweise mit Meanderform, Spirale mit abnehmendem/zunehmendem Durchmesser und/oder sich ändernder Fläche des Federquerschnitts und einem Kopf, der zur Aufnahme der Krone dient.

Ausführungsbeispiel

Im einfachsten Fall eines keramischen Implantates handelt es sich um ein dicht gesintertes hochreines Al₂O₃, das mittels Heißgießen in eine vorgefertigte Form eine Spirale ergibt, die einen Federquerschnitt von kreis förmiger Gestalt mit einem Durchmesser von 5 mm besitzt. Der Durchmesser der Spirale nimmt über 4 Win dungen von 10 mm auf 5 mm ab. Die Federsteifigkeit dieser Spirale beträgt wie die des Kieferknochens 75 kN/mm.

Die Steifigkeit des Knochens wurde wie folgt abgeschätzt. Für den Elastizitätsmodul des Knochens findet man in der Literatur den Wert E=2psi = 6,9_*2_*10³ N/mm². Im elastischen Bereich gilt das Hooksche Gesetz:

aufgelöst nach F:

oder aufgelöst nach der Federsteifigkeit in N/mm

Daraus ergibt sich für der Knochen eine Federsteifigkeit von 75 kN/mm bei A=100 mm² und l=20 mm.

Die Steifigkeit der Implantatfeder ergibt sich aus:

mit G = Schubmodul, D = Durchmesser der Windung, d = Durchmesser des Federdrahts und n = Zahl der Windungen.

Mit den Werten für Al₂O₃ mit G = 157000 N/mm² und n = 5 ergibt sich eingesetzt in

ergibt sich in Abhängigkeit vom Federdrahtdurchmesser d folgender Zusammenhang:

Das Diagramm zeigt, daß sich die Abmessungen von Federdrahtdurchmesser und Windungsdurchmesser im Bereich zwischen 5 und 10 mm ähneln. Die notwendigen Formen sind also nicht filigran.

Für Al₂O₃ ergibt sich daraus für einen Federdrahtdurchmesser von 10 mm bei 5 Windungen einen Windungs durchmesser von ca. 8 mm und bei 3 Windungen einen Windungsdurchmesser von ca. 10 mm. D.h., daß der Außendurchmesser der Spirale 13 mm bzw. 15 mm beträgt. Für Spiralen mit maximal 10 mm Außendurchmes ser sind Federdrahtdurchmesser von 7-8 mm und Windungsdurchmesser von 5-6 mm notwendig.

Die ermittelten Daten verstehen sich als Maximalwerte hinsichtlich der Anpassung an die elastischen Eigen schaften des Knochens. Die Elastizität des Implantats darf jedoch durchaus größer sein als die des Knochens, d. h. daß der Federdrahtdurchmesser d kleiner oder der Windungsdurchmesser größer sein darf, als das Dia gramm angibt.

Claims

1. Formkörper und Verfahren zu seiner Herstellung, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper aus Grün den der mechanischen Kompatibilität mit dem Knochen die Gestalt eines Federkörpers besitzt und als Im plantat eingesetzt werden kann.

2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper aus bioinerter Keramik, vorzugsweise aus Aluminiumoxid besteht.

3. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper aus Metall, vorzugsweise Titan besteht.

4. Formkörper nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper eine innere offene Porosität besitzt.

5. Formkörper nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper dicht ist.

6. Formkörper nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper aus Festigkeitsgründen mit einer Fremdphasen-Dispersion, vorzugsweise mit ZrO₂ versehen ist.

7. Formkörper nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper aus Festigkeitsgründen mit einer Faserverstärkung, vorzugsweise mit C-, SiC-, Carbonitrid und/oder Al₂O₃-Fasern versehen ist.

8. Formkörper nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der offenporöse Formkörper mit bioinerter und/oder bioaktiver Substanz, vorzugsweise Kollagen gefüllt ist.

9. Formkörper nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper außen mit einer bioakti ven/bioinerten Beschichtung, vorzugsweise Hydroxylapatit versehen ist.

10. Formkörper nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper die Gestalt eines Meanders besitzt.

11. Formkörper nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper die Gestalt einer zylindri schen Spirale besitzt.

12. Formkörper nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper die Gestalt einer sich im Durchmesser ändernden Spirale besitzt.

13. Formkörper nach Anspruch 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper die Querschnittsfläche über seine Länge ändert.

14. Formkörper nach Anspruch 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper durch Schlickern, Heißgie ßen, Spritzgießen, Extrudieren oder Grünbearbeitung aus axial- oder isostatisch gepreßten Rohteilen her gestellt wird.

15. Formkörper nach Anspruch 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß der metallene Formkörper auf schmelzme tallurgischem Weg hergestellt und durch Schmieden, Drahtziehen, Fräsen, Schleifen und/oder Polieren sei ne endgültige Form erhalten hat.

16. Formkörper nach Anspruch 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper seine offene Porosität durch Zugabe von Porosierungsmitteln oder Füllstoffen in die Masse vor Formgebung oder Sintern von bimodal verteilten Primärpulvern erhält, von denen der Feinanteil das Versintern des Grobanteils verursacht.

17. Formkörper nach Anspruch 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper einen Kopf zur Aufnahme der Zahnkrone besitzt.