DE19901271A1 - Implantat zur Rekonstruktion von, vorzugsweise craniofazialen, Knochendefekten und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Abstract

Implantat zur Rekonstruktion von Knochendefekten, insbesondere craniofazialer Knochendefekte, wobei es aus einer hochreinen Keramik aus Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid besteht und die Oberfläche zumindest teilweise mit Tricalciumphosphat oder vorzugsweise Hydroxylapatit beschichtet ist.

Description

Die Zahl der eingesetzten Implantate nimmt in jüngster Zeit ständig zu, wobei am bekanntesten der immer häufigere Ersatz von Hüftgelenken ist. In der allgemeinen Chirurgie, insbesondere der Knochenchirurgie, vornehmlich aber in der plasti­ schen Chirurgie, besonders im Schädelbereich, existiert aber bisher kein Verfah­ ren für individuell hergestellte und funktionssichernde Implantate. Verwendet wer­ den Metalle, diverse Kunststoffe, Glas, Keramik und die verschiedensten Kombi­ nationen dieser Materialien. Gerade im Schädelbereich werden aber in den mei­ sten Fällen nur Metallimplantate eingesetzt, die nach einer gewissen Zeit not­ wendigerweise wieder herausgenommen werden, da sie nicht in ausreichendem Maße biokompatibel sind. Die meisten der vorstehend angesprochenen Stoffe, insbesondere gilt dies für Metalle, haben im Hinblick auf das Vorhandensein hy­ drophiler und hydrophober Gruppen, der Kristallstruktur der Oberflächenladungen (Polarität) sowie der Rauhigkeit erhebliche Defizite gegenüber den zu ersetzen­ den Knochenstrukturen. Hinzu kommt, daß es außerordentlich schwierig ist, ge­ eignete Implantate zum Ausfüllen einer häufig sehr komplexen Defektstelle genau und auch kostengünstig zu erstellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Implantat zur Rekonstruktion von Knochendefekten, insbesondere craniofazialer Knochendefekte, zu schaffen, das sich sowohl einfach herstellen läßt und das darüber hinaus eine optimale biologische Verträglichkeit und ein sicheres Einwachsen sichert.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Implantat aus einer hochreinen Keramik aus Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid besteht, wobei die Oberfläche zumindest teilweise mit Tricalciumphosphat oder vorzugs­ weise Hydroxylapatit beschichtet ist.

Mit dem Einsatz einer hochreinen Keramik aus Aluminiumoxid mit einer Reinheit < 99,7%, wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung IEC 672 oder DIN 58835 bekannt ist, wird ein klinisch anerkannter Implantatwirkstoff verwendet, dessen Biokompatibilität sicher unter Beweis gestellt ist. Die Biokompatibilität erklärt sich dabei daraus, daß die starke chemische Bindung zwischen den Aluminium- und den Sauerstoffionen die Basis für eine extreme Korrosionsbeständigkeit ist und demzufolge das Implantat aufgrund seiner hohen Reinheit keinerlei chemische Reaktionen eingeht. Es ist also mithin bioinert.

Von ganz besonderer Bedeutung neben der Verwendung der hochreinen Keramik aus Aluminiumoxid oder Zirkonoxid - wobei Zirkonoxid aufgrund seiner sehr viel höheren Härte an sich bevorzugt ist, jedoch nur für spezielle Anwendungszwecke geeignet ist, da die Fertigung erheblich schwieriger und teurer ist als aus Alumini­ umoxid - die Beschichtung der Oberfläche mit Tricalciumphosphat oder vorzugs­ weise Hydroxylapatit.

Der menschliche Knochen besteht zu etwa 50% aus mineralisiertem Calcium­ phosphat, 25% organischen Verbindungen und etwa 25% Wasser. In der mine­ ralisierten Phase liegt der überwiegende Anteil des Calciumphosphats als Hydroxylapatit vor. Dieses Hydroxylapatit kann aber auch synthetisch über Fäl­ lungsreaktionen hergestellt und mit Carbonaten und Fluoriden in Kristall substitu­ iert werden. Gerade diese Beschichtung des Implantats aus einer Keramik aus Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid mit speziell Hydroxylapatit hat den großen Vorteil, daß der benachbarte Knochen außerordentlich gut an das Implantat grenzflächig anwächst. Die Knochenzellen erkennen die Oberflächenbeschichtung des Implantats als körpereigenen Baustoff an, nachdem ja die Knochen selbst zum großen Teil aus genau dem gleichen Material bestehen, wodurch das An­ wachsen sowohl was die Geschwindigkeit dieses Prozesses angeht als auch auch die Dauerhaftigkeit, erheblich verbessert wird. Dabei genügt es, wenn wenigstens erhebliche Teile der Oberfläche des Implantats mit der Tricalciumphosphat- oder Hydroxylapatit-Beschichtung versehen sind. Durch eine solche Beschichtung, die nicht vollständig flächenhaft sein muß, läßt sich das Beschichtungsverfahren we­ sentlich vereinfachen. Die körpereigenen Zellen lösen das oberflächliche Calci­ umphosphat auf dem Implantat teilweise auf und nehmen es als Baustoff in sich auf, wobei sie sich als neue Knochenschicht fest an die Keramik anheften. Das Ergebnis ist eine schnelle feste Koppelung von Implantat und Knochenstrukturen.

Zur anfänglichen Verankerung des Implantats bis zum Einwachsen ist eine an sich hierfür bekannte Verschraubung geeignet, wobei erfindungsgemäß die Ver­ schraubung mit Hilfe von Keramikschrauben und hierbei wiederum insbesondere Zirkoniumoxid-Keramikschrauben erfolgen kann. Die Zirkoniumoxid- Keramikschrauben sind derart hart und zäh, daß die Gefahr eines Ausbrechens sowohl beim Einsetzen als auch während der Einwachsphase praktisch ausge­ schlossen werden kann. Die Schrauben sollen dabei in gleicher Weise wie die Keramik-Implantate selbst mit einer Oberflächenbeschichtung aus Tricalciumphos­ phat oder vorzugsweise Hydroxylapatit versehen sein, so daß sie ebenfalls sehr rasch adaptiert werden und mit in die benachbarte gesunde Knochenstruktur ein­ wachsen. Die erfindungsgemäßen Implantate, einschließlich der Schrauben aus Aluminiumoxid- oder Zirkoniumoxid-Keramik, können dauerhaft im Körper verblei­ ben, da sie wegen des bioinerten Materials keinerlei Beschwerden, auch nicht im Langzeiteinsatz, verursachen können.

In Ausgestaltung der Erfindung kann die Oberflächenbeschichtung Antibiotika enthalten, entweder indem diese dem Hydroxylapatit beigemischt sind oder als zusätzliche zweite Beschichtung auf die Hydroxylapatitbeschichtung aufgebracht werden. Dieses Aufbringen von Antibiotika auf die Oberflächenbeschichtung hat den großen Vorteil, daß in großen Wundöffnungen sehr häufig unvermeidlich an­ zutreffende Bakterien unmittelbar an der geschädigten Stelle durch die Antibiotika bekämpft werden, so daß nicht durch entzündliche Prozesse das Einwachsen des beschichteten Implantats nachhaltig gestört werden kann.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung soll der Keramikkörper des Implan­ tats eine rauhe vergrößerte Oberfläche aufweisen, wodurch das Anwachsen der Körperzellen an das Implantat und damit das grenzflächige Anwachsen des Kno­ chens begünstigt wird.

Eine weitere vorteilhafte Verbesserung der erfindungsgemäßen Implantate sieht eine wabige Innenstruktur, ähnlich der wabigen porösen Innenstruktur der menschlichen Knochen, vor. Diese läßt sich dabei beispielsweise dadurch errei­ chen, daß das Implantat aus zwei Teilen mit zur gemeinsamen Befestigungsebe­ ne in offenen Kammern zusammengesetzt ist. Nach außen hin ist die Oberfläche des Implantats geschlossen, ggf. natürlich wieder aufgerauht - innen aber sind ausreichend viele Hohlräume vorhanden, so daß das Implantat u. a. sehr viel leichter ist als bei vollvolumigem Aufbau ohne Poren und Innenkammern. Gerade beim Einsatz größerer Implantate im Kopfbereich ergibt sich daraus ein verbesser­ ter Tragekomfort für den Patienten.

Die vorstehend beschriebenen Implantate können die unterschiedlichsten Formen aufweisen. Es können Knochenstrukturen ersetzende Platten aber auch Röhren sein zum Ersatz beispielsweise von Röhrenknochen. Besondere Schwierigkeiten ergeben sich aber bei einer Übertragung der erfindungsgemäßen Implantatausbil­ dung auf das Ausfüllen von Knochenlöchern, wenn beispielsweise in Knochen enthaltende Tumore ausgeschält werden und dann größere hinterschnittene Kammern übrig bleiben. Da das Einsetzen eines ausfüllenden Implantats gemäß der vorliegenden Erfindung in diese Kammern nicht ohne weiteres möglich ist, sieht eine Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vor, daß das Implantat aus einem beschichteten Granulat geformt ist, das in ein, Kollagensubstanzen umfas­ sendes, viskoses, bei 37°C elastisch formbares Hydrogel eingebettet ist. Die Gra­ nulatkörner, die Größen von unter 1 mm bis mehreren Millimetern aufweisen kön­ nen und eine vorzugsweise unrunde Form mit einer rauhen, eine gute Veranke­ rungsmöglichkeit der Knochenzellen ergebenden Oberfläche versehen sind, wer­ den zunächst beschichtet und dann entweder unmittelbar mit dem Hydrogel ver­ mengt, so daß sie in das auszufüllende Knochenloch eingedrückt werden können.

Stattdessen kann man aber auch so vorgehen, daß man das beschichtete Granu­ lat in Gelatineschwämmchen einbettet, die man bisher bereits zum vorübergehen­ den Ausfüllen solcher Knochenlöcher verwendet hat, wobei die kleinen Gelatine­ schwämmchen dann ihrerseits durch Hydrogel zusammengehalten werden, wenn sie in das Knochenloch eingedrückt werden. Gegenüber der bisherigen Verwen­ dung solcher Gelatineschwämmchen, die vom Körper resorbiert werden, hat die erfindungsgemäße Arbeitsweise natürlich den großen Vorteil, daß nicht ein bei der Resorbierung der Gelatineschwämmchen wieder übrig bleibendes großes Loch langsam von den Wänden her zuwachsen muß, was nur bei relativ kleinen Lö­ chern tatsächlich erfolgreich stattfinden kann. Das Knochenloch ist ja durch das Granulat ausgefüllt und dieses beschichtete Keramikgranulat bietet eine sehr günstige Gelegenheit für körpereigene Zellen und durch grenzflächiges Anwach­ sen die Granulatkörnchen untereinander und mit den Wandungen des Knochen­ lochs zu einer einheitlichen Knochenstruktur zu verbinden. Abgesehen davon, daß die unmittelbar an der Wand des Knochenlochs angeordneten Granulatkörn­ chen mit Hydroxylapatitbeschichtung einen besonderen Reiz zum Anwachsen von körpereigenen Zellen ergeben, besteht auch noch der Vorteil, daß rein volumen­ mäßig nur ein viel geringeres Volumen durch körpereigene Knochenzellen ausge­ füllt werden muß, um letztendlich das gesamte Knochenloch wieder vollständig zuwachsen zu lassen. Der größte Teil des Lochs wird durch die Granulatkörner ja bereits ausgefüllt.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Rekonstruktion von, vor­ zugsweise craniofazialen, Knochendefekten durch Einsetzen eines vorstehend beschriebenen Implantats, das dadurch gekennzeichnet ist, daß über bildgebende Verfahren, also digital erhaltene Daten aus Röntgenuntersuchungen, MR- Untersuchungen oder Kernspintomographieuntersuchungen ein Implantat oder eine Form zum Gießen eines Implantats entsprechend der vermessenen Defekt­ stelle gefertigt wird, das vor dem Einsetzen dann noch in der beschriebenen Wei­ se beschichtet wird.

Durch dieses Verfahren kann der Operateur für die in einem geeigneten kerami­ schen Werk durchzuführende Herstellung sehr passgenauer Implantate sorgen, die dann ohne große Nachbearbeitung und damit ohne weitere Schädigung wäh­ rend des Operationsprozesses in die Defektstelle im Körper des Patienten einge­ setzt werden können. Vornehmlich gilt diese Art der Fertigung der Implantate mit Hilfe von bildgebenden Verfahren für die eingangs genannten starren Implantate. Aber auch Implantate, die aus Granulat geformt werden, können auf diese Art und Weise einer bestimmten komplizierten Formgebung angepaßt werden, wobei ggf. bioinerte Kittstoffe verwendet werden, die bei Körpertemperatur nicht mehr pla­ stisch sind, so daß die Implantate formhaltig sind und damit auch nicht nur für das Ausfüllen von Knochenlöchern verwendet werden können.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Bild des Knochenaufbaus eines menschlichen Schädels mit einigen verletzungsbedingten Knochenfehlstellen,

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt im Bereich eines Knochenlochs im Un­ terkiefer längs der Linie II-II in Fig. 1, und

Fig. 3 eine um das 3-fache vergrößerte Ansicht eines Granulatpartikels, das beim Implantat für das Knochenloch in Fig. 2 verwendet wird.

Die Fig. 1 zeigt schematisch die knöchernen Teile eines Schädels, der auf der linken Seite durch einen Unfall stark beschädigt ist, wobei angenommen werden soll, daß das Knochenteil 1 einschließlich der abgebrochenen Teile der daran an­ schließenden Knochenteile 2 und 3 durch ein Implantat ersetzt werden sollen. Zu diesem Zweck wird mit einem dreidimensionalen bildgebenden Verfahren, also über eine Röntgenaufnahme, eine MR-Diagnostik oder eine Kernspintomographie eine digitalisierte Aufnahme des Fehlstellenbereichs gefertigt, wobei selbst bei fehlendem Teil die notwendige Wölbung der ausgefallenen Knochenplatte selbst­ tätig vom Computer entsprechende Angleichung an die Nachbarregionen gefun­ den werden kann. Gegebenenfalls kann hierzu auch die genau symmetrische nicht beschädigte Position auf der anderen Seite des Kopfes vermessen werden und deren Wölbung, Dicke usw. zur Herstellung des fehlenden Knochenstücks mit herangezogen werden. Aus diesen Daten - die beim Arzt und an das ggf. externe Labor bzw. einen Keramikhersteller mittels Datenübertragung weitergegeben wer­ den (Telemedizin) - wird entweder aus einem Keramikblock ein entsprechendes Teil ausgefräst oder durch einen Laser durch Abtrag vollautomatisch hergestellt. In den meisten Fällen wird man aber aus diesen Daten zunächst ein aus geeigne­ tem Werkstoff bestehendes Teil bilden, das dann zur Herstellung einer Form aus­ genutzt wird, in der das eigentliche Implantat durch Hochtemperatur-Formspritzen hergestellt wird. Das Implantat besteht aus einer Keramik aus Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid und ist an seiner Oberfläche vollflächig oder zumindest in großen Bereichen mit einer Hydroxylapatitbeschichtung versehen, die im mikro­ skopisch dünnen Bereich angesiedelt sein kann. Die Dicke der Hydroxylapatit­ schicht ist ja völlig unkritisch, da sie nur dazu dient, den sich darauf ablagernden körpereigenen Zellen vorzugeben, es handle sich um eine körpereigene Struktur, so daß sie sehr gut anwachsen können.

Zur Halterung des Implantats entsprechend dem fehlenden Knochenteil 1 können anstelle der im Bild gezeigten Metallbrücken 4, die mittels Metallschrauben 5 ge­ haltert sind, Keramikbrücken eingesetzt werden, die durch entsprechende Kera­ mikschrauben, vorzugsweise Zirkoniumoxidschrauben gehaltert sind. Auf diese Art und Weise bedarf es keiner Nachoperation zum Entfernen der Metallteile nach dem Einheilen des Implantats.

In Fig. 2 und 3 erkennt man den Aufbau eines Implantats speziell zum Ausfüllen von Knochenlöchern. Ein solches Knochenloch 6 im Unterkiefer 1, das beispiels­ weise durch das Ausschaben eines Tumors od. dgl. entstanden ist, wird erfin­ dungsgemäß mit einem Implantat ausgefüllt, das nicht als ganzes Bauteil extern vorgefertigt worden ist, sondern das der Operateur selbst vorbereitet, wobei eine Vielzahl von Keramikgranulatkörnern Verwendung finden. Der Ausdruck "Granulat" ist hierbei nicht spezifisch dahingehend zu verstehen, daß es sich um Teile handelt, die durch "Granulieren" entstanden sind. Es kann sich auch um kleine, durch Formgießen od. dgl. gebildete Teilchen handeln, wie eines davon mit dem Bezugszeichen 7 versehen vergrößert in Fig. 3 dargestellt ist. Diese Granu­ latkörner 7 mit Abmessungen von beispielsweise 1 × 1 bis 2 × 2 mm, gefertigt aus hochreiner Keramik aus Aluminiumoxid oder Zirkonoxid, werden mit einer Oberflä­ chenbeschichtung, bevorzugt aus Hydroxylapatit, versehen und dann in Gelati­ neschwämmchen der Abmessungen beispielsweise 1 × 1 × 1 cm eingebettet. Die­ se Gelatineschwämmchen 8 werden mit einem viskosen, bei 37°C plastisch form­ baren Hydrogel zusammengemischt und in das Knochenloch 6 eingedrückt, so daß sie dieses vollständig ausfüllen. Mit der Resorbierung sowohl des Hydrogels als auch der Gelatineschwämmchen gelangen körpereigene Zellen an die relativ dicht gepackten Granulatkörner 7 und wachsen daran als Knochenzellen an, so daß sich sowohl eine Verbindung dieser Granulatkörner untereinander durch le­ bende Knochenmasse als auch zur Innenwandung 9 des Knochenlochs 6 ergibt. Mit relativ wenig körpereigener Knochenmasse ist somit ein relativ großes Kno­ chenloch so ausfüllbar, daß eine monolithische Struktur entsteht, die dauerhaft ohne Beschwerden für den Patienten beständig bleiben kann.

Claims (12)

1. Implantat zur Rekonstruktion von Knochendefekten, insbesondere cranio­ fazialer Knochendefekte, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einer hoch­ reinen Keramik aus Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid besteht, wobei die Oberfläche zumindest teilweise mit Tricalciumphosphat oder vorzugsweise Hydroxylapatit beschichtet ist.

2. Implantat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflä­ chenbeschichtung Antibiotika enthält.

3. Implantat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es eine rauhe, vergrößerte Oberfläche aufweist.

4. Implantat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es eine notwendige Innenstruktur aufweist.

5. Implantat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es aus zwei Teilen mit zur gemeinsamen Befestigungsebene hin offe­ nen Kammern zusammengesetzt ist.

6. Implantat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, insbesondere zum Ausfüllen von Knochenlöchern, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem be­ schichteten Granulat geformt ist, das in ein viskoses bei 37°C plastisch formbares Hydrogel eingebettet ist.

7. Implantat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das beschichte­ te Granulat in Gelatineschwämmchen eingebettet ist, die durch Hydrogel zusammengehalten sind.

8. Implantat nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gra­ nulatkörner eine vorzugsweise unrunde Form mit einer rauhen, eine gute Verankerungsmöglichkeit für Knochenzellen ergebenden Oberfläche auf­ weisen.

9. Implantat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es mit Bohrungen für Verankerungsschrauben versehen ist.

10. Implantat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Veranke­ rungsschrauben aus Zirkonoxid-Keramik bestehen.

11. Implantat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Veranke­ rungsschrauben mit Tricalciumphosphat oder vorzugsweise Hydroxylapatit beschichtet sind.

12. Verfahren zur Rekonstruktion von, vorzugsweise craniofazialen, Knochen­ defekten durch Einsetzen eines Implantats nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass über bildgebende Verfahren ein Implan­ tat oder eine Form zum Gießen eines Implantats entsprechend der ver­ messenen Defektstelle gefertigt wird, das vor dem Einsetzen beschichtet wird.