DE2022498B2

DE2022498B2 - Geschlossener, dreidimensionaler künstlicher Knorpel- oder Knochenersatzkörper und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2022498B2
Application number: DE2022498A
Authority: DE
Inventors: Mamerto M. Pennington N.J. Cruz (V.St.A.)
Original assignee: FMC Corp
Current assignee: FMC Corp
Priority date: 1969-05-12
Filing date: 1970-05-08
Publication date: 1979-07-05
Also published as: FR2047600A5; GB1271763A; JPS5230192B1; CA922856A; JPS5416677B1; DE2022498C3; DE2022498A1

Description

Die Erfindung betrifft einen geschlossenen, dreidimensionalen künstlichen Knorpel- oder Knochenersatzkörper, der in siedendem Wasser mindestens 6 Stunden lang beständig ist auf der Basis von wasserunlöslichem ionisierbarem Kollagensalz und Calcium, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Bekanntlich besteht das Stützgerüst der Rückenwirbel aus Knorpel und Knochen. In den embryonalen Stadien bildet der Knorpel dieses Stützgerüst und der größte Teil des Knorpels wird beim Erwachsenen durch Knochen ersetzt. Lediglich an den Knochengelenken und an anderen Stellen, wie z. B. am Ohr, an der Nase und dgl., bleibt beim Erwachsenen der Knorpel bestehen. Der organische Hauptbestandteil von Knorpel- und Knochengeweben ist Kollagen und der anorganische Hauptbestandteil der Knorpel- und Knochengewebe sind Calciumphosphatkomplexe oder •verbindungen, wie z. B. Hydroxyapatit. Die anorganischen Hauptbestandteile sind Calcium, Magnesium, Phosphatreste, Carbonatreste, Fluoridreste und Wasser, wobei diese Metalle und Reste Verbindungen unter· schiedlicher Zusammensetzung bilden, die allgemein zur Gruppe der Apatite gehören. Weitere anorganische Ionen sind im allgemeinen in Spurenmengen vorhanden und es finden sich darin auch weitere organische Substanzen. Im allgemeinen ist die unterschiedliche Härte und Starrheit bei Knorpel- und Knochengeweben eine Folge unterschiedlicher Zusammensetzung, beispielsweise die Folge unterschiedlicher Mengenverhältnisse zwischen Kollagen und den anorganischen Calciumphosphatverbindungen sowie des Vorhandenseins weiterer Reste und der morpholischen Struktur.

Knochengewebe besteht aus Bündeln kollagenhaltiger Fasern in einem amorphen Zement, bei dem es sich wahrscheinlich um einen Protein-Polysacchand-Komplex handelt, der mit den Calciumphosphatkumplexen oder -verbindungen imprägniert ist Darin ist auch Schwefel enthalten und er scheint in Form eines Sulfatesters enthalten zu sein, der den Polysacchariden zugeordnet ist Die unterschiedliche Härte und die unterschiedlichen sonstigen Eigenschaften der verschiedenen Knochengewebe und der Teile des Knochens dürften die Folge von Schwankungen des Mengenanteils an Calciumcarbonat und anderen Bestandteilen, wie z. B. Magnesium, Fluor, des an der Oberfläche der Hydroxyapatitkristalle absorbierten Carbonate oder von Fluorid- und Carbonatresten, die Hydroxyreste ersetzen, sein. Unabhängig davon, in welcher Weise diese Zusatzstoffe den Calciumphosphatverbindungen zugeordnet sind, scheinen sie die Kristallgitter der Phosphatverbindungen zu verändern. Die Eigenschaften werden andererseits aber auch durch die Morphologie des speziellen bzw. individuellen Knochengewebes beeinflußt Grob gesprochen beträgt das Verhältnis von kollagenhaltiger Substanz zu anorganischer Substanz in menschlichen Knochen etwas weniger als 1:3. Es schwankt zwischen etwa 1 :2,65 und etwa 1 :2,89 im menschlichen Oberschenkelknochen, bezogen auf das Gewicht des trockenen entfetteten Knochens. Die vorstehende Schilderung der Struktur und Zusammensetzung von Knochengewebe ist jedoch sehr vereinfacht, da Knochengewebe tatsächlich eine überaus komplizierte Struktur hat, die sich zudem noch in ihrer genauen Zusammensetzung in Abhängigkeit von dem Alter, von Individuum zu Individuum innerhalb der gleichen Gattung und von Gattung zu Gattung ändert

Bis auf den heutigen Tag können Knorpel- und Knochengewebe nicht auf synthetischem Wege hergestellt werden. In der Knochenchirurgie wird eine große Vielzahl von Knochenersatzstoffen verwendet, wie z. B. fremde oder eigene Knochen von anderen Körperteilen, Knochenderivate und künstliche Ersatzstoffe, wobei unter Knochenderivaten Knochen zu verstehen sind, aus denen bestimmte Bestandteile, wie z. B. Mineralsalze, Proteine, Lipide und Wasser, entfernt worden sind. Zu künstlichen Ersatzstoffen gehören Metalle, bestimmte künstliche Polymere, Calciumsulfat und Hydroxyapatit.

Die Chemie der schwerlöslichen Phosphatsalze und insbesondere des Systems Ca-P2O5-2 H2O sowie die Chemie und die Struktur der Calciumphosphatverbindungen. die in natürlichem Knorpel- und Knochengewebe auftreten, sind außerordentlich komplex. Daher umfaßt der hier verwendete Ausdruck »Calciumphosphat« die verschiedensten Verbindungen, nämlich Dicalciumphosphat, Tricalciumphosphat, Octacalciumphosphat, Hydroxyapatit, Carbonatapatit, Chlorapatit,

Fluorapatit und Mischungen davon.

Gemäß dem älteren Patent Nr. 17 95 096 ist ein Verfahren zur Herstellung von künstlichen Knorpel- und Knochenersatzkörpern bekannt, die aus einem homogenen Gemisch aus einem in Wasser unlöslichen, mikrokristallinen, ionisierbaren Kollagensalz und Calciumphosphat mit oder ohne Einschluß weiterer Ionen, wie sie in natürlichen Knochen- und Knorpelgeweben zu finden sind, bestehen. In den dabei erhaltenen Produkten liegen die verschiedenen Bestandteile in erster linie als inniges und homogenes mechanisches Gemisch vor, das verschiedene Ionen enthält, um die Härte des Produktes zu erhöhen. Zur Herstellung dieser Produkte können auch Kollagen-Vernetzungsmittel verwendet werden, um die Feuchtigkeits- und Wasserbeständigkeit dieser Produkte zu verbessern.

Aus der DE-PS 555338 ist ein Verfahren zur Herstellung von elfenbeinartigen Massen aus Schwefel und Casein bekannt, bei dem man Schwefel und Casein in kolloidaler Verteilung enthaltende wäßrige Lösungen mit Säuren ausfällt, das dabei erhaltene Gel mit Wasser wäscht, preßt, plastifiziert, formt trocknet und durch Erhitzen härtet Anstelle von Casein kann man nach den Angaben in dieser Patentschrift auch von Albumin ausgeheii. Cssein und Albumin stellen zwar ebenso wie Kollagen Proteine dar, sie unterscheiden sich jedoch im Hinblick auf ihre Morphologie und im Hinblick auf ihre sonstigen Eigenschaften grundlegend von Kollagen.

Aus der AT-PS 74 062 ist ein Verfahren zur Herstellung einer horn- und elfenbeinartigen bzw. hartgummiähnlichen Masse aus Eiweißkörpern bekannt bei dem man Albumin und Casein sowie deren Umwandlungsprodukte (Albumina-ie) mit neutralen oder sauren Estern aus mehrwertigen Alkoholen und organischen Säuren oder aus Säuren der Fettsäurereihe und Derivaten davon oder aus Aminofettsäuren versetzt

In beiden Fällen wird kein Kollagen als Ausgangsmaterial verwendet und die nach beiden Verfahren herstellbaren Formkörper eignen sich nicht als Knorpel- oder Knochenersatz, der in Tierkörper implantiert werden kann, ohne nachteilige Wirkungen auf diese auszuüben.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen künstlichen Knorpel- oder Knochenersatzkörper zu entwickeln, der nicht nur technisch leicht hergestellt werden kann, sondern in seinem Aufbau den natürlichen Knorpel- und Knochengeweben sehr ähnelt so daß daraus hergestellte Implantate vom Implantatempfänger gut angenommen und in die natürlichen Knorpel- und Knochengewebe störungsfrei eingebaut werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen geschlossenen dreidimensionalen künstlichen Knorpel- oder Knochenersatzkörper, der in siedendem Wasser mindestens 6 Stunden lang beständig ist, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er besteht aus einem komplexen partiellen Salz von Kollagen mit Calciumionen und einem ionisierbaren Säureanion, wobei das partielle Salz 0,4 bis 0,8 mMol gebundene Säure pro Gramm Kollagen enthält, sowie gegebenenfalls Calciumphosphat in einer Menge zwischen mehreren Gew.-% und 70 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des partiellen Kollagensalzes und gegebenenfalls 1 bis 80Gew.-% Fasern, jeweils bezogen auf das Endprodukt.

Bei dem Säureanion handelt es sich vorzugsweise um ein Phosphatanion.

Der erfindungsgemäße künstliche Knorpel- oder

Knochenersatzkörper ist den natürlichen Knorpel- und Knochengeweben aufgrund seines Aufbaus sehr ähnlich und vom toxikologischen Standpunkt aus betrachtet mit natürlichen Knochen- und Knorpelgeweben sehr gut verträglich. Da das in dem erfindungsgemäßen Knorpel- und Knochenersatzkörper enthaltene Kollagen ein faseriges Material darstellt das bei der Herstellung des Körpers nur einem geringen Abbau unterliegt kann üas Fasermaterial bei wesentlich höheren Feststoffkonzentrationen und damit leichter verarbeitet werden als die bisher verwendeten Knochenersatzstoffe. Das erfindungsgemäß verwendete faserige Kollagenmaterial liefert außerdem einen sehr homogenen Formkörper mit einem geringen Volumen, der innerhalb einer viel kürzeren Zeit austrocknet Er hat ferner wegen der faserigen Struktur des Grundausgangsmaterials (Kollagen) eine außerordentlich hohe Festigkeit Er ist gegen Feuchtigkeit und Wasser auch bei erhöhter Temperatur über lange Zeiträume hinweg beständig, der bei längerem Liegen im Wasser zwar etwas aufquillt aber aufgrund seiner hohen Kohäsionsfestigkeit nicht zerfällt

Der künstliche Knorpel- oder Knochenersatzkörper der Erfindung kann nach einem einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildenden Verfahren hergestellt werden, das dadurch gekennzeichnet ist daß man nicht-denaturiertes Kollagen bei einer Temperatur von unter etwa 30⁰C mit einer Lösung von Calciumhydroxid bei einem pH-Wert zwischen 8 und 12 umsetzt das Calcium-Kollagen-Reaktionsprodukt abtrennt es mit 0,4 bis 0,8 mMol einer ionisierbaren Säure pro Gramm Kollagen umsetzt unter Bildung eines komplexen, partiellen Salzes von Kollagen mit dem Calciumkation und dem Säureanion, dem dabei erhaltenen partiellen Kollagensalz gegebenenfalls Calciumphosphat in einer Menge zwischen mehreren Gew.-% und 70Gew.-%_: bezogen auf das partielle Kollagensalz, sowie gegebenenfalls 1 bis 80 Gew.-% synthetische Fasern, bezogen auf das Gewicht des Endprodukts, zusetzt und die dabei erhaltene Mischung in die gewünschte Form bringt den dabei erhaltenen dreidimensionalen Körper bis auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 5 bis 25% trocknet, den getrockneten Körper in einer inerten Atmosphäre auf eine Temperatur zwischen 100 und 120⁰C erhitzt und ihn 2 bis 10 Stunden lang bei dieser Temperatur hält.

Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung eines geschlossenen, dreidimensionalen Formkörpers in der Weise, daß man zuerst ein in Wasser unlösliches, kolloidal dispergierbares komplexes partielles Salz von Kollagen mit einem Calciumkation und einem ionisierbaren Anion herstellt, das in einem mesomorphen Zustand vorliegt

Das Kollagenmolekül enthält sowohl Carboxylgruppen als auch Aminogruppen, wobei die zur Verfügung stehenden freien Carboxylgruppen die Additionszentren für Kationen und die zur Verfügung stehenden freien Aminogruppen die Additionszentren für ionisierbare Anionen darstellen. Sowohl die Carboxylgruppen als auch die Aminogruppen sind auch innerhalb der drei verspulten PolypeptidkeUen des Kollagens vorhanden, die Behandlungsbedingungen reichen aber nicht aus, um das makromolekulare Gefüge zu durchdringen. In der Herstellung der Substanz wird das Kollagenausgangsmaterial, beispielsweise mechanisch desintegriertes und gemahlenes Kollagen vom Rind, mit einer Lösung eines Calciumhydroxids behandelt, wobei die Lösung einen pH-Wert von 8—12, vorzugsweise von 10,0—12 hat. Die Behandlung des Kollagens mit der alkalischen Lösung

des Calcrombydroxids führt zu einer Salzbrükkenreaktion, bei der das Calciumkation mit den freien und zur Verfügung stehenden Carboxylgruppen aufeinanderfolgender Kollagenmoleküle reagiert, um ein partielles Metallsalz zu bilden. Dieses Metallsalz wird dann vorzugsweise gewonnen und von löslichen Salzen freigespült

Das gewonnene partielle Calciumsalz wird mit einer verdünnten Lösung ionisierbarer Säuren behandelt, beispielsweise Salzsäure, Bromwasserstoffsäure, Jodwasserstoffsäure, Phosphorsäure, Schwefelsäure, Essigsäure, Zitronensäure und Oxalsäure. Andere ionisierbare Säuren, die Aminsalze mit den freien und vorhandenen Aminogruppen am Kollagenmolekül bilden, sind ebenso geeignet; vom praktisch kommerziellen Standpunkt aus gesehen sind die genannten Säuren aber die günstigsten. Nach der Reaktion mit der Säure kann das komplexe Salz in trockener Form gewonnen werden. Vorzugsweise wird das Reaktionsprodukt durch Schleudern getrennt, um überschüssige Flüssigkeit auszuscheiden. Das Produkt wird dann in einem mit Wasser mischbaren Lösungsmittel aufgeschlämmt, beispielsweise Methanol, Äthanol oder isopropanol. Das Produkt wird erneut geschleudert, um es von dem größten Teil der Flüssigkeit zu trennen, und danach wird es luftgetrocknet oder ofengetrocknet, vorzugsweise unter 100⁰C, um eine trockene, weiße, flockige, fasrige Substanz zu bilden.

Die fasrige Substanz kann in Wasser dispergiert werden, vorzugsweise durch Zerreiben, um eine kolloidal dispergierbare Substanz zu bilden. Sie bildet stabile zähflüssige Gele bei Feststoffkonzentrationen von hinab bis zu 0,5%. Die Dispersion, vorzugsweise bei höheren Konzentrationen, wird getrocknet, um Strukturen in der gewünschten Form zu bilden. Der pH-Wert der Dispersionen und das spezielle Trocknungsverfahren bestimmen die physikalischen Eigenschaften der Produkte. Beispielsweise zeigte ein Produkt, das durch die Behandlung von Kollagen mit einer Calciumhydroxidlösung und der anschließenden Behandlung des gewonnenen Calciumsalzes mit Phosphorsäure gebildet wurde, bei Dispersion in Wasser (J Gramm des Calciumphosphatkollagenreaktionsproduktes in 497 Gramm entionisiertem Wasser) in einem Waring-Blendor-Apparat einen Anfangs-pH-Wert von 3,5 und nach 5 Minuten einen pH-Wert von 3,7. Die Viskosität betng zwei Stunden nach der Herstellung der Dispersion, gemessen mit einem Brookfield-Viscometer Modell HAT bei 10 UpM und 20⁰C, 12 200 Centipoise. Nach 24 Stunden betrug die Viskosität 12 620 Centipoise, und diesen Wert behielt die Substanz über die Versuchsdauer hinweg, die mehrere Tage betrug. Eine ähnliche Dispersion, bei der der pH-Wert durch das Zusetzen von verdünnter Phosphorsäure auf einen Ausgangs-pH-Wert von 2,9 gebracht wurde, hatte einen End-pH· Wert von 3,1. Die Viskosität betrug nach 2 Stunden 14 680 Centipoise und nach 24 Stunden 13 760 Centipoise, und die Viskosität blieb auch hier wieder konstant.

In beiden Fällen bildete das Gel nach Gießen in eine flache Schale und nach Trocknung an der Luft zähe, flexible, bernsteinfarbene knorpelartige Strukturen. Dieselben Dispersionen bildeten, wenn sie gefriergetrocknet wurden, schwammartige Strukturen, wobei die verbindenden Partien der Substanz zwischen faserartigen und kleinen film- oder flockenartigen mikroskopischen Unterstrukturen variierten.

Das gefriergetrocknete Produkt, das aus dem Gel entstand, das einen pH-Wert von 3,7 hatte, zeigte eine poröse, schwammartige Struktur. Beim Eintauchen in Wasse,¹ schwoll das Produkt erheblich an, hielt aber seine kohärente Struktur bei, ohne zu desintegrieren. Eine Wärmebehandlung, beispielsweise ein Erhitzen der trockenen Struktur auf 105⁰C über einen Zeitraum von drei Stunden hinweg, verringert das Maß des Schwtllens beim Eintauchen in Wasser, Andererseits zeigt das entstandene Produkt bei Erhöhung des pH-Werts der Dispersion durch den Zusatz von Ammoniak auf einen

ίο pH-Wert von etwa 4,5 vor dem Gefriertrocknen eine markante Verringerung im Schwellen. Luftgetrocknete oder ofengetrocknete Produkte haben die gleichen Eigenschaften hinsichtlich Wasserabsorbtion und Schwellen, wenn sie aus Dispersionen mit verschiede- -3 nen pH-Werten hergestellt werden.

Elfenbeinartige und knochenartige Strukturen erhält man dadurch, daß man mit der Dispersion des partiellen Salzes von Kollagen Calciumphosphat mischt. Bei der Herstellung dieser Strukturen kann der Anteil an mehr Calciumphosphat zwischen mwireren % und 70% variieren, bezogen auf das Gewkht des partiellen Kollagensalzes. Die Substanzen, die die geringeren Anteile an Metallsalz enthalten, haben eine knorpelartige Struktur, während die, die mehr als etwa 40% des

>-, Metillsalzes enthalten, elfenbein- und knochenähnlich sind. Offensichtlich gilt, daß je höher der Anteil des Calciumphosphats, desto dichter das Endprodukt. Es gibt keinen scharfen Trennungsstrich zwischen der Flexibilität, Geschmeidigkeit, Dichte und Härte der

jn Produkte innerhalb des angegebenen Anteilbereichs. Es erfolgt eine graduelle Abnahme in der Flexibilität und Schmiegbarkeit und eine Zunahme in der Härte mit der Erhöhung des Anteils des Metallsalzes. Die Stabilität dieser Produkte variiert in Abhängigkeit vom pH-Wert

j> der Dispersion, aus dem das Produkt in der zuvor beschriebenen Weise entsteht

In der Herstellung von Substanzen für knochenartige Strukturen können in der Dispersion oder in dem Gel andere gewünschte Ionen und die sog. Spurenelemente

4ii enthalten sein. Im Falle eines Calciumphosphatkollagensalzes und einer Calciumphosphatdispersion oder eines Calciumphosphatgels kann beispielsweise das Fluorid- oder Carbonation usw. darin enthalten sein, um Fluorapatit und Carbonatcalciumphosphatverbindun-

4> gen zu bilden, beispielsweise die Hydroxyapatitcarbonatverbindungen, die in manchen Knochengeweben vorhanden sind.

Bei Säugetieren müssen Knorpel und Knochen beispielsweise gegen Druck, Biege-, Verdreh- und

vi Schlagkräfte widerstandsfähig sein. Die Widerstandsfähigkeit gegen einige dieser Kräfte und bestimmte mechanische Festigkeitseigenschaften der Produkte gc .näß der Erfindung können geändert und verbessert werden, indem den wäßrigen Dispersionen oder Gelen

■■>■> Fasern zugesetzt werden, die als Verstärlcungselemente fungieren.

Die Fasern können aus synthetischen Polymeren bestehen, beispielsweise aus Polyester, Nylon, Polyletrafluoräthylen, Polyolefinen und Polycarbonaten, sowie

"> aus natürlichen Polymeren, beispielsweise Kollagenfasern, Amylosefasern und Chitin. Diese Fasern können jede gewünschte Größe haben, beispielsweise die konventionellen Textilgrößen, die zwischen I und 10 Denier liegen, und sie können in ihrer Länge

μ zwischen 6 mm und konventionellen Stapellängen von 37 mm liegen. Die Fasern können als Einzelfasern eingeschlossen sein, oder sie können auch verfilzt, gewebt oder gewirkt sein, um nach Bedarf ein poröses

oder durchlöchertes Gewebe in Flach- oder Rohrform oder in einer sonstigen Form zu bilden, das anschließend mit dem Calriumphosphatkollagensalz und der Calciumphosphatdispersion imprägniert und beschichtet wird. Die Fasern können 1—80Gew.-%, vorzugsweise 15—60Gew.-% des Endproduktes ausmachen, je nach der speziellen Anwendung.

Das komplexe partielle Calciumphosphatkollagensalz wird von undenaturiertem Kollagen abgeleitet bzw. hergestellt Die bevorzugte Herkunft des Kollagens ist Kollagen bzw. Haut vom Rind, d. h. der Teil der Haut, der im wesentlichen Kollagen bildet und von dem das Haar und das Heisch entfernt worden sind. Dieser Stoff wird auch das Korium der Haut genannt Andere Herkünfte des Kollagen, beispielsweise Elchhaut, Schweinehaut Ziegenhaut und Schafhaut sind ebenfalls geeignet

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gemahlene fasrige Form, wie sie durch die Verwendung der konventionellen Urschel-Mühle entsteht Das fein zerkleinerte fasrige Kollagen wird in einer Lösung des Calciumhydroxids aufgeschlämmt, die einen pH-Wert von 8—12 hat Die Feststoffkonzentration, d.h. der Anteil des fasrigen Kollagens, kann nach Bedarf gewählt sein, vorzugsweise bis zu etwa 10%, wobei eine Schlämme mit einem Feststoffanteil von 5% gut zu verarbeiten ist Zweckmäßigerweise wird die Schlämme konstant umgerührt Es ist festgestellt worden, daß eine zweckmäßige Praxis darin besteht die Reaktion mit etwa 90% der Caiciumhydroxidlösung zu beginnen und iangsam zusätzliche Lösung zuzusetzen, um den gewünschten pH-Wert zu erreichen. Im allgemeinen ist eine Mischzeit von etwa 10 Minuten bis etwa 30 Minuten zufriedenstellend, je nach der Feststoffkonzentration. Bei einer Feststoffkonzentration von 5% ist eine Mischzeit von 15 Minuten zufriedenstellend. Die Temperatur wird unter etwa 30"C gehalten und soll unter der Temperatur liegen, bei der Kollagen denaturiert wird.

Während des Schlämmens reagiert das aufgelöste Calciumhydroxid mit den freien vorhandenen Carboxylgruppen an aufeinanderfolgenen Kollagenmolekülen, um eine sog. Salzbrücke zu bilden. Das Reaktionsprodukt wird vom Hauptteil der Flüssigkeit durch Schleudern getrennt und kann zweckmäßigerweise als nasser Kuchen gewonnen werden, der beispielsweise zwischen 20 und 40% Feststoffe enthält

Der nasse Kuchen wird in einem mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel aufgeschlämmt, das die aufgelöste Säur«· enthalten kann. Die wäßrige Säurelösung wird vorzugsweise mit dem in Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel vorgemischt um die Möglichkeit zu vermeiden, daß Teile des Metallkollagenreaktionsproduktes mit höher konzentrierter Säure in Kontakt gelangen, als das andere Teile des Metallkollagenreaktionsproduktes tun. Der Anteil der vorhandenen Säure kann zwischen 0,4 und 0,8 Millimol Säure pro Gramm Kollagen variieren. Kollagen vom Rind enthält etwa 0,78 Millimol vorhandene primäre Aminogruppen pro Gramm Kollagen, und aus einem solchen Kollagen hergestellte Produkte haben einen gebundenen Säuregehalt der im Bereich von 0,4 bis 0,7 Millimol pro Gramm Kollagen liegt, wobei der Durchschnittswert bei etwa 038 Millimol pro Gramm Kollagen Hegt

Die Reaktion kann in einem Umlaufmixer durchgeführt werden, um eine gründliche Dispersion des Caknumkollagensalzes in der verdünnten Säurelösung sicherzustellen. Die Feststoffkonzentration kann bis zu etwa 15% schwanken, und die Mischzeit kann zwischen 10 und 30 Minuten liegen. Ein zufriedenstellendes Mischen läßt sich mit Hilfe eines normalen Hobart-Mixers mit einer Feststoffkonzentration von etwa 10% für die Dauer von etwa 15 Minuten durchführen. Die Höhe der Feststoffkonzentration wird durch die Verarbeitbarkeit der Dispersion begrenzt Die spezielle Art der Mischapparatur, die in den beiden Reaktionen verwendet wird, kann auf der Grundlage der Feststoffkonzentration gewählt werden. Einfache Rührwerke eignen sich für die niedrigeren Konzentrationen, während Umlaufmixer und Apparate wie der Cowles Dissolver oder eine Bauer-Mühle für die höheren Feststoffkonzentrationen verwendet werden können.

Nach der Reaktion mit der Säure wird das komplexe partiell ionisierbare Salz von dem Hauptteil der Flüssigkeit geifefini, beispielsweise durch Abschleudern, und das Salz bzw. das Reaktionsprodukt wird als nasser Kuchen gewonnen. Der nasse Kuchen wird in Wasser oder in einem in Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel aufgeschlämmt, vorzugsweise in einem organischen Lösungsmittel, um lösbare Substanzen zu entfernen. Das Salz wird dann vom Hauptteil der Flüssigkeit getrennt und getrocknet um das komplexe Salz zu gewinnen. Vorzugsweise wird das mit Wasser mischbare organische Lösungsmittel zumindest in der Endwaschstufe benutzt, um ein Trockenprodukt zu liefern, das flockig und faserartig ist Durch Verwendung eines organischen Lösungsmittels wird die Schwellwirkung verringert und es wird auch eine Wasserstoffbindung während des Trocknens verhindert

Das trockene, weiße, flockige Produkt ist in Wasser dispergierbar. Vorzugsweise wird die Dispersion durch die Verwendung von Apparaten gebildet in denen das komplexe Salz in einen kolloidalen Zustand gebracht wird. Die Viskosität von Dispersionen, die 03% Feststoffanteil enthalten, variiert um nicht mehr als 10% innerhalb von 24 Stunden nach der Herstellung. Danach bleibt die Viskosität im wesentlichen konstant d. h. sie ändert sich während einer Woche nur mehr um einige wenige Prozente, wenn die Lagerung bei 5° C und unter Bedingungen, die den Verlust von Wasser verhindern, erfolgt.

Die Eigenschaften des erfindungsgemäß erhältlichen Ersatzkörpers werden durch die spezielle Art der Trocknung bestimmt Eine luttgetrocknete Dispersion, die frei von dispergiertem Gas ist, bildet eine harte, dichte, hornartige Struktur. Wenn die Dispersion dispergiertes Gas enthält 'St die Struktur porös, jedoch hart und hornartig. Eine gefriergetrocknete Dispersion, die frei von dispergiertem Gas ist bildet eine Struktur, die porös, jedoch hart und starr im Vergleich zur natürlichen, schwammig-porigen Knochenstruktur ist Wenn die Struktur aus einer Dispersion gefriergetrocknet ist die dispergiertes Gas enthält beispielsweise aus einer schaumartigen Dispersion, ist die Struktur hochgradig porös.
In der Herstellung synthetischer knorpelartiger und knochenartiger Strukturen gemäß der Erfindung wird mesoamorphes Calciumphosphat mit einem wäßrigen Gel des wasserunlöslichen ionisierbaren komplexen Kollagensalzes gemischt Da Knochengewebe etwas Zitronensäure und Phosphatsalze enthalten, wird das komplexe Kollagensalz vorzugsweise dadurch hergestellt daß das Kollagenausgangsmaterial mit Zitronensäure oder Phosphorsäure oder einem Säurephosphatsalz behandelt wird, um dadurch das Vorhandensein

dessen zu vermeiden, was man als Fremdionen in dem Produkt bezeichnen könnte. Das Calciumphosphat kann dadurch gebildet werden, daß man Lösungen eines löslichen Phosphats, beispielsweise Natriumphosphat, mit einem löslichen Calciumsalz mischt, beispielsweise Calciumacetat, um damit ein gewünschtes Molverhältnis von Calcium zu Phosphat zu erhalten, vorzugsweise um ein Verhältnis von etwa 1,6 :1 zu erhalten.

In der biologischen Bildung von Knochengewebe und insbesondere dem harten Gewebe von Zähnen wird eine Apatitcarbonatverbindung produziert, die anscheinend für die extreme Härte solcher Gewebe verantwortlich ist. In der Herstellung von Strukturen gemäß der Erfindung können geeignete Mengen der verschiedenen Anionen in den Gelgemischen aufgenommen werden, vorzugsweise in der Herstellung des Calciumphosphats, um Relativverhältnisse zu liefern, die denen natürlicher Knochengewebe nahekommen. Beim Zusei zen beispielsweise des Carbonatanions und des Fluoridanions können etwa 1 — lOMol-%, vorzugsweise 2—5%, des Phosphatanions durch das Carbonatanion ersetzt werden, und etwa 0,05—2 Mol-%, vorzugsweise 0,1 —0,6%, des Phosphatanions können durch das Fluoridanion ersetzt werden. Wenn andere Ionen aufgenommen werden sollen, beispielsweise die Carbonat- und Fluoridanionen, werden vorzugsweise Salzlösungen, beispielsweise Natriumcarbonat und Natriumfluorid, während der Herstellung des Calciumphosphats zugesetzt. Vorzugsweise werden diese Lösungen der löslichen Phosphatlösung zugesetzt, so daß bei Mischen der Lösung mit dem Calciumsalz die Salze, die die anderen Ionen enthalten, zusammen mit dem Calciumphosphat niederschlagen.

Die Lösungen der löslichen Salze werden vorzugsweise unter heftigem Umrühren gemischt Die entstehende Schlämme der unlöslichen Salze wird im allgemeinen einen alkalischen pH-Wert von 103 bis 12 haben. Das mesoamorphe Calciumphosphat wird durch Filtration getrennt und gründlich mit Wasser gewaschen, um lösliche Salze zu entfernen. Das gewonnene nasse Salz wird in Wasser aufgeschlämmt, und unmittelbar vor dem Zusetzen der Schlämme zu einem wäßrigen Gel des mikrokristallinen Kollagensalzes wird der pH-Wert der Schlämme vorzugsweise auf 3—5 durch das Zusetzen von Essigsäure gebracht Alternativ wird die Schlämme, die den alkalischen pH-Wert hat, langsam der komplexen Kollagensalzdispersion zugesetzt, die einen pH-Wert von 2^—5,5 hat, und zwar unter ständigem Umrühren. Der pH-Wert der vereinigten Schlämme und der Dispersion wird dann auf einen Wert gesenkt, der innerhalb des pH-Wertbereichs der Dispersion liegt, indem eine Säure zugesetzt wird, beispielsweise Essigsäure oder Phosphorsäure.

Die Gemische werden auf einen Feuchtigkeit- bzw. Wassergehalt von 5% bis 25% getrocknet Wenn poröse Strukturen gebildet werden sollen, wird die Trocknung vorzugsweise mit Hilfe eines Gefriertrokkenverfahrens vorgenommen. Nachdem der Feuchtigkeitsgehalt auf einen Wert innerhalb des genannten Bereichs gesenkt worden ist, werden die Strukturen vorzugsweise erhitzt, beispielsweise in einem Ofen mit einer inerten Atmosphäre, und zwar auf eine Temperatur zwischen 100"C und 120⁰C für die Dauer von 2—10 Stunden. Dieser Heizvorgang erhöht die Stabilität der Sirukiurcigcnschaften der Produkte in Gegenwart wäßriger Flüssigkeiten erheblich. Die gewünschte Struktur wird durch Strangpressen oder Formen oder sonsiwic gebildet Um relativ dünne Strukturen zu bilden, kann die Vereinigung aus Schlämme und Dispersion in eine Schale bis zu einer gewünschten Stärke gegossen und dann in geeigneter Weise getrocknet werden. Alternativ können schwere Dispersionen oder pastenartige Dispersionen (Dispersionen mit höheren Feststoffkonzentrationen) in geeigneten Formen gegossen werden. Als weitere Möglichkeit können Blöcke gebildet und die gewünschten Produkte durch höheren maschinelle Bearbeitung geformt werden.

Die folgenden speziellen Beispiele dienen lediglich zur Veranschaulichung der Anwendung der Erfindung:

Beispiel 1

In einer Urschel-Mühle gemahlenes und vakuumgefriergetrocknetes Kollagen vom Rind wurde mit Wasser gemischt um eine gequollene fasrige Masse zu bilden, die einen Feststoffanteil von .30% halte Fine Calciumhydroxidlösuns wurde in entionisiertem Wasser hergestellt, die einen pH-Wert von 11,6 hatte. 670 Gewichtsteile der gequollenen fasrigen Masse wurden in 3300 Teile der Calciumhydroxidlösung eingemischt Etwa 300 ml einer normalen Calciumhydroxidlösung wurden während des Mischens zugesetzt, um den pH-Wert bei 11,6 zu halten. Das Mischen wurde bei Raumtemperatur 15 Minuten lang durchgeführt Die Schlämme wurde dann auf einen nassen Kuchen mit einer Feststoffkonzentration von 30% geschleudert Eine Schlämme mit 10% Feststoffanteilen wurde in einem Hobart-Mixer hergestellt, in dem 670 Gew.-Teile des nassen Kuchens einem Gemisch zugesetzt wurden, das aus 1330 Teilen Isopropanol und 13,34 Gew.-Teilen einer 85%igen Lösung von Phosphorsäure bestand. Es wurde 15 Minuten weitergemischt Das entstandene Reaktionsprodukt wurde von dem Hauptteil der Flüssigkeit getrennt indem eine Schleuderung auf einen Feststoffgehalt von etwa 30% erfolgte. Die gewonnene nasse Substanz wurde in 1330Gew.-Teilen Isopropanol aufgeschlämmt, erneut geschleudert und dann luftgetrocknet

Das Calciumphosphatkollagenkomplexsalz, das auf diese Weise hergestellt wurde, war eine weiße, flockige, fasrige Substanz. Nach Bildung einer 3%igen Feststoffdispersion des Produktes in entionisiertem Wasser in einem Waring-Blender-Apparat innerhalb von 15 Minuten entstand eine viskose dispersionsartige Substanz, die zwei Stunden nach der Herstellung eine Viskosität von 12 200 Centipoise hatte, gen essen in einem Brookfield-Viscometer, Modell HAT, bei 10 UpM und 25°C Nach

so 24 Stunden hatte die Viskosität 12 620 Centipoise erreicht, und sie blieb praktisch während der weiteren

Lagerung bei 5°C konstant Der Anfangs-pH-Wert der Dispersion betrug 3J5 und stieg dann auf etwa 3J. In entsprechender Weise wurde eine andere weitere

Dispersion hergestellt, deren Anfangs-pH-Wert auf 23 durch Zusetzen verdünnter Phosphorsäure gebracht wurde Der End-pH-Wert betrug 3,1. Die Viskosität betrug 2 Stunden nach der Herstellung 14 680 Centipoise und fiel auf 13760 Centipoise am Ende von 24 Stunden ab. Eine wehere Lagerung erbrachte keine nennenswerte Änderungen in der Viskosität.

Ein TeO der jeweiligen Dispersion wurde in eine flache Schale auf eine Tiefe von etwa 12 mm gegossen und auf einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 10% hiftgetrocknet, und danach wurden die filmartigen Strukturen in einem Ofen bei 100°C auf einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 3% getrocknet
Ein Teil der Dispersion, die einen End-pH-Wert von

3,7 hatte, wurde 12 Stunden lang auf einen Wassergehalt von etwa 4% gefriergetrocknet (minus 40° bis minus 50⁰C, Vakuum 50 Mikron, Heizzyklus nicht mehr als 30° C mit Kondensation von Wasser bei 6O⁰C). Der pH-Wert eines anderen Teils der Dispersion wurde auf einen pH-Wert von etwa 4,5 erhöht, indem eine Calciumhydroxidlusung zugesetzt wurde, und dann gefriergetrocknet

Beide Produkte hatten eine poröse, schwammartige Struktur mit feinen Poren. Die miteinander verbündenen Feststoffe, die unter einem Mikroskop untersucht wurden, schienen eine fasrige flockenartige Struktur zu haben, ohne daß es einen sichtbaren Nachweis für ausgeschiedenes Calciumphosphat gab. Beide Strukturen schwellen in Wasser, bleiben aber als kohärente, nicht gelatinöse Körper bestehen und desintegrieren nicht. Je höher der pH-Wert der Dispersion vor dem Gefriertrocknen ist, desto -A-cnigcr sch~;!!t die Substanz.

Beispiel 2 _w

Durch Mischen einer Lösung von 4,78 Gew.-Teilen Trinatriumphosphat in 100 Gewichtsteilen entionisiertem Wasser mit einer Lösung von 17,6 Gew.-Teilen Calciumacetat in 100 Gew.-Teilen entionisiertem Wasser wurde eine Calciumphosphatschlämme hergestellt. Die entstandene Schlämme hatte einen pH-Wert von 11,3. Das Calciumphosphat wurde gewonnen und mit entionisiertem Wasser gewaschen, um lösliche Salze auszuscheiden.

Es wurde gemäß Beispiel 1 eine Dispersion mit jo 6 Gew.-% Calciumphosphatkollagenkomplexsalz um einen pH-Wert von 44 hergestellt. Der frisch gewonnene nasse Kuchen aus Calciumphosphat (etwa 40% Feststoffe) in einer Menge, die etwa dem 2,5fachen der Menge an Kollagenkomplexsalz gleichkam, wurde der Dispersion in einem Sigma-Mixer zugesetzt. Der pH-Wert des nassen Kuchens betrug etwa 10,5. Der pH-Wert des Gemisches wurde langsam auf etwa 4,5—5,0 gebracht, indem Phosphorsäure zugesetzt wurde. Es wurde etwa zwei Stunden weitergemischt, und die Temperatur wurde unter 25°C gehalten, während der pH-Wert eingestellt wurde (während der ersten halben Stunde), und danach ließ man die Temperatur auf etwa 80° C bis zum Ende des Mischens ansteiger·,. Das Endgemisch haue die Form einer nassen formbaren Masse.

Ein Teil der Masse wurde in einen rechteckigen Körper geformt, den man bei Raumtemperatur mit Zwangsluftumwälzung lufttrocknen ließ. Das luftgetrocknete Material, das etwa 15% Feuchtigkeit enthielt, so wurde dann bei 105" C etwa 12 Stunden lang im Ofen getrocknet

Das Produkt war hart, dicht und knochenartig. Ein ähnlich hartes, knochenartiges Produkt, das jedoch eine geringere Dichtigkeit hatte, entstand dadurch, daß ein entsprechend rechteckig geformter Körper gefriergetrocknet wurde, wie das im Beispiel 1 beschrieben worden ist

Die Produkte sowohl des Beispiels 1 als auch des Beispiels 2 haben eine ausreichend hohe strukturelle Stabilität um ein Kochen in Wasser zu fiberstehen, ohne zu desintegrieren. Proben der Produkte gemäß Beispiel 1 und 2 widerstehen kochendem Wasser über einen Zeitraum von mindestens 6 Stunden hinweg, wobei ein Verlust in der Kohärenz in der Struktur auftritt

Falls andere Anionen vorgesehen sein sollen, beispielsweise die Fluorid- oder Carbonationen, werden den Lösungen während der Herstellung des Calciumphosphats geeignete Salze zugegeben, beispielsweise Natrium- oder Calciumfluorid oder Natriumcarbonat.

Jede der beschriebenen Säuren kann an die Stelle der Phosphorsäure im Beispiel 1 in der Herstellung des Kollagenkomplexsalzes treten. Beispielsweise kann Zitronensäure verwendet werden. Das im Beispiel 2 zugesetzte Salz kann auch Calciumphosphat sein. Alternativ können Gemische von Säuren verwendet werden.

Wie auch schon erwähnt worden ist können die strukturellen Eigenschaften dadurch geändert werden, daß inerte Fasern der dispersionsartigen Substanz beigefügt werden. Beispielsweise werden die Biegebzw. Verdrehfestigkeiten der Produkte gemäß Beispiel I und 2 dadurch erhöht, daß Stapelfasern aus Nylon 66 von 1 ^xli Denier oder andere Fasern beigefügt werden. In einer Urschel-Mühle gemahlene Kollagenfasern mit einem Durchmesser Vwi 35—40 Mikron und in Längen von etwa 6 mm sind ebenfalls gut geeignet

Die hier offenbarten Substanzen und insbesondere die Substanzen, die die höheren Verhältnisse von Calciumphosphatverbindungen zu Kollagen haben, sind gut für die Herstellung von dreidimensionalen selbsttragenden schlagfesten Strukturen geeignet Die dreidimensionalen Strukturen lassen sich gut maschinell bearbeiten, sägen, bohren und formen und können auf recht gute Qualität poliert werden. Die Härten, Dichten, kompakten Strukturen haben nach der maschinellen Bearbeitung und nach dem Polieren in vieler Hinsicht das gleiche Aussehen wie Elfenbein, und sie fühlen sich auch in vieler Hinsicht so an. Demgemäß kann das strukturelle Material zum Ersatz von Elfenbein in Musikinstrumenten verwendet werden, beispielsweise Pianotasten, Billardkugeln, Kostümschmuck und für Skulpturen verwendete Blöcke. Wegen des Kollagengehaltes können eine Vielzahl von Farbstoffen zugesetzt werden.

Wie bereits erwähnt, kann der anorganische Hauptbestandteil der Substanzen, d. h. die Calciumphosphatverbindungen, im Verhältnis von Calcium zur.. Phosphation von 1 :1 bis 1,6 :1 variieren, und es ist möglich, daß in manchen Fällen in der Masse ein Mischen bestimmter Calciumphosphatverbindungen erfolgt. Bei der Herstellung bestimmter Artikel, beispielsweise bei der Herstellung von Kämmen und Spachteln, kann ein wäßriges Gemisch mit einem hohen Feststoffgehalt von der dispersionsartigen Substanz und von Calciumphosphat mit zusätzlichen Fasern verwendet werden, um die Biegefestigkeit zu erhöhen. Außerdem kann ein Vernetzungsmittel vorgesehen sein, um die Feuchtigkeits- und Wasserbeständigkeit zu verbessern. Das Gemisch kann unter Verwendung von Preßformen, die die gewünschte Gestalt haben, geformt werden.

In der Hersteilung der Substanzen zur Verwendung in der Knochenchirurgie, bei der die Struktur in ein Säugetier eingesetzt wird, beispielsweise einen Hund oder eine Katze, können Bakterizide, Fungizide und Antibiotika in die Produkte aufgenommen werden, und zwar entweder während deren Herstellung oder, da vielerlei Produkte porös sind, durch Imprägnierung. Blutstillende Mittel können für bestimmte Zwecke enthalten sein, wenn entweder ein Koagulum oder ein Antikoagulum in einer bestimmten Stelle erwünscht ist Alternativ kann ein wäßriges Gemisch mit einem hohen Feststoffanteil des dispergieren Kollagensalzes und des Calciumphosphats oder eine nasse Masse eines gemahlenen Trockenproduktes in der Behandlung von Knochenschäden in der Art verwendet werden, in der

zur Zeit gemahlener feuchter Knochen verwendet wird. In dieseiii Beispiel werden das Bakterizid, das Fungizid, das Antibiotikum, das blutstillende Mittel oder sonstige Additive der feuchten Masse beigegeben. Beispiele für Mittel, die in der Masse enthalten sein können, sind bekannt Dazu gehören Chlortetracyclin, Erythomycin, Bacitracin und Heparin.

Claims

Patentansprüche:

1. Geschlossener, dreidimensionaler künstlicher Knorpel- oder Knochenersatzkörper, der in siedendem Wasser mindestens 6 Stunden lang beständig ist, auf der Basis von wasserunlöslichem ionisierbarem Kollagensalz und Calcium, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem komplexen partiellen Salz von Kollagen mit Calcium-Ionen und einem ionisierbaren Säureanion besteht, wobei das partielle Salz 0,4 bis 0,8 mMol gebundene Säure pro Gramm Kollagen enthält, sowie gegebenenfalls Calciumphosphat in einer Menge zwischen mehreren Gew.-% und 70Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des partiellen Kollagensalzes, und gegebenenfalls 1 bis 80Gew.-% Fasern, bezogen auf das Endprodukt, enthält

2. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Säureanion um ein Phosphatanion handelt

3. Verfahren zur Herstellung des geschlossenen, dreidimensionalen künstlichen Knorpel- oder Knochenersatzkörpers nach den Ansprüchen 1 bis 2, c adurch gekennzeichnet, daß man nicht-denatutiert£S Kollagen bei einer Temperatur von unter etwa 30° C mit einer Lösung von Calciumhydroxid bei einem pH-Wert zwischen 8 und 12 umsetzt, das Calcium-Kollagen-Reaktionsprodukt abtrennt, es mit 0,4 bis 0,8 mMol einer ionisierbaren Säure pro Gramm Kollagen umsetzt unter Bildung eines komplexen, partiellen Salzes von Kollagen mit dem Calciumkatior. und dem Säureanion, dem dabei erhaltenen partiellen Kollagensalz gegebenenfalls Calciumphosphat in einer Menge zwischen mehreren Gew.-% und 70 Gew.-%, bezogen auf das partielle Kollagensalz, sowie gegebenenfalls 1 bis 80 Gew.-% Fasern, bezogen auf das Gewicht des Endprodukts, zusetzt und die dabei erhaltene Mischung in die gewünschte Form bringt, den dabei erhaltenen dreidimensionalen Körper bis auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 5 bis 25% trocknet, den getrockneten Körper in einer inerten Atmosphäre auf eine Temperatur zwischen 100 und 120⁰C erhitzt und ihn 2 bis 10 Stunden lang bei dieser Temperatur hält.