DE2518153A1 - Zur verankerung von implantaten im knochen dienende mischung - Google Patents
Zur verankerung von implantaten im knochen dienende mischungInfo
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Description
P. 4901
Gebrüder Sulzer, Aktiengesellschaft, Winterthur/Schweiz
Zur Verankerung von Implantaten im Knochen
dienende Mischung
dienende Mischung
Die Erfindung betrifft eine zur Verankerung von Implantaten und Gelenkendoprothesen im Knochen dienende Mischung, die als teigartige,
wasserunlösliche Masse mindestens ein pulverförmiges
Polyner als Füllstoff, ein polymerisierendes, flüssiges Monomer und gegebenenfalls weitere pulverförmige und/oder flüssige Zusätze an Polymerisationskatalysatoren und/oder -beschleunigern, Röntgenkontrastmitteln und Stabilisatoren enthält.
Polyner als Füllstoff, ein polymerisierendes, flüssiges Monomer und gegebenenfalls weitere pulverförmige und/oder flüssige Zusätze an Polymerisationskatalysatoren und/oder -beschleunigern, Röntgenkontrastmitteln und Stabilisatoren enthält.
Für die Verankerung von Implantaten oder Gelenkendoprothesen im Knochen sind bisher zwei verschiedene Wege beschritten worden.
Auf der einen Seite werden Prothesen mit Hilfe von sogenannten
Knoehenzemeriten - das sind im wesentlichen aus Kunststoffen bestehende, eine im Knochen aushärtende Komponente enthaltende
Mischungen - in den Knochen einzementiert, während auf der
anderen Seite die im Knochen zu verankernden Teile der Prothese mit einer porösen Oberfläche versehen werden, in deren Poren
Knochengewebe -im Laufe der Zeit hineinwächst. Beide Arten der
Prothesenverankerung haben gewisse Nachteile.
Auf der einen Seite werden Prothesen mit Hilfe von sogenannten
Knoehenzemeriten - das sind im wesentlichen aus Kunststoffen bestehende, eine im Knochen aushärtende Komponente enthaltende
Mischungen - in den Knochen einzementiert, während auf der
anderen Seite die im Knochen zu verankernden Teile der Prothese mit einer porösen Oberfläche versehen werden, in deren Poren
Knochengewebe -im Laufe der Zeit hineinwächst. Beide Arten der
Prothesenverankerung haben gewisse Nachteile.
So tritt bei der Aushärtung der Knochenzemente eine beträchtliche Temperaturerhöhung auf, die die unmittelbar an den Zement anliegen-
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ORIGINAL INSPECTEO
den Gewebeschichten schädigen und zu Nekrosen führen. Das Einwachsen
von Knochengewebe in eine poröse Prothesenoberfläche erfordert andererseits eine zumindest wochenlange Fixierung und
Ruhigstellung der Prothese relativ zum sie umgebenden Gewebe. Eine derartige Ruhigstellung ist in der Praxis nur sehr schwer
zu verwirklichen und kann wegen der erzwungenen Ruhe schwerwiegende Folgen für das Allgemeinbefinden des davon betroffenen
Patienten haben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Mittel für die Verankerung von Implantaten im Knochen zu verbessern und
die aufgezeigten Nachteile der bisherigen Verankerungsweisen zu verbessern. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Knochenzementmischung
der eingangs erwähnten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie aus einer Dispersion der wasserunlöslichen
Masse mit mit einem biologisch verträglichen, hochviskosen Gel besteht, das in Wasser bezw. Körperflüssigkeit löslich ist. Unter
"hochviskos" werden in der vorliegenden Anmeldung Viskositäten verstanden, die 300'000 Centipoise und mehr betragen. Derartig
hohe Viskositäten sind erforderlich, um eine Entmischung der wasserlöslichen und der wasserunlöslichen Dispersionskomponente
zu verhindern.
Die Beimischung eines wässrigen Gels zu einem Knochenzement bisher
üblicher Zusammensetzung bewirkt eine beträchtliche und für die Verhütung der -geschilderten Nekrosen entscheidende Erniedrigung
der beim Aushärten auftretenden Maximaltemperatur; zum anderen löst sich von der erfindungsgemässen Mischung nach der Operation
die wässrige Gelkomponente in den körpereigenen Flüssigkeiten auf. Dadurch entsteht in dem Knochenzementbett, das das
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Implantat umgibt, ein Netz von offenen, miteinander kommunizierende
Poren, in die - da die nekrotische Schädigung des umgebende'n Gewebas
wegen der niedrigen, höchstens erreichten Reaktionstemperatur bei der Polymerisationsreaktion fehlt - verhältnismässig sehr rasch
Knochengewebe einsprosst. Damit wird aber die durch einwachsendes Gewebe besonders intensive Verankerung des Zementbettes im Knochen
erreicht, ohne dass eine längere Ruhigstellung des Implantates erforderlich ist; durch das Einzementieren des Implantats wird
jedoch auch von Anfang an eine feste, primäre Verankerung erzielt.
Vorteilhafterweise kann das Gel mindestens aus einem der Stoffe
Polyvinylalkohol, Polyvinylmethyläther, Polyvinylpyrrolidon,
einem polyacrylsauren Salz oder einem wasserlöslichen Celluloseäther, insbesondere aus Carboxymethylcellulose (CMC), bestehen,
welcher Stoff in einer Menge von 3-60 Gew.% einer wässrigen
Flüssigkeit gelöst ist.
Der Grad der Porosität nach dem Lösen des Gels lässt sich durch
Aeriderung des relativen Gelanteils in der Mischung variieren. Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, wenn das Gel einen
derartigen. Mengenanteil ander Mischung hat, dass in der Dispersion
ein Netz zusammenhängender Gel-Fäden vorhanden ist; dieser Zweck lässt sich vorteilhafterweise mit Mischungen erreichen, die
3 - 50 % ihres Gewichts an Gel enthalten.
Die mechanischen Festigkeiten eines ausgehärteten, gewollt porösen
Knochenzementbettes nach der Erfindung sind gegenüber denjenigen eines massiven Zementkörpers bisheriger Art, der infolge von
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Gas- und Flüssigkeitseinschlüssen auch eine gewisse, unvermeidbare
Porosität hat, erniedrigt; daher ist es besonders vorteilhaft, in der erfindungsgemässen Mischung als "wasserunlösliche Masse
einen bereits bekannten Knochenzement zu verwenden, bei dessen Aushärtung diese unvermeidbare, eigene Porosität möglichst gering
ist. Es hat sich somit als zweckmässig erwiesen, wenn die wasserunlösliche Masse mindestens aus pulverförmigem Polymethylmethacrylat
und aus flüssigem, monomeren Methylmethacrylat besteht, wobei bis zu 5 Gew. % der flüssigen Komponente ein tertiäres Am ir.
und 10-45 Gew. % mindestens ein einwertiger, men ο funk ti. :::ollf r
Methacrylsäureester aus der Gruppe mit gesättigten, aliphate^?her;
Alkoholkomponenten mit 2 - 6 C-Atomen im Alkoholrest sind.
Weiterhin ist es möglich, dem Gel weitere Stoffe - beispielsweise die Knochenbildung fördernde Substanzen, wie Kalziumphosphat,
und/oder Pufferlösungen zur Einhaltung eines bestimmten pH-Wertes des Gels und/oder Antibiotika sowie andere Pharmancui ika. bei ?ρΐ e": r··
weise zur Verbesserung der Antisepsis nach der Operation, :\\:mmischen.
Da diese weiteren Stoffe wegen der zusammenhängenden
Gel-Fäden in der Mischung praktisch aus dem gesamten Volumen des Zementbettes herausgelöst und wirksam werden können, sind für eine
vergleichbare Wirkung wesentlich geringere Mengen erforderlich als bisher, wo derartige Stoffe beispielsweise Bestandteil der
Pulverkomponenten sind und nur ein an der Oberfläche liegender Anteil wirksam werden kann.
Die Herstellung und Homogenisierung der Mischung kann u.U. wegen der hohen Viskositäten der Zementmasse und des Gels Schwierigkeiten
bereiten. Für eine gute Gleichverteilung der einzelnen Komponenten
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BAD ORIGINAL
in der Dispersion hat sich daher folgende Reihenfolge beim Zusammenfügen der Komponenten als zweckmässig erwiesen:
a) Mischen des Pulveranteils der wasserunlöslichen Masse mit dem oder den pulverförmig vorhandenen, gelbildenden
Stoffen,
b) Zugabe und Einmischen der flüssigen Komponente der wasserunlöslichen Masse, und
c) Zugabe und Einmischen der für die Gelbildung notwendigen Flüssigkeit.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
Bei beiden Beispielen dient als wasserunlösliche Masse ein bekannter
handelsüblicher Knochenzement, der auch aus einer Pulverkomponente, enthaltend in Gew.-Teilen 90 Polymethylmethacrylat (PMA) als
Füllstoff, 10 Zirkonoxid als Röntgenkontrastmittel und 2 Benzoylperoxid
als Polymerisationskatalysator, sowie aus einer flüssigen Komponente, enthaltend als aushärtendes Monomer 8 5 Teile Methylmethacrylat
(MA) und 15 Teile n-Butylmethacrylat und als Polymerisationsbeschleuniger
2 Teile N-Dimethyl-p-toluidin.
Zur Herstellung des Gels dient bei beiden Beispielen im Handel
erhältliche Carboxymethylcellulose (CMC) bestimmter Spezifikation,
die sich charakterisieren lässt durch nachstehende Angaben:
Substitutionsgrad bei der Karboxylierung der Alkoholreste 1,18;
pH-Wert einer 0,5 $igen, wässrigen Lösung 6,8;
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Viskosität, gemessen mit dem Kapillar-Viskosimeter, einer 1 $-igen wässrigen Lösung bei Umgebungstemperatur
390 Centipoise.
Die verwendeten CMC-Gels haben einen CMC-Anteil von 5-30 Teilen,
gelöst in 95 - 70 Teilen Wasser. Ihre Viskosität, die - wenn überhaupt messbar - mit einem Brookfield-Viskosimeter Typ LVT mit
Spindel 4 bei 3 Umdrehungen/min bestimmt worden ist, beträgt bei Umgebungstemperatur mehrere 1001OOO Centipoise.
Zur Untersuchung der Eigenschaften, wie z.B. Porositätsgrad,
Druckfestigkeit, Ausbildung von untereinander verbundenen Gel-Fäden in der Mischung - was beispielsweise durch Messungen
der elektrischen Leitfähigkeit ermittelt worden ist - und ähnliches, werden zunächst 20 Teile des Pulveranteils der wasserunlöslichen
Masse mit 6 Teilen CMC-Pulver von Hand gemischt, bis eine möglichst gute Durchrnischung der beiden Pulver erreicht ist. Nun erfolgt
die Zugabe und das Einmischen, ebenfalls von Hand, der flüssigen Komponente der Zementmasse. Als letztes werden 14 Teile des zur
Gelbildung erforderlichen Wassers zugegeben und eingemischt.
In der Mischung erfolgen nun gleichzeitig die Aushärtung des Zements und die Gelbildung aus CMC und Wasser. Die beschriebene
Mischung, die einen Knochenzement mit einem Gel-Anteil von 40 % darstellt, wobei das Gel 30 % CMC enthält, dient zur Durchführung
der angedeuteten Untersuchungen, wobei vor den Versuchen mit oder an dem porösen Zementskelett das Gel mit Wasser ausgewaschen
worden ist.
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Das geschilderte Vorgehen bei der Herstellung der Mischung hat den Vorteil, dass nicht zwei hochviskose pasten- und
gelartige Komponenten gemischt werden müssen, sondern dass eine relativ einfache Mischung zweier Pulver erfolgt und die
Gelbildung in dem gemischten Pulver selbst stattfindet.
Selbstverständlich ist es möglich, durch andere Verhältnisse der beschriebenen Komponenten den CMC-Anteil im Gel und/oder
den:Gel-Anteil in der Mischung zu variieren.
Die bei den Versuchen erhaltenen Aushärte temperature:! sind, wie
bereits erwähnt, stark erniedrigt, während die Aushärtezeiten, die bekanntlich definiert shd als die Zeitspanne vom Zusammenmischen
der flüssigen und der pulverförmigen Komponente des Knochenzements bis zum Erreichen des Temperaturmaximums, gegenüber
denjenigen des nicht mit dem Gel vermischten Zements der beschriebenen Zusammensetzung praktisch unverändert bleiben. Der
Porositätsgrad der Mischung ändert sich selbstverständlich mit dem Gel-Anteil, wobei mit steigendem Gel-Anteil die Porosität,
die bei den Untersuchungen um einen etwa konstanten Anteil von 7 - 10 % höher liegt als der prozentuale Gel-Anteil in der
Mischung, zu- bezw. die mechanische Festigkeit abnimmt. Der Porendurchmesser liegt in einem Bereich von etwa 50 - 15Or11n.,
der für biologische Zwecke gut geeignet ist. Durch Aenderung der Korngrösse und/oder der Form der einzelnen Partikel der pulverförmigen
CMC ist es u.U. möglich, die Porendurchmesser im Knochenzementgerüst zu variieren.
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Beim zweiten Beispiel, das zur Durchführung in vivo-Tests dient, werden 10 Teile Pulver des gleichen Knochenzements zunächst mit
4 Teilen seiner flüssigen Komponente in üblicher Weise von Hand gemischt. Die nach dem Aushärten entstehende teigartige Masse wird
anschliessend mit 8 Teilen eines CMC-Gels, wiederum von Hand, möglichst innig gemischt, wobei dann diese Mischung zur Durchführung
der Versuche in die Knochen der Versuchstiere eingebracht wird.
Das hier -verwendete Gel besteht aus 95 Teilen Wasser und 5 Teilen
CMC der erwähnten Spezifikation. Seine Viskosität beträgt mehr als 3001OOO Centipoise.
Die durchgeführten Versuche in vivo zeigen zum einen das Fehlen jeglicher nekrotischer Schädigungen des Knochengei^ebes; weiterhin
bestätigen sie, dass das Gel von Körperflüssigkeit aus dem Zementskelett herausgelöst wird, in dessen untereinander verbundene
offene Poren dann - im Laufe von einigen Wochen vaskularisiertes
Knochengewebe einsprosst.
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Claims (11)
1. Zur Verankerung von Implantaten und Gelenkendoprothesen im Knochen dienende Mischung, die als teigartige, wasserunlösliche
Masse mindestens ein pulverförmiges Polymer als Füllstoff, ein polymerisierendeSjflüssiges Monomer und gegebenenfalls weitere
pulverförmige und/oder flüssige Zusätze an Polymerisationskatalysatoren und/oder -beschleunigen!, Röntgenkontrastmitteln
und Stabilisatoren enthält, dadurch gekennzeichnet, dass di« Mischung aus einer Dispersion der wasserunlöslichen Masse mit
einem biologisch verträglichen, hochviskosen Gel besteht, das in Wasser bezw. körperflüssigkeit löslich ist.
2. Mischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel einen derartigen Mengenanteil an der Mischung hat, dass in der
Dispersion ein Netz zusammenhängender Gel-Fäden vorhanden ist.
3. Mischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
wasserunlösliche Masse mindestens aus pulverförmiger!! Polymethylmethacrylat
(PMMA) und aus flüssigem, monomeren Methylmethacrylat (MMA) besteht, wobei bis zu 5 Gew. % der flüssigen Komponente
ein tertiäres Amin und 10 - 45 Gew. % mindestens ein einwertiger,
monofunkticneller Methacrylsäureester aus der Gruppe mit gesättigten, aliphatischen Alkoholkomponenten mit 2-6 C-Atomen
im Alkoholrest sind.
6098 hA/069 2
- ίο -
4. Mischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Gel mindestens aus einem der Stoffe Polyvinylalkohol (PVAL), Polyvinylmethylather, Polyvinylpyrrolidon, einem polyacrylsauren
Salz oder einem wasserlöslichen Celluloseäther besteht, welcher Stoff in einer Menge von 3-60 Gew. % in einer wässrigen
Flüssigkeit gelöst ist.
5. Mischung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel aus Carboxymethylcellulose (CMC) besteht.
6. Mischung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie 3 - 50 % ihres Gewichts an Gel enthält.
7. Mischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gel weitere Stoffe zugernischt sind.
8. Mischung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Stoffe-die Knochenbildung fördernde Substanzen, beispielsweise
Kalziumphosphat enthaltende Stoffe, sind.
9. Mischung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die weiteren Stoffe Pufferlösungen zur Einhaltung eines bestimmten pH-Wertes des Gels sind.
10. Mischung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Stoffe Antibiotika oder andere Pharmazeutika sind.
60984A/0692
- li -
11. Verfahren zur Herstellung einer Mischung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Reihenfolge beim Zusammenfügen
der Komponenten:
a) Mischen des Pulveranteils der wasserunlöslichen Masse mit dem oder den pulverförmig vorhandenen gelbildenden
Stoffen,
b) Zugabe und Einmischen der flüssigen Komponente der wasserunlöslichen Masse, und
c) Zugabe und Einmischen der für die Gelbildung notwendigen
Flüssigkeit.
609844/0692
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