DE2928007A1 - Knochen-implantatkoerper fuer prothesen und knochenverbindungsstuecke sowie verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Knochen-implantatkoerper fuer prothesen und knochenverbindungsstuecke sowie verfahren zu seiner herstellung

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DE2928007A1
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Description

Di pi.-I ng. H. M1TSCHERLICH D-8000 MDtTtHFN 2 2
Di pi.-Ing. K. GUNSCHMANN SteinsdorfstraßalO
Dr.rer.nct. W. KÖRBER ^ (0S9) *2966S4
Dipl.-I ng. J. SCHMIDT-EVERS
PATENTANWÄLTE
Dr. med. dent. Guido Riess
Marienplatz 7
8100 Garmisch-Partenkirchen
Knochen-Implantatkörper für Prothesen und Knochenverbindungsstücke sowie Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Knochen-Implantatkörper für Knochen- und Gelenk~/sowie dentale Prothesen, Knochenverbindungsstücke wie Knochenschrauben und -schienen, bestehend aus einem mechanisch stabilen und mit Knochengewebe verträglichen (biokompatiblen) Trägerwerkstoff und darin eingelagerter bioaktiver Calciumphosphatkeramik, insbesondere aus Tri- und Tetracalciumphosphat, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Implantatkörpers.
Bisher bekannte und meist verwendete Implantate bestehen aus einem in den Knochen einzusetzenden Verankerungsteil aus Metall und sind in Form einer Platte, Nadel, Schraube oder dergleichen ausgebildet und beruhen auf einer rein mechanischen Verzahnung mit dem Knochen , um eine Verankerung der Prothese am Knochen zu erreichen. Inzwischen wurde erkannt, dass mehrere werkstofftechnische Forderungen gleichzeitig erfüllt sein müssen, um eine dauernde stabile Implantierung zu erreichen. Die verwendeten Werkstoffe müssen mit dem Knochen biokompatibel sein und die Formgebung der
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Implantate und die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe müssen eine biologisch richtige Belastung und Hafteinleitung gewährleisten/ da der Knochen andernfalls durch Abbau und schließlich durch Lockerung des Implantates reagiert. Es wurde weiter erkannt, dass das Implantat in allen Bereichen mit dem Knochen, eine direkte, dauerhafte, knöcherne Verbindung aufweisen muß und nicht durch eine Bindegewebsmeinbran vom . Knochen abgekapselt werden darf.
Dazu sind in neuerer Zeit bioaktive Werkstoffe bekanntgeworden, die eine bindegewebsfreie Verwachsung des Knochens mit der Werkstoffoberfläche des Verankerungsteiles bewirken. Bei solchen Werkstoffen handelt es sich z.B. um Calciumphosphate bestimmter Zusammensetzung, bei denen eine direkte bindegewebsfreie Ver- ■'. wachsung des Knochens mit dem Werkstoff eintritt (Köster, "Experimenteller Knochenersatz durch resorbierbare Calciumphosphatkeramik", Langenbeeks. Archiv für Chirurgie 341,77-86 (1976). Diese Calciumphosphate sind im biologischen Milieu abbaubar, d.h. sie werden von den an der Knochenumbildung beteiligten Zellen absorbiert und erfüllen somit die gestellte biochemische Grundförderung, kommen aber als alleiniger Werkstoff bei einer auf Dauer implantierten Prothese mangels genügender Eigenfestigkeit und mangels dauernder Verankerung zwischen Werkstoff des Verankerungsteils und des Knochens wegen der gegebenen Resorbierbarkeit nicht in Betracht.
so . : ■
Om eine dauerhafte Verankerung von hochbelasteten Implantaten zu schaffen, bei der es zu einer wirklich daüerhaften .Verbindung zwischen der Prothese und dem Gewebe kommt, ist es bekannt geworden,(DE-OS 26 20 907) die Prothesenverankerung als Prothesenschaftbeschichtung
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aus im-Körpermilieu mechanisch und chemisch stabilen Kunststoff auszubilden und die keramischen Calciumphosphate in partikulärer Form bestimmter Partikelgröße im Durchmesser in den Kunststoff derart einzulagern, das bei der Resorption des keramischen Anteils ein durchgängig poröses Gefüge aus Kunststoff entsteht, auf dessen inneren Porenoberflächen bioaktivierende Reste der Keramik zurückbleiben.
Nach einem anderen Vorschlag für eine implantierbare Zahnwurzel (DE-OS 27 33 394) besteht diese im wesentlichen aus einer mit menschlichem Zellgewebe verträglichen, biostabilen Polymermatrix, in die resorbierbare bioreaktive Calciumphosphate in feindisperser Form eingelagert sind, die von einer dünnen porösen Schicht nicht resorbierbarer Calciumphosphate umgeben sind und in die ein Kern als Verbindungsstück zur Anbringung einer dentalen Suprastruktur eingefügt ist.
Gegen die Verwendung von Kunststoffen in Form einer Polymermatrix als Trägerkörper für die keramischen Calciumphosphate bestehen gewisse Bedenken, obwohl sie sich derzeit in der Praxis noch recht gut bewähren. Polymere Kunststoffe enthalten oft auch Monomere und andere Schadstoffe, die bei Implantaten nach entsprechender Alterung zu Austauschvorgängen mit dem Gewebe führen können. Auch erlaubt ein Kunststoffträgerkörper keine genügend feine Formgebung und mechanische Bearbeitung, um ein mit einem Kunststoff-
trägerkörper ausgestattetes Implantat für die verschiedensten Zwecke wie Knochen- und Gelenkprothesen oder auch für Knochenverbindungsstücke wie Schrauben, Schienen und dergleichen ausbilden zu können.
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] Der Erfindung"liegt die Aufgabe zugrunde/ einen Knochen-Implantatkörper und insbesondere einen Verbund werkstoff für derartige Implantatkörper zu schaffen^, bezüglich dessen dauernder Biokompä-tibilität keine
5" Bedenkon bestehen und der in allen gewünschten Formen - -. mit genügender Genauigkeit hergestellt und-mechanisch -bearbeitet werden kann« " ." -~
_ Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Knochenimplantatkörper der eingangs genannten Art vorgeschlagen, der dadurch, gekennzeichnet ist,- daß der Trägerwerkstoff .. ein biokompatibles Metall,.-wie"Titan, Tantal, Niob, oder ein ähnliches, schadlos ohne Bildung von Zwischenreaktionsprodukten mit Calciumphosphatkeramik ver- :.
" -"".bundrfähiges Sintermetall ist. Voraussetzung für die
verwendeten Metalle ist eine nachgewiesene Biokompati- - " bilität und Korrosionsarmut im Knochengewebe. Als momentan diese Ansprüche am.meisten erfülllendes Metall kommt das "Titan in.Frage. Es wurde gefunden, dass Galciumphosphatkeramiken, die feindispers bis stückig als Pulver vorliegen mit Titanpulver etwa gleicher Korngröße-durch Press- und Sinterverfahren.zu einem. . . -Verbundwerkstoff vereinigt werden können, der die _- physikalischen und chemischen Vorteile" der Summe der einzelnen Werkstoffe aufweist. Erreicht sind die ; "'; physikalischen Vorteile des Metalles, hier Titan, mit seiner .Korrosionsarmut, physikalischen Stabilität, relativ hoher Biokornpatiblität und erreicht sind die biochemischen Vorteile der-Calciumphosphatkeramik,
^ insbesondere der Tricalciumphosphate, in ihrer bio- ; aktiven Resorbierbarkeit. Zwar ist dieses Prinzip der ■Kornbinationswirkung bei den bisher verwendeten Kunststoff-Verbundwerkstoffen aus Calciumphösphatkeramiken mit Polymeren bekannt. Jedoch bestehen bezüglich der --_' ■ Polymerkunststoffe die eingangs genannten Bedenken.
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Bisher ist es nicht für möglich gehalten worden,auch Metalle mit Calciumphosphatkeramiken zu einen einheitlichen mechanisch stabilen Körper zu verbinden unter Beibehaltung der bioaktiven Eigenschaften der Calciumphosphate- Der Vorteil der Anv/endung von Metallen als Trägerwerkstoff ist die höhere und berechenbarere langfristige Stabilität im Knochengewebe. Außerdem hat sich das Titan in nahezu 20-jähriger Erprobung im Knochengewebe als das bestverträglichste Metall gezeigt. Der Korrosionsgehalt ist relativ gering und somit die biochemische Abstoßungspotenz klein.
Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Implantatkörpers ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulver des biokompatiblen Metalles mit feindispers bis stückig vorliegender Calciumphosphatkeramik vermischt und durch Sintern unter hohem Druck miteinander verbunden werden. Zweckmäßig werden Metallpulver und Calciumphosphatkeramik in etwa gleicher Korngröße in etwa gleichem Volumenverhältnis (Raumerfüllung) miteinander vermischt und gesintert. Die Sintertemperatur liegt im Bereich von über 1500° K (Grad Kelvin) bis 2300 K je nach angestrebter Sinterdichte des Calciumphosphatträgerkörpers. Je niedriger die Sintertemperatür gehalten werden kann, um so besser ist die Resorbierbarke.it der Calciumphosphatkeramik. Der gleichzeitig mit dem Sintervorgang aufgebrachte hohe Druck liegt bei TO kPa (10.000 bar). Im zusammengesinterten Implantatkörper ist im Inneren eine schlechtere Re-
^ sorbierbarkeit dafür aber eine größe Formstabilität erwünscht. Durch entsprechende Führung des Sinterverfahrens bzw. Einbringung der Komponenten ist es möglich, die Calciumphosphatkeramik im wesentlichen im Bereich der Oberfläche des Metall- oder Sintermetall-
OJ körpers anzuordnen bzw. anzureichern.
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In besonders zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung weist der Implantatkörper zumindest an seinen der Knochenfläche im Implantatraum innerhalb des Knochens zugewandten Seiten eine vollständig aus Calciumphosphat, insbesondere Tricalciumphosphat bestehende Oberflächenschicht auf. Aufgrund vorliegender experimenteller und klinischer Erfahrungen sollte die reine Calciumphosphat-Oberflächenschicht eine Stärke von 0,1 bis 0,5 mm haben. _ Erfindungsgemäß wird die Oberflächenschicht aus reinem Caleiumphosphat durch einen weiteren Druck-Sintervorgang auf den Implantatkörper aufgepreßt. Die aufgesinterte Tricalciumphosphat-Oberflächenschicht ist mit den im - Verbundwerkstoff Metall-Calciumphosphat enthaltenen Calciumphosphatpartikeln homogen verbunden - während im Verbundwerkstoff selbst mehr eine mechanische Verbindung zwischen Metall und Calciumphosphat vorliegt so daß die Tricalciuiuphosphat-Oberflächenschicht in fester Verbundbildung mit dem Trägerkörper vorliegt." Bisher konnten Keramikbeschichtungen nur in einem Aufbrennverfahren durch starke Adhäsion mittels Oxidschichten und Haftvermittlern auf Metall aufgebrächt werden. Durch den erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff liegen in einem Metallträger gebundene Calciumphosphatbereiche vor, an welchen die Oberflächenschicht aus reinem Calciumphosphat in idealer Itfeise unmittelbar -■ . und fest verankert werden kann. Für das bindegewebslose Verwachsen des Knochengewebes war eine solche reine Calciumphosphatkontaktschicht anzustreben. Bisher war es nur möglich, Calciumphosphatbeschichtungen auf
^O polymeren Verbundwerkstoffen oder auf Glaskeramik aufzubringen .
In weitex'er Ausbildung der Erfindung ist die Oberflächenschicht durch degraduiert aufgebrachte Sinterdrücke im -. Bereich ihrer äußeren Oberfläche.resorbierbar und ist
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mit zunehmender Tiefe zum Implantatkörper hin immer weniger bis nicht resorbierbar. Die Herstellung einer solchen Oberflächenschicht erfolgt erfindungsgemäß durch Aufpressen der Oberflächenschicht durch aufeinanderfolgende degraduierte Druck-Sintervorgänge, durch die Oberflächenschicht im Bereich ihrer äußeren Oberfläche durch relativ niedrige Sintertempsraturen resorbierbar bleibt und mit zunehmender Tiefe zum Implantatlager hin durch höhere Sintertemperaturen immer weniger bis nicht resorbierbar wird.
Einsatzgebiet dieses erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes ist die gesamte zahnärztliche Implantologie, d.h. sämtliche damit herstellbare Formen sowie deren Randgebiete. Dies bedeutet, dass Wurzelstifte, Transfixationsstifte und Knochenschienen damit hergestellt werden können. Außerdem läßt sich dieser Verbundwerkstoff ausdehnen in die Bereiche der gesamten orthopädischen Chirurgie bis hin zu den Knochenschrauben. Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff kann auch auf bekannte Kernstrukturen (Metallkörper für Hüftgelenkprothesen, Knochenschrauben und dergleichen) aufgesintert werden.
Vorteil des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes ist: Genormte Herstellbarkeit der Formen, grazile Ausformung der Implantatkörper, bioreaktives Verhalten der Implantatkörper-Oberfläche im Knochengewebe, relativ einfache und preiswerte Herstellung der Implantatkörper .
30
Zum mikrostrukturellen Aufbau des Werkstoffes läßt sich folgendes sagen: der physikalisch-chemische Verbund von Calciumphosphaten und den oben genannten sinterfähigen Metallen ist nachgewiesen. Es gibt eine marmorierte mikrostrukturelle und feinporöse Werkstoffstruktur, die den angeforderten mechanischen Belastungen stand-
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hält. Die aufgetragene Claciumphosphätschicht als Oberflächenschicht wird besonders an den Calciumphosphätteilen haften, ist aber ebenso auf die sinterfähigen Metalle aufzupressen und geht mit diesen eine stabile Verbindung ein. :
In den beigefügten Zeichnungen sind beispielsweise Knochen-Implantatkörper aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff dargestellt. .„
Es zeigen
Fig. 1 schematisch im" Schnitt ein dentales-Implantat;
-
Fig. 2 schematisch im Schnitt eine .Knochen-" " .- schraube; - . . -.--'._■"._"■
_- Fig.; 3 schematisch" teilweise im Schnitt eine - HuftgelenkprotheseT
Fig. 4 schematisch stark vergrößert und im Ausschnitt den Randbereich eines Implantatkörpers.
:
Der dentale Implantatkörper nach Fig. 1 besteht aus Metiill-Calciumphosphatkeramik-Sinterverbundwerkstoff 1 , wobei die Metallbereiche weiß und die durch Sintern eingelagerten Calciuinphosphatbereiche dunkel schraffiert dargestellt sind und mit 2 bezeichnet sind. Der Einfachheit halber sind die Oalciumphosphateinschlüsse 2 nur über einen Teilbereich eingezeichnet, obwohl sie sich über den ganzen Verbundwerkstoff 1 erstrecken. Der Implantatkörper ist mit einer Oberflächenschicht 3 35
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aus reiner Calciumphosphatkeramik versehen, deren Dicke in der Zeichnung stark übertrieben dargestellt ist. Entsprechend sind auch die Calciumphosphateinschlüsse 2 übertrieben groß dargestellt, was nicht dem mikroskopischen Bild entspricht. In seinem oberen Bereich weist der Implantatkörper eine Gewindeöffnung 4 zur Aufnahme und Befestigung einer dentalen SupraStruktur wie Zahn, Brücke oder dergleichen auf.
Die in Fig. 2 gezeigte Knochenschraube besteht aus dem gleichen Verbundwerkstoff 1 mit eingelagerten Calciumphosphatbereichen 2 und einer Oberflächenschicht 3. Darstellungsart und Darstellungsgröße entsprechen Fig.1.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Hüftgelenkprothese aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff 1 mit Calciuraphosphateinschlüssen 2 und einer Oberflächenschicht 3 aus reinem Calciumphosphat. Die Darstellungsweise entspricht derjenigen in Fig. 1.
In Fig. 4 ist im stark vergrößertem Maßstab dargestellt, wie die Oberflächenschicht 3 aus reinem Calciumphosphat mit dem Verbundwerkstoff 1 durch an der Oberfläche 5 des Werkstoffes 1 freiliegenden Calciumphosphatein-Schlüsse 2 homogen verankert ist. Zur Verdeutlichung der Größenordnung wird darauf verwiesen, daß die Oberflächenschicht 3 ca. 0,1 bis 0,5 mm dick ist.
Der Patentanwalt
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-43 -
L e e r s- e i t e

Claims (9)

Dr. med. dent. Guido Riess Marienplatz 7 8100 Gärmisch-Partenkirchen ANSPRÜCHE
1. jKnochenimplantatkörper für Knochen- und Gelenk-,sowie dentale Prothesen, Knochenverbindungsstücke wie Knochenschrauben und -schienen, bestehend aus einem mechanisch stabilen und mit Knochengewebe verträglichen (biokompatiblen) Trägerwerkstoff und darin eingelagerter bioaktiver Calciumphosphatkeramik insbesondere aus Tri- und Tetracalciumphosphat, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerwerkstoff ein biokompatibles Metall, wie Titan, Tantal, Niob oder ein ähnliches schadlos ohne Bildung von Zwischenreaktionsprodukten mit Calcimnphosphatkeramik verbundfähiges Sintermetall ist.
2. Irnplan tatkör per nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Calciumphosphatkeramik im wesentlichen im Bereich der Oberfläche des Metall- oder Sintermetallkörpers angeordnet bzw. angereichert ist.
3. Implantatkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er zumindest an seinen der Knochenfläche im Implantatraum innerhalb des Knochens.zugewandten Seiten eine vollständig aus Calciumphosphat, insbesondere
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Tricalciumphosphat bestehende Oberflächenschicht aufweist.
4. Implantatkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht 0,1 bis 0,5 mm stark ist.
5. Implantatkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht durch degraduiert aufgebrachte Sinterdrücke im Bereich ihrer äußeren Oberfläche resorbierbar ist und mit zunehmander Tiefe zum Implantatkörper hin immer weniger bis nicht resorbierbar ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Implantatkörpers nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulver des biokompatiblen Metalles mit feindispers bis stückig vorliegender Calciumphosphatkeramik vermischt und durch Sintern unter hohem Druck miteinander verbunden werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Metallpulver und Calciumphosphatkeramik in etwa gleicher Korngröße und etwa gleichem Volumenverhältnis (Raumerfüllung) miteinander vermischt und gesintert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht aus reinem CalciuTrphosphat durch einen weiteren Druck-Sintervorgang auf den Implantatkörper aufgepreßt wird.
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9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht aus reinem Calciumphosphat durch aufeinanderfolgende degraduierte Druck-Sintervorgänge aufgepreßt wird und im Bereich ihrer äußeren Oberfläche durch relativ niedrige Sintertemperaturen resorbierbar bleibt und mit zunehmender Tiefe "zum Implan iratkörper hin durch höhere Sintertemperaturen immer weniger bis nicht resorbierbar aufgepreßt wird. "- " ■ "
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ORIGINAL INSPECTID
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