DE3616365A1

DE3616365A1 - Fuellmaterial zum fuellen von defekten und hohlraeumen in knochen

Info

Publication number: DE3616365A1
Application number: DE19863616365
Authority: DE
Inventors: Hisashi Iwata; Morio Kawamura; Takayuki Nagoya Aichi Miura; Mikiya Hanno Saitama Ono; Hiroyasu Saitama Takeuchi
Original assignee: Mitsubishi Mining and Cement Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Mining and Cement Co Ltd
Priority date: 1985-05-15
Filing date: 1986-05-15
Publication date: 1986-11-20
Also published as: GB2176192B; GB8611603D0; DE3616365C2; JPH0533062B2; JPS61259675A; GB2176192A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Füllmaterial, welches sich zur Wiederherstellung oder Heilung von Knochengewebe eignet, welches durch operative Entfernung eines Tumors oder durch äußere Verletzungen verlorengegangen ist.

ι Als Ersatzmaterial für harte Gewebe im lebenden Körper

<-L' wurden normalerweise verschiedene Metallegierungen und organische Materialien eingesetzt. Diese Materialien sind jedoch darin nachteilig,daß einige von ihnen unter den Umgebungsbedingungen im lebenden Körper gelöst oder anderweitig abgebaut werden oder daß andere dieser Materialien schädlich für den lebenden Körper sind oder Fremdkörperreaktionen verursachen. In den letzten Jahren wurden keramische Materialien entwickelt und zu diesem Zweck angewendet, weil sie ausgezeichnete Verträglichkeit mit lebenden Geweben haben und von den vorstehend erwähnten Nachteilen frei sind. Unter diesen keramischen Materialien wurden künstliche Knochen und Zähne aus Aluminiumoxid, Kohlenstoff, Tricalciumphosphat oder Sinterkörper bzw. einkristalline Körper aus Hydroxylapatit entwickelt und haben wegen ihrer ausgezeichneten Verträglichkeit mit dem lebenden Gewebe allgemeine Aufmerksamkeit erregt.

Diese bekannten künstlichen Knochen und Zähne sind jedoch wesentlich härter als das umgebende Knochengewebe, so daß sie das den implantierten künstlichen Knochen oder Zahn umgebende benachbarte lebende Gewebe stimulieren. Dies führt zur Resorption des Knochens, wodurch ein Lockerwerden des implantierten künstlichen Körpers oder Zahnes verursacht wird. Wegen dieses Problems hat man keramische Materialien noch nicht allgemein für praktische Anwendungszwecke eingesetzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Füllmaterial zum Füllen von Defekten und Hohlräumen in Knochen zur Verfügung zu stellen, welches rasch die Bildung von neuem Knochengewebe fördert und eine einheitliehe Struktur mit dem umgebenden Knochengewebe ausbildet.

Erfindungsgemäß soll ein Füllmaterial zum Füllen von Defekten und Hohlräumen in Knochen geschaffen werden, welches ausgezeichnete Verträglichkeit mit lebenden Geweben besitzt und keine Fremdkörperreaktionen verursacht.

Die vorstehenden und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung sind aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich.

Gegenstand der Erfindung ist ein Füllmaterial zum Füllen von Defekten und Hohlräumen in Knochen, das eine Calciumphosphatverbindung mit Apatit-Kristallstruktur enthält. Dieses Füllmaterial ist dadurch gekennzeichnet, daß es eine Calciumphosphatverbindung der allgemeinenFormel

Ca (POJ OH (1,5C£m/ni-] ,70) m 4 η

und ein für Knochen morphogenetisch wirksames Protein enthält.

Die Erfindung wird nachstehend ausführlicher beschrieben.

Im Hinblick auf die Tatsache, daß neuer Knochen in der Nachbarschaft einer Calciumphosphatverbindung gebildet wird, die in einen Defekt oder Hohlraum eines Knochens implantiert worden ist, wurde zuerst angestrebt, die Eigenschaften von Calciumphosphatverbindungen zum Fördern der Knochenbildung auszunutzen. Die Calciumphosphatverbindung, die für die Zwecke der Erfindung geeignet ist, ist eine Calciumphosphatverbindung mit der Kristallstruktur des Apatits, die durch die folgende allgemeine Formel

Ca_m(PO₄J_nOH (1,5o4n/n=1,7O) dargestellt wird. Die Calciumphosphatverbindung, die durch die vorstehende Grundformel

Ca (PO.) OH dargestellt wird, hat aufgrund der inhärenten m 4 η

Struktureigenschaften ihrer Apatit-Kristallstruktur die Tendenz, leicht verschiedene Ionen an ihren Ca-, PO.- oder OH-Zentren einzuführen. Gemäß der Erfindung können diese Calciumphosphatverbindungen, die verschiedene Ionen enthalten, angewendet werden, soweit sie Verträglichkeit mit lebendem Gewebe haben und soweit ihre Zusammensetzung in dem Bereich liegt, der durch den Zusammenhang 1,50=m/n=1,70 festgelegt ist (m/n ist das Molverhältnis von Ca zu PO.). Wenn das Verhältnis m/n außerhalb des definierten Bereiches liegt, wird die Verträglichkeit mit dem lebenden Körper vermindert und die fördernde Wirkung auf die Bildung von neuem Knochen wird ebenfalls vermindert. Außerdem wird die Adsorption des für Knochen morphogenetischen Proteins an der Calciumphosphatverbindung so stark vermindert, daß der synergistische Effekt des erfindungsgemäßen zusammengesetzten Füllmaterials verschlechtert wird, wenn das Verhältnis m/n außerhalb des definierten Bereiches liegt.

Die in dem erfindungsgemäßen zusammengesetzten Füllmaterial vorliegende Calciumphosphatverbindung mit Apatit-Kristallstruktur kann künstlich synthetisiert werden, beispielsweise mit Hilfe des Naßverfahrens, des Trockenverfahrens oder des hydrothermalen Verfahrens, oder kann ein Material natürlichen Ursprungs sein, wie aus menschlichen oder tierischen Knochen. Unabhängig davon, ob die Calciumphosphatverbindung ein künstlich synthetisiertes Material oder ein Material mit natürlichem Ursprung ist, ist es wünschenswert, daß sie bei einer Temperatur von nicht weniger als 400⁰C, vorzugsweise nicht weniger als 600⁰C, gebrannt wird, damit sie das für Knochen morphogenetische Protein adsorbiert und somit das erfindungsgemäße Füllmaterial hergestellt werden kann.

Wenn die Brenntemperatur unter 400⁰C liegt, wird die Menge des durch das gebrannte Calciumphosphat adsorbierten für

Knochen morphogenetischen Proteins zu klein, um zu bewirken, daß rasch neuer Knochen gebildet wird. Die obere Grenze für die Brenntemperatur unterliegt keiner speziellen Beschränkung, sollte jedoch unterhalb der Zersetzungstemperatur für die Calciumphosphatverbindung mit Apatit-Kristallstruktur liegen.

Die erfindungsgemäß eingesetzte Calciumphosphatverbindung kann in Form von Pulver, Granulat oder in Form eines porösen Körpers eingesetzt werden, solange gewährleistet ist, daß sie das für Knochen morphogenetische Protein adsorbiert, um so das erfindungsgemäße zusammengesetzte Füllmaterial zu erhalten. Ein poröser Körper wird besonders bevorzugt, da das für Knochen morphogenetische Protein in der Weise in den Poren festgehalten.wird, daß dieses für Knochen morphogenetische Protein in situ im Inneren der Calciumphosphatverbindung ohne dispergiert zu sein während langer Zeit vorliegt, nachdem das Füllmaterial in einen Defekt oder Hohlraum in einem Knochen implantiert worden ist. Es ist außerdem zu bevorzugen, daß der poröse Körper einen durchschnittlichen Porendurchmesser von nicht mehr als 320 μΐη, insbesondere nicht mehr als 200 μΐη hat, damit die rasche Bildung von neuem Knochen gewährleistet ist. Der poröse Körper aus der Calciumphosphatverbindung kann hergestellt werden, indem ein poröser Träger aus organischem Material mit einer Aufschlämmung der Calciumphosphatverbindung getränkt wird und das erhaltene Produkt gebrannt wird, um den aus dem organischen Material bestehenden porösen Träger zu verbrennen.

Eine Calciumphosphatverbindung mit Apatit-Kristallstruktur, die ein zeta-Potential von nicht mehr als - (minus) 0,1 mV aufweist, wird besonders bevorzugt, weil eine solche Verbindung verbesserte Adsorptionsfähigkeit für das für Knochen morphogenetische Protein besitzt und somit eine verbesserte Wirkung zur Förderung der Bildung von neuem Knochen zeigt.

Das zeta-Potential wird mit Hilfe der Strömungsmethode zur Potentialbestimmung gemessen. Im einzelnen wird die zu messende Probe fein pulverisiert und in eine Testzelle so eingefüllt, daß ein Diaphragma gebildet wird, durch welches eine Flüssigkeit (destilliertes Wasser) unter Anwendung eines Inertgases, wie Stickstoff, als Druckquelle zwangsweise gedrückt wird, wobei die Potentialdifferenz zwischen den Endflächen der in Form eines Diaphragmas ausgebildeten Probe gemessen wird. Das zeta-Potential wird errechnet, indem die Werte für den angewendeten Druck und die gemessene Potentialdifferenz in die nachstehende Helmholtz-Smoluchowski-Gleichung eingesetzt werden:

zeta-Potential =
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Darin bedeuten η den Koeffizienten der Viskosität in Poise (dPa.s) der Flüssigkeit, λ die spezifische Leitfähigkeit (q~ .cm ) der Flüssigkeit,ε die Dielektrizitätskonstan (-) der Flüssigkeit in Luft, E die gemessene Potentialdifferenz (mV) und P den angewendeten Gasdruck in cm H₂O (98,1 . Pa).

Das wesentliche Merkmal der Erfindung besteht in der Ausnutzung des synergistischen Effekts der Calciumphosphatverbindung mit dem für Knochen morphogenetisch wirksamen Protein, das auf die Calciumphosphatverbindung aufgetragen ist, um eine bemerkenswert raschere Bildung von Knochen zu verursachen,als im Fall eines Füllmaterials, welches lediglieh aus der Calciumphosphatverbindung besteht. Das für die Zwecke der Erfindung eingesetzte für Knochen morphogenetisch wirksame Protein kann beispielsweise mit Hilfe des Verfahrens nach Urist et al. hergestellt werden. Das Verfahren nach ürist umfaßt Verfahrensstufen des Entfernens von weichem Gewebe, wie von muskulärem Periost, aus menschlichen Knochen oder Rinder-, Schweine- oder Kaninchenknochen, Zerkleinern des Knochens in kleine Teilchen, Entfernen des Knochenmarkes aus den zerkleinerten Knochenteilchen, die dann mit Hilfe

eines Gemisches aus Chloroform und Methanol (1:1) entfettet und mit einer 0,6n HCl-Lösung entkalkt werden, erneutes Entfetten mit dem Gemisch aus Chloroform und Methanol (1:1), Zugabe einer 8-molaren LiCl-Lösung zu den entfetteten und entkalkten Knochen, Waschen mit Wasser, Erhitzen und anschließende Gefriertrocknung.

Die so erhaltenen gefriergetrockneten Knochenteilchen werden in eine 4-molare Guanidin- Hydrochloridlösung (mit einem Gehalt an 10 mMol N-Ethylmaleinimid und 1 mMol Phenylmethylsulfonylfluorid) gegeben und die lösliche Fraktion wird filtriert und danach der Zentrifugalabscheidung unterworfen, wobei eine überstehende Fraktion erhalten wird, die gegen das siebenfache Volumen an entionisiertem Wasser dialysiert wird. Die während der Dialyse gebildete wasserunlösliche Fraktion wird durch Zentrifugalabscheidung gewonnen, mit Wasser gewaschen und gefriergetrocknet, wobei das für Knochen morphogenetische Protein erhalten wird. Das so zubereitete für Knochen morphogenetische Protein kann durch Gelfiltration gereinigt werden und es wird bevorzugt, das so gereinigte Produkt einzusetzen, Es ist natürlich wünschenswert, daß für ein Füllmaterial zur Implantation in den menschlichen Körper ein knochen-morphogenetisches Protein eingesetzt wird, welches aus menschlichem Knochen gewonnen worden ist, und daß zur Implantation in ein Tier ein knochen-morphogenetisches Protein verwendet wird, welches aus Knochen des betreffenden Tieres gewonnen wurde.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen zusammengesetzten Füllmaterials, in welchem ein für Knochen morphogenetisches Protein auf eine Calciumphosphatverbindung mit Apatit-Kristallstruktur als Träger aufgetragen ist, kann das wie vorstehend zubereitete knochen-morphogenetische Protein erneut in einer 4-molaren Guanidin-Chlorwasserstoffsäure-Lösung gelöst, mit einer Calciumphosphatverbindung versetzt,

durch einen Dialyseschlauch dialysiert und danach gefriergetrocknet werden.

Die Erfindung wird nachstehend ausführlicher anhand von Beispielen beschrieben. In den nachstehenden Beispielen wird das knochen-morphogenetisch wirksame Protein kurz als KMP und die Calciumphosphatverbindung mit Apatit-Kristallstruktur kurz als HAp bezeichnet. Die pulverförmige HAp wurde durch Synthese mit Hilfe des Naßverfahrens und anschließendes Brennen und Pulverisieren hergestellt. Die HAp in Granulatform wurde durch Granulieren des pulverförmigen HAp mit Hilfe eines Drehgranulators (rolling granulator) und anschließendes Brennen hergestellt. Der poröse Körper aus HAp wurde durch Imprägnation unter Verwendung einer Aufschlämmung von HAp-Pulver und anschliessendes Brennen hergestellt. Das KMP wurde mit Hilfe des Verfahrens nach Urist aus Kaninchenknochen gewonnen. Jede HAp wurde zu einer Lösung von KMP in einer 4-molaren Guanidin-Chlorwasserstoffsäurelösung zugefügt, wonach das Gemisch durch einen Dialyseschlauch dialysiert und gefriergetrocknet wurde, um jedes der Füllmaterialien herzustellen.

Beispiel 1

Mit Hilfe eines Bohrers mit einem Durchmesser von 4,5 mm wurden zylindrische Defekte in den Oberschenkelknochen von Kaninchen ausgebildet. Die Defekte wurden mit porösen Körpern aus KMP-HAp und porösen Körpern aus HAp gefüllt, die jeweils Abmessungen von 4 mm Durchmesser und 8 mm Länge hatten, bei 900⁰C calciniert worden waren, ein Verhältnis Ca/P von 1,67 und durchschnittliche Porendurchmesser von 90 μπι, 200 um, 320 μπι bzw. 410 μΐη aufwiesen. Der Zustand der Defekte nach dem Implantieren der erfindungsgemäßen Füllmaterialien wurde untersucht.

Als Ergebnis zeigte sich, daß die Bildung von neuem Knochen in allen Defekten nach Ablauf von zwei Wochen nach der Implantation festgestellt wurde. Das Wachstum von neuem Knochen in den Defekten, in die KMP-HAp-poröse Körper implantiert worden waren, erreichte einen höheren Wert und das stärkste Knochenwachstum wurde in den Defekten beobachtet, die mit porösen Körpern aus KMP-HAp mit einem durchschnittlichen Porendurchmesser von nicht mehr als 320 μπι gefüllt worden waren. Die nach Ablauf von vier Wochen bzw. acht Wochen beobachteten Ergebnisse waren insofern den Ergebnissen nach Ablauf von zwei Wochen ähnlich, als das Wachstum von neuem Knochengewebe in den Defekten, in die poröse Körper aus KMP-HAp implantiert worden waren, einen wesentlich höheren Grad erreicht hatte.

Beispiel 2

KMP-HAp-Granulat und HAp-Granulat (mit einem Granulatdurchmesser von 1,0 bis 0,5 mm und einem Ca/P-Verhältnis von 1,67, hergestellt durch Brennen bei 1000⁰C) wurden in Knochendefekte bei Kaninchen implantiert, die in gleicher Weise wie in Beispiel 1 erzeugt worden waren, und der Zustand der Defekte nach dem Implantieren der Füllmaterialien wurde untersucht.

Als Ergebnis wurde festgestellt, daß nach Ablauf von zwei Wochen nach der Implantation in beiden Defekten neues Knochengewebe gebildet war und daß das Wachstum von neuem Knochengewebe in den Defekten, die mit dem KMP-HAp-Granulat gefüllt worden waren, einen höheren Grad erreicht hatte.

Beispiel 3

Poröse Körper aus HAp mit einem Ca/p-Verhältnis von 1,35, 1,50, 1,67 bzw. 1,85 wurden durch Brennen bei einer Brenntemperatur von 600⁰C hergestellt und daraus wurden poröse KMP-HAp-Körper (mit einem durchschnittlichen Porendurch-

messer von jeweils 90 um) hergestellt.

Die so erhaltenen porösen KMP-HAp-Körper wurden in Knochendefekte bei Kaninchen implantiert, die in gleicher Weise wie in Beispiel 1 erzeugt worden waren, und der Zustand der Defekte nach der Implantation mit den Füllmaterialien wurde untersucht. Als Ergebnis wurde festgestellt, daß nach Ablauf von zwei Wochen nach der Implantation das Wachstum von neuem Knochengewebe in den Defekten, die mit Füllmaterialien mit Ca/P-Verhältnissen von 1,50 und 1,67 gefüllt worden waren, einen beträchtlichen Grad erreicht hatte, daß jedoch nur geringes Wachstum von neuem Knochengewebe in den Defekten beobachtet wurde, in welche die Füllmaterialien mit einem Ca/P-Verhältnis von 1,35 und 1,85 implantiert worden waren.

Unter Anwendung der gleichen Verfahrensweise wurden außerdem zur Kontrolle poröse Körper in Defekte implantiert, die lediglich aus HAp gebildet waren. Die mit den porösen 0 Vergleichskörpern aus HAp gefüllten Defekte wurden nach Ablauf von zwei Wochen nach der Implantation untersucht. Als Ergebnis wurde festgestellt, daß die Bildung von neuem Knochengewebe in den Defekten, in welche die aus HAp bestehenden porösen Vergleichskörper implantiert worden waren, geringer als in den Defekten war, in welche die entsprechenden porösen KMP-HAp-Körper implantiert worden waren, wobei die Unterschiede besonders beträchtlich in den Fällen waren, in denen das Verhältnis Ca/P 1,50 bzw. 1,67 betrug.

Beispiel 4

Poröse HAp-Körper mit einem Ca/p-Verhältnis von 1,67 wurden hergestellt und bei 300⁰C, 400⁰C, 600⁰C, 900⁰C, 1200⁰C und 1300⁰C gebrannt. Daraus wurden dann entsprechende poröse KMP-Hap-Körper hergestellt. Die so erhaltenen porösen Körper aus KMP-HAp wurden in Defekte in Oberschen-

kelknochen von Kaninchen implantiert, die in gleicher Weise wie in Beispiel 1 erzeugt worden waren, und der Zustand der Defekte nach der Implantation wurde untersucht. Die Ergebnisse zeigten, daß bemerkenswerte Bildung von neuem Knochengewebe in den Defekten beobachtet wurde, in welche Füllmaterialien implantiert worden waren, die durch Brennen bei 600⁰C oder höherer Temperatur erhalten worden waren, daß jedoch das Wachstum von neuem Knochengewebe in dem Defekt, in den ein Füllmaterial implantiert worden ist, das durch Brennen bei 400⁰C erhalten worden war, einen etwas niedrigeren Grad zeigte, als in den Defekten, die mit Füllstoffen gefüllt wurden, die durch Brennen bei 600⁰C oder höheren Temperaturen hergestellt worden waren. Im Gegensatz dazu wurde sehr geringes Wachstum von neuem Knochengewebe in dem Defekt beobachtet, der mit einem durch Brennen bei 300⁰C erhaltenen Füllmaterial gefüllt worden war.

Poröse Körper, die nur aus HAp bestanden, wurden in Kontrollversuchen nach der gleichen Verfahrensweise wie vorstehend in Defekte implantiert. Der Zustand der Defekte, in welche die porösen HAp-Vergleichskörper implantiert worden waren, wurde nach Ablauf von zwei Wochen nach der Implantation untersucht. Als Ergebnis zeigte sich, daß die Bildung von neuem Knochengewebe in den mit den porösen Kontrollkörpern aus HAp gefüllten Defekten geringer war als in den Defekten, in welche die entsprechenden porösen KMP-HAp-Körper implantiert worden waren, und daß die Unterschiede besonders stark in Fällen waren, in denen die Füllmaterialien durch Brennen bei 600⁰C oder höheren Brenntemperaturen hergestellt worden waren.

Beispiel 5

HAp-Pulver mit Ca/P-Verhältnissen von 1,55, 1,68 bzw. 1,74 wurden bei 600⁰C gebrannt und das zeta-Potential der HAp-Pulver wurde unter Verwendung von destilliertem Wasser als

zwangsweise durchfließende Flüssigkeit bestimmt. Das zeta-Potential des Pulvers mit einem Ca/P-Verhältnis von 1,55 betrug - 0,5 +^ 0,4 mV, das zeta-Potential des Pulvers mit dem Ca/P-Verhältnis von 1,68 betrug - 0,8 +_ 0,5 mV und das zeta-Potential des Pulvers mit einem Ca/P-Verhältnis von 1,74 betrug - 0,05 _+ 0,01 mV.

Das KMP wurde an jedem der pulverförmigen Materialien adsorbiert, wobei ein KMP-HAp-Pulver erhalten wurde, welches in einen in gleicher Weise wie in Beispiel 1 erzeugten Defekt eingefüllt wurde. Als Kontrolle wurde jedes der HAp-Pulver in einen gleichen Defekt eingefüllt.

Als Ergebnis wurde gefunden, daß die Bildung von neuem Knochengewebe in allen mit KMP-HAp-Pulver gefüllten Defekten stattgefunden hatte und daß das Wachstum von neuem Knochengewebe in dem Defekt, der mit dem KMP-HAp-Pulver mit einem Ca/P-Verhältnis von 1,74 geringer war, als in den Defekten, die mit den beiden anderen KMP-HAp-Pulverη gefüllt worden waren. Das Wachstum von neuem Knochen in jedem der Defekte, die mit dem KMP-HAp-Pulver gefüllt worden waren, war stärker als in dem Defekt, der mit dem entsprechenden HAp-Kontroll-Pulver gefüllt worden war, wobei die Unterschiede besonders stark in Fällen waren, in denen das Ca/P-Verhältnis 1,55 und 1,68 betrug.

Claims

STREHL SCHÜBEL-HOPF GROENING SCHULZ PATENTANWÄLTE EUROPEAN PATENT ATTORNEYS DEA 23 293 Füllmaterial zum Füllen von Defekten und Hohlräumen in Knochen

1. Füllmaterial zum Füllen von Defekten und Hohlräumen in Knochen, enthaltend eine Calciumphosphatverbin dung mit Apatit-Kristallstruktur, dadurch gekennzeichnet , daß es eine Calciumphosphatverbindung der allgemeinen Formel

Ca_m(PO₄J_nOH (1,50*m/n=1,70) und ein Knochen-morphogenetisches Protein enthält.

2. Füllmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Calciumphosphatverbindung mit Apatit-Kristallstruktur ein zeta-Potential von nicht mehr als - (minus) 0,1 mV, bestimmt unter Verwendung von destilliertem Wasser

als Flüssigkeit unter Zwangsströmung, aufweist.

3. Füllmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Calciumphosphatverbindung mit Apatit-Kristallstruktur in Form eines porösen Körpers vorhanden ist.