DE3717818C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Knochenprothesematerial aus porösem Calciumphosphat, das aus Körnchen mit offenen Zellen zusammengesetzt ist.

Derartiges Knochenprothesematerial (Füllstoff) wird in der Oralchirurgie, orthopädischer Chirurgie und anderen Gebieten benötigt, bei denen man ein Teil eines Knochens füllt, der auf Grund einer Knochentumoroperation, einer Alveolarpyorrhoe oder wegen einer anderen Krankheit entfernt wurde.

Knochenprothesematerial für die hier beschriebenen Zwecke hat man bereits in Form von Blöcken, Körnchen oder anderen geformten Produkten aus Metallen (z. B. Kobalt- Chrom-Legierungen, Titan, rostfreiem Stahl), Keramikmaterial (z.B. Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Calciumtriphosphat, Hydroxyapatit und einem auf Calcium aufgebautem Glas), hochmolekulargewichtigen Materialien (z. B. Silikonharze) und Kohlenstoff ausgebildet.

Von diesen Materialien wurden solche, die auf der Calciumphosphatgruppe basieren, wie Calciumtriphosphat, Hydroxyapatit und Gläser auf Basis von Calciumphosphat, in den vergangenen Jahren besonders intensiv untersucht, weil sie in ihrer Zusammensetzung dem Knochen ähnlich sind und eine außerordentlich hohe Bioverträglichkeit aufweisen. Aber auch ein Knochenprothesematerial, das aus einem solchen Material der Calciumphosphatgruppe besteht, stellt ein Fremdmaterial gegenüber dem lebenden Gewebe dar und seine Fähigkeit, bei einem neuen Wachstum des Knochens sich mit diesem zu vereinigen, ist auf den Bereich beschränkt, der unmittelbar an dem hier interessierenden lebenden Gewebe liegt. In Bereichen, die von diesem lebenden Gewebe entfernt sind, findet bei dem Prothesematerial eine sogenannte Einkapselungsreaktion statt, bei welcher das Material mit einem faserförmigen Gewebe umgeben und dadurch außerordentlich weich wird. Deshalb zeigen Knochenprothesematerialien in den Bereichen, in denen der Heilprozeß inaktiv ist, keine gute Bioverträglichkeit mit dem Körpergewebe. Dies ist auf die Einkapselung durch ein faserförmiges Gewebe zurückzuführen.

Die Einkapselung des in einen lebenden Körper eingebrachten Knochenprothesematerials wird durch Makrophagen induziert, die eine Größe von ca. 10 bis 20 µm haben. Die Makrophagen haften an dem Prothesematerial an und identifizieren unter bestimmten Bedingungen als Fremdstoff.

Aus der japanischen Offenlegungsschrift 21 763/1985 ist ein künstliches Knochenmaterial bekannt, das sich aus gesintertem Hydroxyapatit mit offenen Zellen eines Durchmessers von 10 bis 100 µm zusammensetzt und eine Biegefestigkeit von wenigstens 100 kg/cm² hat. Bei diesem künstlichen Knochenmaterial ist jedoch die Porosität relativ gering, um eine Biegefestigkeit von wenigstens 100 kg/cm² zu erhalten. Die offenen Zellen sind einerseits relativ groß, andererseits ist ihre Zahl zu klein, um wirksam eine Einkapselung in faserförmiges Gewebe zu verhindern, da die Makrophagen großteils nur an dem Fremdmaterial anliegen und daher die Einkapselungsreaktion auslösen.

Ein Knochenprothesematerial der eingangs genannten Art ist aus der DE-A-35 31 144 bekannt. Die Körnchen haben dabei in etwa gleicher Verteilung zwei Arten von Poren oder Zellen unterschiedlichen Durchmessers. Die groben Poren haben eine Durchmesserverteilung von ca. 0,2 mm (200 µm). Die feinen Poren sollen bei der bevorzugten Ausführungsform etwa eine Durchmesserverteilung von 50 bis 80 µm haben. In einem als nachteilig hingestellten Vergleichsbeispiel können die feinen Poren eine Durchmesserverteilung von 1 bis 5 µm haben. Auch hier ergibt sich das Problem, daß in großen Bereichen der Körnchen die Makrophagen an den Körnchen des Prothesematerials vollflächig anliegen und dieses daher als Fremdkörper identifizieren, so daß die Einkapselungsreaktion ausgelöst wird.

Aus der GB-A-21 42 919 ist ein poröses Knochenprothesematerial aus Calciumphosphat bekannt, bei dem das gesinterte Material Poren mit einer Größe von 1 bis 600 µm hat, wobei mindestens ein Teil dieser Poren mit dem Außenraum durch Kapillaren mit einem Durchmesser von 1 bis 30 µm verbunden sind. Auch hier ergeben sich die vorstehend diskutierten Nachteile.

Aus der GB-A-20 63 841 ist ein Knochenfüllmaterial aus Calciumphosphat bekannt, das jedoch nicht offenporig ist, so daß auch hier die Gefahr einer Einkapselung des Materials aus den oben diskutierten Gründen besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Knochenprothesematerial anzugeben, das mit einem neuen Knochenwachstum koaleszieren kann, ohne daß eine Einkapselung des Knochenprothesematerials erfolgt und zwar auch an solchen Stellen, die von dem lebenden Gewebe räumlich entfernt sind und an denen der Heilprozeß inaktiv ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Knochenprothesematerial der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die durchschnittliche Porengröße gleich oder größer als 0,01 µm und kleiner als 10 µm beträgt und daß die Körnchen im Durchschnitt wenigstens eine der offenen Zellen innerhalb einer Oberfläche von (10 µm)² und eine Porosität von 60% bis 90% haben.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß dann, wenn Körperflüssigkeit an den Stellen des Knochenprothesematerials, an denen Makrophagen anhaften, durchfließen kann, der Prothesefüllstoff nicht als Fremdstoff von den Makrophagen angesehen wird und infolgedessen auch nicht durch faserförmiges Gewebe eingekapselt wird.

Durch die offenzellige Struktur der Körnchen kann Körperflüssigkeit in das Innere der Körner eindringen. Die Zellen sind einerseits zu klein, als daß die Makrophagen in die Zellen hineingelangen können, andererseits liegen bei der angegebenen Porendichte die Poren so eng beieinander, daß die Makrophagen bei ihrer Anlagerung an die Körnchen niemals nur an einem glatten Oberflächenstück des Körnchens anliegen, sondern notwendigerweise stets zumindest teilweise eine Porenöffnung überdecken. Damit ist aber sichergestellt, daß stets Körperflüssigkeit, welche die offenzellige Struktur der Körnchen durchdringen kann, an Makrophagen gelangt, die sich an den Körnchen angelagert haben. Solange aber Blut und Körperflüssigkeit an die Makrophagen herankommen kann, wird dadurch den Makrophagen vorgetäuscht, daß es sich bei dem implantierten Material um körpereigenes Material handelt. Damit wird zuverlässig verhindert, daß die Makrophagen eine Einkapselung des Prothesematerials auslösen.

Es ist schwierig, ein Knochenprothesematerial herzustellen, bei dem die offenen Zellen eine durchschnittliche Porengröße von weniger als 0,01 µm haben. Darüberhinaus haben Körperflüssigkeiten nur einen begrenzten Zugang zu solchen außerordentlichen kleinen Zellen, so daß die Körperflüssigkeiten auch nicht mit ausreichender Sicherheit die angelagerten Makrophagen erreichen können. Haben die Zellen dagegen eine durchschnittliche Porengröße, die 10 µm übersteigt, so besteht die Gefahr, daß die Makrophagen in die offenen Poren hineingelangen und dort wiederum Wände vorfingen, an den sie sich anlagern können und die sie als Fremdmaterial identifizieren, so daß in diesem Falle eine Einkapselung ausgelöst werden könnte.

Beträgt die Porosität bei den Körnchen des erfindungsgemäßen Materials weniger als 60%, dann werden die erwünschten offenen Zellen nicht ausreichend gebildet, so daß ein befriedigender Durchgang von Körperflüssigkeit durch die Körnchen nicht möglich ist. Übersteigt die Porosität 90%, dann besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, daß die Körnchen eine verminderte Festigkeit aufweisen und brüchig sind.

Die vorstehenden Darlegungen zeigen, daß die Porengröße, ihre Dichte auf der Oberfläche und die Porosität der Körnchen so aufeinander abgestimmt sind, daß bei der vorgegebenen Größe der Makrophagen sichergestellt wird, daß in jedem Falle Körperflüssigkeit an die an dem Prothesematerial angelagerten Makrophagen gelangen kann, um so zu verhindern, daß die Makrophagen das Prothesematerial als Fremdmaterial identifizieren und eine Einkapselung dieses Materials auslösen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben die offenen Zellen in den Knochenprothesematerialkörnchen eine durchschnittliche Porengröße von 0,01 bis 1 µm. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, dann bilden die an den offenen Zellen anhaftenden Makrophagen Brücken, wodurch noch bessere Ergebnisse hinsichtlich der Verhinderung der Einkapselung erzielt werden.

Erfindungsgemäß sind die Körnchen, aus denen sich das Knochenprothesematerial aufbaut, nicht begrenzt hinsichtlich ihrer Form. Das bedeutet, daß sie kugelförmig sein oder eine unregelmäßige Oberfläche haben können. Um das Einfüllen zu erleichtern, haben die Körnchen vorzugsweise eine durchschnittliche Größe von 0,1 bis 1 mm. Haben die Körnchen eine Durchschnittsgröße von weniger als 0,1 mm, dann werden sie leicht von der fließenden Körperflüssigkeit weggeschwemmt. Beträgt die durchschnittliche Teilchengröße der Körnchen mehr als 1 mm, dann werden viele und zu große Zwischenräume zwischen den Körnern ausgebildet, so daß ein wirksames Koaleszieren mit dem neuen Knochenwachsum verhindert wird.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Knochenprothesematerials der oben genannten Art, umfassend die Stufen: Mischen eines Calciumphosphatpulvers mit organischen thermisch zersetzbaren Teilchen, Granulieren der erhaltenen Mischung und Brennen des Granulats, wobei erfindungsgemäß die Menge an organischen thermisch zersetzbaren Teilchen 30 bis 79 Gewichtsteile des Pulvers aus Calciumphosphat und ihre Durchschnittsgröße 0,01 µm bis kleiner als 10 µm beträgt. Alle bekannten Materialien aus der Calciumphosphatgruppe, die bei der vorliegenden Erfindung zur Herstellung des Pulvers verwendet werden, das man mit organischen leicht brennbaren Teilchen bei der Herstellung des beanspruchten Knochenprothesematerials vermischt, können verwendet werden. Besonders bevorzugte Materialien aus der Calciumphosphatgruppe sind Hydroxyapatit und Tricalciumphosphat.

Bei der Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens kann als weitere Stufe die Zugabe von Wasser oder von Polyvinylalkohol als Bindemittel zu der erhaltenen Mischung vorgesehen sein.

Die folgende Beschreibung erläutert in Verbindung mit den beigefügten Figuren die Erfindung anhand von Beispielen. Es zeigt

Fig. 1: Eine Elektronenmikrophotographie (100fache Vergrößerung), welche den Aufbau eines Körnchens in dem gemäß dem Beispiel der vorliegenden Erfindung hergestellten Knochenprothesematerial zeigt, und

Fig. 2 und 3: Elektronenmikrophotographien des gleichen körnigen Aufbaus bei 1000facher und 10 000facher Vergrößerung.

Ein aus den oben genannten Calciumphosphatmaterialien hergestelltes Calciumphosphatpulver besteht typischerweise aus Teilchen, die eine durchschnittliche Teilchengröße von etwa 1 bis 10 µm haben. Solche Teilchen können in einer Kugelmühle oder in irgendeiner anderen Vorrichtung zu feinen Teilchen mit einer durchschnittlichen Größe von 0,05 bis 1 µm vermahlen werden.

Die organischen, leicht brennbaren Materialien liegen in Form von Perlen aus synthetischen Harzen, wie Polystyrol, Polyvinylalkohol und Polypropylen vor. Alternativ kann man sie auch dadurch herstellen, daß man Cellulose, tierische Fasern oder andere faserförmige Materialien feinzerkleinert. Um Zellen auszubilden mit einer durchschnittlichen Porengröße von 0,01 bis 10 µm, sollen die Teilchen aus dem organischen, leicht brennbaren Material eine durchschnittliche Größe im gleichen Bereich aufweisen.

Beim Granulieren einer Mischung aus einem Pulver auf Basis von Calciumphosphat mit den organischen, leicht brennbaren Teilchen kann man gewünschtenfalls Wasser, Polyvinylalkohol oder ein anderes geeignetes Material als Bindemittel verwenden. Die als Ausgangsmaterial verwendete Mischung enthält vorzugsweise 30 bis 70 Gewichtsteile der organischen, leicht brennbaren Teilchen pro 100 Gewichtsteile des Pulvers aus Calciumphosphat. Ist der Gehalt an organischen, leicht brennbaren Teilchen geringer als 30 Gew.-%, dann wird keine ausreichende Porosität in den Prothesematerialkörnchen ausgebildet. Übersteigt der Gehalt an organischen, leicht brennbaren Teilchen 70 Gew.-%, dann weisen die gebildeten Prothesematerialkörnchen eine derart hohe Porosität auf, daß die Festigkeit darunter leidet.

Für die Kornbildung (Granulierung) kann man verschiedene Methoden anwenden. Eine Methode besteht darin, daß man ein Calciumphosphatpulver mit den organischen, leicht brennbaren Teilchen zu einer Aufschlämmung vermischt, die dann zu einem Block getrocknet wird, den man anschließend zu feinen Teilchen vermahlt. Eine andere Methode besteht darin, daß man eine Granuliervorrichtung vom Pfannentyp verwendet.

Das so hergestellte Granulat wird dann gebrannt. Obwohl für das Brennen des Granulats keine besonderen begrenzenden Bedingungen vorliegen, wird das nachfolgende Verfahren empfohlen: Das Granulat wird von Raumtemperatur auf etwa 600°C in einer Rate von etwa 50°C/h erhöht, wobei das organische, leicht brennbare Material herausgebrannt wird. Anschließend wird das Granulat auf etwa 1200°C in einer Rate von etwa 100°C/h erhitzt und bei dieser Temperatur für etwa 8 h unter Ausbildung eines Sinterproduktes gehalten.

Das gemäß der vorher angegebenen Methode hergestellte Knochenprothesematerial kann dann in der nachfolgenden Weise eingesetzt werden. Nach dem Sterilisieren wird der Füllstoff mit einer sterilen, physiologischen Kochsalzlösung vermischt und die erhaltene Mischung gibt man dort hin, wo ein fehlender Knochenteil ersetzt werden soll. Das zugegebene Prothesematerial koalesziert dann mit dem umgebenden Knochengewebe durch neues Knochenwachstum und füllt den fehlenden Knochenteil aus.

In eine Kugelmühle wurden 600 g synthetisches Hydroxyapatitpulver (Teilchengröße 1-10 µm), 400 g Polystyrolperlen (durchschnittliche Teilchengröße 6 µm) und 2000 ml destilliertes Wasser gegeben und die Kugelmühle wurde 24 h betrieben, wobei man eine Aufschlämmung des Hydroxyapatits mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,6 µm erhielt. Die Aufschlämmung wurde in eine Petrischale gegeben und diese wurde in einen Ofen mit einer inneren Luftzirkulation von 100°C 24 h gestellt, wobei die Aufschlämmung zu einem Block trocknete. Der Block wurde dann in einem Mörser zu einem Granulat (Körnchen von 100 bis 1000 µm) pulverisiert und in einem Elektroofen unter den nachfolgenden Bedingungen gebrannt: Erwärmen von Raumtemperatur auf 600°C in einer Rate von 50°C/h; anschließendes Erhitzen von 600°C auf 1200°C in einer Rate von 100°C/h; Halten der Temperatur von 1200°C während 8 h und Abkühlen mit einer Rate von 200°C/h.

Die gebrannten Hydroxyapatitkörnchen wurden auf einen Kornbereich von 300 bis 500 µm mittels eines rostfreien Stahlsiebes gesiebt.

Ein aus solchen Körnchen hergestelltes Knochenprothesematerial hat offene Zellen mit einer durchschnittlichen Porengröße von etwa 4 µm. Elektronenmikrophotographien eines einzelnen Körnchens aus diesem Prothesematerial werden in Fig. 1 (Vergrößerung 100) und Fig. 3 (Vergrößerung 10 000) gezeigt.

Wie vorher dargelegt, setzt sich das erfindungsgemäße Knochenprothesematerial aus porösem Calciumphosphat in Form von Körnchen mit offenen Zellen mit einer durchschnittlichen Porengröße von 0,01 bis 10 µm zusammen. Körnchen, aus denen ein prothetischer Füllstoff hergestellt wird, lassen die Passage von Körperflüssigkeiten an den Stellen, an denen Makrophagen anhaften, zu und werden von den anhaftenden Makrophagen nicht als Fremdstoff erkannt. Dadurch kann eine Einkapselung der Körnchen in faserförmiges Gewebe verhindert werden und das Koaleszieren der Körnchen an neues Knochenwachstum beschleunigt werden, so daß dadurch auch der Heilprozeß in dem behandelten Gewebe beschleunigt wird.

Claims (7)

1. Knochenprothesematerial aus porösem Calciumphosphat, das aus Körnchen mit offenen Zellen zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Porengröße gleich oder größer als 0,01 µm und kleiner als 10 µm beträgt und daß die Körnchen im Durchschnitt wenigstens eine der offenen Zellen innerhalb einer Oberfläche von (10 µm)² und eine Porosität von 60% bis 90% haben.

2. Knochenprothesematerial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die offenen Zellen eine durchschnittliche Porengröße von 0,01 bis 1 µm haben.

3. Knochenprothesematerial gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Körnchen eine Durchschnittsgröße von 0,1 bis 1 mm haben.

4. Knochenprothesematerial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Körnchen Calciumphosphathydroxyapatit einschließen.

5. Knochenprothesematerial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Körnchen Tricalciumphosphat einschließen.

6. Verfahren zum Herstellen eines Knochenprothesematerials gemäß Anspruch 1, umfassend die Stufen: Mischen eines Calciumphosphatpulvers mit organischen, thermisch zersetzbaren Teilchen, Granulieren der erhaltenen Mischung und Brennen des Granulats, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an organischen, thermisch zersetzbaren Teilchen 30 bis 70 Gewichtsteile pro 10 Gewichtsteile des Pulvers aus Calciumphosphat und ihre Durchschnittsgröße 0,01 µm bis kleiner als 10 µm beträgt.

7. Verwendung von porösem Calciumphosphat gemäß Anspruch 1 als Knochenprothesematerial.