DE3750849T2

DE3750849T2 - Feste kalziumphosphat-materialien.

Info

Publication number: DE3750849T2
Application number: DE3750849T
Authority: DE
Inventors: John J Barsa; Paul J Capano; Edward T Farris; Richard J Lagow
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-06-08
Filing date: 1987-06-08
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2007-06-09
Also published as: EP0363352B1; EP0363352A1; WO1988009769A1; JP2567888B2; DE3750849D1; US4673355A; JPH03501016A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines nichtapatitischen, festen Materials, das Calcium und Phosphat enthält oder daraus besteht, sowie ein solches Produkt für die Wiederherstellung von Zähnen oder chirurgische Implantate.

Allgemeiner Stand der Technik

Bestimmte Calciumphosphatarten sind biologisch bedeutend. Apatitische Calciumphosphate, im folgenden Apatite genannt, sind z. B. die wichtigsten Mineralbestandteile von Knochen und Zähnen. Allgemein beschrieben durchlaufen Knochen- und Zahnmineralstoffe mehrere Phasen, von denen die letzte ein Apatit, ähnlich dem Hydroxyapatit, ist siehe z. B. I. Zipkin, Biological Mineralization, Wiley, 1973). Die chemische Grundformel von Hydroxyapatit, auch Hydroxylapatit genannt, ist Ca&sub1;&sub0;(PO&sub4;)&sub6;(OH)&sub2;. Die tatsächliche Zusammensetzung der Knochen- und Zahnmineralstoffe kann beträchtlich von dieser Formel abweichen. Allgemein vorhanden in den verschiedenen Stufen der mineralisierten Gewebe von Knochen und Zähnen sind calciumarme Apatitarten, Carbonatarten und verschiedene, andere Apatitarten, z. B. Fluorapatit.
Hydroxyapatit wird in erster Linie durch Ionenbindung zusammengehalten. Die Calciumionen sind zweiwertige Kationen (Ca&spplus;&spplus;), die Phosphationen sind dreiwertige Anionen (PO&sub4;&supmin;&supmin;&supmin;), und die Hydroxylionen sind einwertige Anionen (OH&supmin;).
Hydroxyapatit und andere Formen von Calciumphosphat bieten mehrere Vorteile, wenn sie für die Reparatur von Knochen und Zahnschmelz verwendet werden. Da sie ähnliche oder identische, chemische Zusammensetzungen wie das Mineral aufweisen, das von Natur aus in Knochen und Zahnschmelz vorhanden ist, sind Calciumphosphate im Hinblick auf zahlreiche, bedeutende Parameter mit natürlichem Zahn- und Knochenmaterial vergleichbar. Diese Parameter sind: Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient, Härte, Festigkeit, Farbe und Unlöslichkeit in Speichel und anderen sauren oder basischen Lösungen. Aufgrund ihrer Vergleichbarkeit mit natürlichem Zahn- und Knochenmaterial, sind Calciumphosphate relativ bioverträglich. Unter Bioverträglichkeit wird in der vorliegenden Anmeldung jede Kombination von Eigenschaften verstanden, die negative Reaktionen ausschließen oder minimieren, wenn eine Substanz in den Körper implantiert wird. Diese Materialien sollten keine antigenischen, pyogenen, pyrogenen oder entzündlichen Reaktionen im Empfänger hervorrufen. Sie sollten keine galvanischen Ströme hervorrufen, nicht korrodiert oder umgesetzt werden und sich nicht in unerwünschten Substanzen lösen.
Es sind bisher viele Versuche unternommen worden, die verschiedensten Formen von Apatit und anderen Calciumphosphatmaterialien für die Reparatur und Wiederherstellung von Knochen und Zahnschmelz zu verwenden. Eine Reihe von Patenten und Artikeln beschreiben die Verwendung von Hydroxyapatit, das aus Seekoralle und Knochenpulver gewonnen wird (siehe z. B. U.S. Patente 2,508,816 (Knochenpulver) und 3,929,971 (Seekoralle). Diese Materialien enthalten oft verschiedene andere Calciumphosphate, z. B. trigonales Calciumphosphat und Brushit.
In einer Reihe anderer Patente sind synthetische Apatite beschrieben (siehe z. B. U.S. Patente 4,046,858 (Barsa et al., 1978); 4,274,879 (Irvine, 1981); 4,097,935 (Jarcho, 1978); 4,207,306 (Jarcho, 1980); 3,379,541 (Tuvell, 1969); 4,330,514 (Nagai et al., 1982); 4,324,772 (Conn et al., 1982); 4,207,306 (Tomlinson et al.).
In verschiedenen Patenten und Zusammenfassungen sind Verfahren für die Behandlung von Apatitmaterialien beschrieben worden, um diese für den Einsatz als Zahnimplantate und andere Prothesen verwendbar zu machen. Diese Verfahren umfassen im allgemeinen das Sintern oder andere Methoden der Erhitzung und Verdichtung, wodurch pulverförmiges Material in feste, poröse Teile unterschiedlicher Form umgewandelt wird (siehe z. B. U.S. Patente 4,308,064 (Takami et al., 1981); 4,113,500 (Ebihara et al., 1978); 4,222,128 (Tomonaga et al., 1980); 4,135,935 (Pfeil et al., 1979); 4,149,893 (Aoki et al., 1979); 3,913,229 (Driskill et al, 1975).
Siehe auch Chemical Abstracts 85 : 98372(a), Vol. 85, Nr. 14, 4. Oktober 1976, Seite 268, im folgenden "D 1" genannt; Chemical Abstracts 101 : 216472g, Vol. 01, Nr. 24, 10. Dezember 1984, Seite 321, im folgenden "D 2" genannt; Chemical Abstracts 101 : 198238d, Vol. 101, Nr. 22, 26. November 1984, im folgenden "D 3" genannt; Patent Abstracts of Japan, Vol. 10, Nr. 67, (C-333) (2124), 15. März 1986, im folgenden "D 4" genannt; Patent Abstracts of Japan, Vol. 9, Nr. 287, (C-314) (2010), 14. November 1985, im folgenden "D 5" genannt.
Die in D 1 bis D 5 zusammengefaßten Patente sind gemeinsames Eigentum oder stammen aus einer gemeinsamen Forschungsgruppe.
D 1 bis D 5 offenbaren kristalline Calciumphosphatglasarten für Zahnmaterialien und Zahnprothesen, während D 1 und D 5 auch deren Verwendung für künstliche Knochen angeben. D 1 bis D 5 legen das Schmelzen oder Brennen von Calciumverbindungen und Phosphorsäuren dar, die so gemischt werden, daß das Verhältnis von Calcium- zu Phosphoratomen nicht über 1,7 liegt, z. B. 0,35-1,7. Im Gegensatz zu den Aussagen in der Zusammenfassung D 1 wird in der Zusammenfassung der veröffentlichten japanischen Patentschrift Nr. 76 73,019 dargelegt, daß die Einsatzstoffe aus CaCO&sub3; und H&sub3;PO&sub4; Pulvern bestehen. Auch D 2 und D 3 verwenden CaCO&sub3; und H&sub3;PO&sub4; als Ausgangsstoffe, wobei in D 3 ausdrücklich darauf hingewiesen wird, daß sie Pulver sind.
D 4 und D 5 geben als Beispiel CaO und Ca(OH)&sub2; als Calciumausgangsmaterial an, während in D 5 auch CaCO&sub3; aufgeführt wird. Sowohl D 4 als auch D 5 nennen H&sub3;PO&sub4;, und als Alternativen werden Polyphosphorsäure bzw. Pyrophosphorsäure angegeben.
In keiner der Zusammenfassungen D 1 bis D 5 wird die Verwendung von konzentrierter H&sub3;PO&sub4; genannt, während im Gegensatz dazu die vorliegende Erfindung konzentrierte H&sub3;PO&sub4; verwendet (100%ige H&sub3;PO&sub4; ausgenommen), z. B. 85%ige Orthophosphorsäure, wie in den folgenden Beispielen dargelegt.
Außerdem wird in keiner der Zusammenfassungen D 1 bis D 5, im Gegensatz zu den folgenden Beispielen 2 bis 8, die Verwendung von Calciumhydroxyapatit als Ausgangsmaterial offenbart.
Mehrere Patente und Artikel beschreiben die Anwendung von Techniken, z. B. Laserstrahlen, um Apatite auf Zahnoberflächen zu binden, die zur Entfernung von Karies angebohrt wurden (siehe z. B. U.S. Patent 4,224,072 (Steward, 1980); R. H. Stern et al., Optics and Laser Technology, Seite 22, Februar 1975.
Mehrere Patente beschreiben die Verwendung von hochfeinteiligem oder verdichtetem Apatit zusammen mit verschiedenen anderen Verbindungen, z. B. Füllstoffen und Zementen (siehe z. B. U.S. Patente 4,230,455 (Hidaka et al., 1980); 4,223,412 (Aoyagi et al., 1980); 4,131,597 (Bluethgen et al., 1978).
Die obengenannten Materialien und Verfahren können mit unterschiedlichem Erfolg zur Förderung der Heilung oder Wiederherstellung von Knochen und Zähnen verwendet werden. Es besteht jedoch ein Bedarf nach weiterer Verbesserung der Materialien und Techniken, die für die Wiederherstellung von Knochen und Zähnen verwendet werden.

Darlegung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Bildung von Materialien aus nichtapatitischen Calciumphosphaten sowie eine Reaktionsmethode zur Herstellung dieser Materialien. Die Erfindung betrifft außerdem verschiedene Verwendungen dieser Materialien, z. B. für die Reparatur von Knochen und Zähnen, sowie aus diesen Materialien für diese Verwendungen hergestellte Artikel.
Das feste Calciumphosphatmaterial wird durch chemische Reaktion von Calciumionenquellen mit Phosphationenquellen hergestellt. Geeignete Calciumionenquellen sind apatitische Calciumphosphate, Calciumhydroxid, Calciumcarbonat, Calciumoxid, Calciumhalogenid, andere Calciumsalze und Calciummetall. Geeignete Quellen für Phosphationen sind Orthophosphorsäuren, Pyrophosphorsäuren, kondensierte Phosphate nichtmetallischer Kationen und Metallphosphate.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines nichtapatitischen, festen Materials, das Calcium und Phosphat enthält, bereitgestellt. Dieses Verfahren umfaßt folgende Schritte:
a) Bildung eines Reaktionsgemischs aus Calciumionen und Phosphationen in konzentrierter Phosphorsäure (ausgenommen 100%ige Phosphorsäure), wobei das Gemisch ein Calcium/Phosphor Molverhältnis von ca. 0,1 bis ca. 1,34 aufweist
b) Erhitzen des Gemischs bis zur Schmelze auf eine Temperatur von über ca. 750ºC, bei der die Ionen reagieren
c) Abkühlen des Produktgemischs auf Raumtemperatur, wodurch ein nichtapatitisches, festes Calciumphosphatmaterial gebildet wird.
Gegebenenfalls kann das Reaktionsgemisch vor dem Schritt b) auf eine Temperatur unterhalb der Reaktionstemperatur vorgewärmt werden, um Wasser und andere unerwünschte Stoffe zu entfernen.
Die vorliegende Erfindung stellt auch Produkte nach dem vorliegenden Verfahren (wie gerade oben definiert) bereit, bei dem das Reaktionsgemisch aus Hydroxyapatit und konzentrierter H&sub3;PO&sub4; (wie definiert) zusammengesetzt ist. Diese Produkte umfassen eine künstliche Zahnkrone, ein Mittel für die Wiederherstellung von Zähnen und ein chirurgisches Implantat. Wie im folgenden offenbart wird, können die Produkte in nichtporöser oder poröser Form hergestellt werden.
Außerdem können andere chemische Substanzen und Ionenquellen, die aufgrund ihrer chemischen, physikalischen und/oder biologischen Eigenschaften oder klinischen Bedeutung besonders nützlich und erwünscht sind, dem nicht erhitzten Calcium- und Phosphationengemisch oder dem geschmolzenen Produktgemisch in geschmolzener oder fester Form zugemischt werden, um in das feste Endprodukt eingearbeitet zu werden. Diese chemischen Substanzen können auch an die Oberfläche des festen Produkts gebunden werden. Dies kann durch Nutzung der starken Adhäsion des Produktgemischs während der Abkühlphase im Reaktionsprozeß erreicht werden. In einem Ausführungsbeispiel werden die verschiedenen Calcium- und Phosphationenquellen gemischt und bis zur Schmelze erhitzt. Man läßt sie reagieren, und bei einer Temperatur nahe dem Erstarrungspunkt des Materials wird das fast feste Material mit einer Schicht aus nützlichen und erwünschten, chemischen Substanzen in Berührung gebracht. Die Abkühlung wird zu Ende geführt, und das feste Produkt wird entfernt. Das so erhaltene Material ist hart und fest und mit einer Schicht der nützlichen Substanz fest verbunden. Solch ein nützliches Material könnte z. B. ein apatitisches Calciumphosphat sein, z. B. Hydroxyapatit, von dem bekannt ist, daß es den Wiederaufbau und das Wachstum von Knochen fördert.
In Abhängigkeit von dem Verhältnis der Komponenten und den Parametern der Heizreaktion kann das feste, nichtapatitische Calciumphosphatmaterial in glatter, nichtporöser oder in poröser Form hergestellt werden. Beide Materialarten haben ihre Vorteile. Das nichtporöse Material ist z. B. außergewöhnlich hart, während das poröse Material eine viel größere Oberfläche aufweist. Beide sind starke Feststoffe mit außerordentlicher Beständigkeit gegenüber den meisten Lösemitteln, z. B. Säuren, Alkalibildnern, Aceton, Alkoholen, Wasser, organischen Stoffen.
Poröse Materialien werden aus Reaktionsgemischen mit Ca/P Molverhältnissen von ca. 0,5 bis ca. 1,34 gebildet. Im wesentlichen nichtporöse Calciumphosphatmaterialien werden mit Ca/P Verhältnissen von ca. 0,1 bis ca. 0,5 gebildet. Ein nichtapatitisches, poröses Calciumphosphatmaterial kann z. B. hergestellt werden, indem man ein Gemisch von Hydroxyapatit in Phosphorsäurelösemittel bildet (Ca/P Molverhältnis 0,5 bis 1,34), das Gemisch über ca. 850ºC erhitzt und das Produktgemisch abkühlt, wodurch ein poröses Material erhalten wird. Ein nichtporöses Material kann hergestellt werden, indem man die Reaktion bei über ca. 750ºC, vorzugsweise 900 - 1100ºC, mit einem Gemisch von Hydroxyapatit in einem Phosphorsäurelösemittel bei einem Ca/P Verhältnis von 0,1 bis 0,5 durchführt.
Das erfindungsgemäße, feste Calciumphosphatmaterial kann geformt, maschinell bearbeitet oder auf andere Weise in jede gewünschte Form gebracht werden, z. B. Zähne, Zahnkronen, Knochen usw. Es wird davon ausgegangen, daß alle Arten dieses Materials eine hohe Bioverträglichkeit, eine hohe Kohäsion zu natürlichem Knochen oder Zahnschmelz, eine Wärmeleitfähigkeit und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, die mit der natürlichen Hartsubstanz vergleichbar sind, sowie andere Eigenschaften aufweisen, die sie für die Reparatur oder den Ersatz von Knochen und Zähnen geeignet machen.

Beste Durchführung der Erfindung

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das feste Calciumphosphatmaterial hergestellt, indem man ein Gemisch aus Orthophosphorsäure und Hydroxyapatitpulver bis zur Schmelze erhitzt und reagieren läßt. Nach Beendigung der Reaktion wird das Gemisch auf Raumtemperatur abgekühlt und das feste Produkt aus dem Reaktionsgefäß entfernt. Es wird konzentrierte Säure verwendet. Wasser ist eine unerwünschte, störende Substanz, besonders in der Anfangsphase der Reaktion. Hydroxyapatitpulver ist im Handel erhältlich oder kann nach unterschiedlichen Verfahren synthetisiert werden. Einige dieser Verfahren wurden bereits oben erwähnt.
Der Einfachheit halber wird in der vorliegenden Beschreibung folgende Kurznomenklatur verwendet. Ein (nicht erhitztes) Calciumphosphat-Ausgangsgemisch wird als CPMi bezeichnet.
Das Calcium/Phosphor Molverhältnis (Ca/P) der Apatitmaterialien mit der Formel Ca&sub1;&sub0;(PO&sub4;)&sub6;(X)1,2', wobei X ein beliebiges, einwertiges oder zweiwertiges Anion (ausgenommen ein phosphorhaltiges) ist, beträgt 10/6 oder 1,67. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Phosphationenquelle zu einer Calciumionenquelle gegeben. Die Anmelder haben mit einem breiten Bereich von Ca/P Anfangsmolverhältnissen experimentiert (mit "Anfangsverhältnis" ist das Ca/P Verhältnis der CPMi Komponenten vor dem Erhitzen gemeint). Es wurden viele günstige Effekte entdeckt, die durch Veränderung des Ca/P Anfangsmolverhältnisses in Verbindung mit anderen, geänderten Reaktionsbedingungen beeinflußbar sind.
Es wurde entdeckt, daß bei einem Ca/P Anfangsmolverhältnis von 0,24 CPMi eine viskose, weiße Paste ist. Bei Erwärmung auf 1000ºC reagiert das Material in geschmolzener Phase. Nach Abkühlung ist das erhaltene Produkt ein nichtporöser Feststoff.
Wird CPMi mit einem Ca/P Anfangsmolverhältnis von 0,29 bei unter 1000ºC reagiert, bildet sich nach der Abkühlung ein poröser, weißer Feststoff. Wird die Reaktion jedoch fortgesetzt und die Temperatur fünf Stunden auf ca. 1100ºC gehalten, erhält man nach der Abkühlung ein nichtporöses, festes Produkt.
Bei einem Ca/P Anfangsmolverhältnis von 0,62 oder höher ist CPMi eher ein weißes Pulver als eine viskose Paste. Wird die Reaktion über fünf Stunden bei 1100ºC durchgeführt, sinkt die Porosität deutlich. Die Porosität von festem Calciumphosphatmaterial ist durch diese Methode kontrollierbar. Wird CPMi mit einem Ca/P Anfangsmolverhältnis von 0,62 ausreichend lange erhitzt, z. B. ca. neun Tage, ist das erhaltene, feste Calciumphosphatmaterial nichtporös.
Durch die Kontrolle des Ca/P Molverhältnisses und verschiedener Reaktionsbedingungen können somit die physikalischen und chemischen Eigenschaften des festen Calciumphosphatmaterials gesteuert werden. Bei Gemischen, die über einen bestimmten Zeitraum auf eine bestimmte Temperatur erwärmt werden, trägt eine Erhöhung des Ca/P Molverhältnisses eines CPMi Gemischs zu einer größeren Porosität des erhaltenen, festen Calciumphosphatmaterials bei. Bei Ca/P Molverhältnissen von 1,15 oder mehr neigen Materialien, die fünf Stunden auf 1100ºC erhitzt wurden, zu Versprödung. Bei Ca/P Molverhältnissen von 1,34 neigen auf 1100ºC erhitzte Materialien dazu, pulverförmig zu bleiben.
Calciumphosphatgemische können nach verschiedenen Methoden erhitzt werden. Die Anmelder verwendeten einen Elektroofen mit Widerstandsspule, aber auch andere Heizmethoden, z. B. durch Hochfrequenz, Laserstrahlen, Mikrowellen usw., sind geeignet und liegen im Ermessen des Fachmanns. Unter dem in der vorliegenden Beschreibung verwendeten Begriff "Ofen" ist jede Vorrichtung zu verstehen, mit der ein Gemisch aus Calcium- und Phosphationen bis zur Schmelze - dem Zustand, in dem die Reaktionskomponenten reagieren können - erhitzt werden kann. Der Ofen kann mit verschiedenen Vorrichtungen zur Steigerung der Heizreaktion ausgestattet werden. Die Ofenkammer kann z. B. mit Inertgas gefüllt werden, oder der Ofen kann ein Vakuumofen sein. Die Kammer kann mit Temperaturfühlern oder mechanischen Vorrichtungen zur einfacheren Handhabung der Schmelze ausgestattet sein.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die Vorgänge des Erhitzens und Kühlens relativ schnell durchgeführt werden. Ein Ofen kann z. B. auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden, z. B. 1100ºC. Ein Tiegel mit einem Calciumphosphatgemisch, das Raumtemperatur hat, kann in den Ofen gestellt, über den gewünschten Zeitraum erhitzt, aus dem Ofen genommen und auf Raumtemperatur gekühlt werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, den Ofen stufenweise unter Beobachtung zu heizen oder zu kühlen. Festes Calciumphosphatmaterial kann auf diese Weise schnell gebildet werden, und der Ofen wird rationell genutzt.
Wenn erwünscht, kann das Kühlen durch verschiedene Methoden beschleunigt oder gesteuert werden, z. B. indem der Tiegel mit flüssigem oder gekühltem Gas in Berührung gebracht wird. Durch die Kühlgeschwindigkeit können sich Kristallstruktur sowie mechanische und andere Eigenschaften des Endprodukts verändern. Feste Calciumphosphatmaterialien, die in bestimmten Geschwindigkeiten gekühlt werden, können für spezielle Anwendungen gewünscht werden. Der Fachmann kann darüber entscheiden.
In einem weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann CPMi auf unter den Schmelzpunkt erhitzt werden, z. B. auf 900ºC. Dadurch werden alle unerwünschten Stoffe, z. B. Wasser, entfernt. Das verbleibende Material ist immer noch pulverförmig und kann unbegrenzt gelagert werden. Das pulverförmige Material kann anschließend, wie oben beschrieben, erhitzt und in geschmolzenem Zustand zur Reaktion gebracht werden. Während des Abkühlens bildet sich dann das feste Produkt. Die Reaktionszeit wird deutlich gesenkt.
Für die Herstellung von festem Calciumphosphatmaterial können Tiegel aus verschiedenen Materialien verwendet werden, z. B. aus Metall, Quarz, Porzellan oder Zement. Der Tiegel kann eine Form mit den gewünschten Konturen sein, oder das geschmolzene Material kann aus einem Tiegel in eine Form gegossen werden. Es wird davon ausgegangen, daß Kaltformverfahren gewisse Vorteile bieten, z. B. eine geringere Haftung des Calciumphosphatmaterials an der Form. Auch eine maschinelle Bearbeitung ist möglich, um Kontur und Größe des festen Formteils passend zu machen.
Die erfindungsgemäßen Materialien sind in allen biologischen Flüssigkeiten, z. B. Speichel, Milchsäure, Ameisensäure usw., relativ unlöslich.
In Abhängigkeit von dem spezifischen Verhältnis der verwendeten Reaktionsmittel und den Reaktionsparametern können die erfindungsgemäßen Materialien eine Reihe kristalliner und amorpher Substanzen umfassen. Verschiedene Analysen haben gezeigt, daß feste Calciumphosphatmaterialien apatitische Calciumphosphate, Pyrophosphate, Metaphosphate und Orthophosphate einschließen.
Für bestimmte Anwendungen bieten nichtporöse Calciumphosphatmaterialien beträchtliche Vorteile im Vergleich zu anderen, verdichteten Calciumphosphatmaterialien, z. B. gesintertem Hydroxyapatit. Es bieten sich folgende Vorteile. Das nach dem Verfahren der Anmelder hergestellte, nichtporöse Produkt ist wesentlich stärker und härter als poröse, gesinterte Apatitmaterialien. Es ist daher ein bevorzugtes Material für alle Anwendungen, die hohen Beiastungen ausgesetzt sind, z. B. für die Wiederherstellung der Hartsubstanz von Knochen oder Zähnen. Außerdem ergibt sich aus dem niedrigeren Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bei nichtporösen Materialien, daß das nichtporöse Produkt beständiger gegen die verschiedensten Flüssigkeiten oder Lösemittel als poröse, gesinterte Materialien ist. Hinzu kommt, daß durch die mögliche Beeinflussung der Porosität des Produktes, selbst wenn dies nur in bestimmten Bereichen geschieht, ein Material hergestellt werden kann, das zum Teil nichtporös, zum Teil porös sein kann. Dieser Vorteil kann für den Wiederaufbau von Knochen, chirurgische Implantate und biokeramische Materialien bedeutend sein.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand der Beispiele näher erläutert.

Beispiele

Beispiel 1

Von einer 85%igen Orthophosphorsäure (H&sub3;PO&sub4;) werden 7 Gewichtsteile zu 4 Gewichtsteilen Calciummetall - Drehspänen in einem Hochtemperaturtiegel gegeben. Das Gemisch reagiert exotherm bei Raumtemperatur. Man erhält einen weißen, amorphen Niederschlag. Durch die Flamme eines Gasbrenners, die man an den Hochtemperaturtiegel hält, wird der Niederschlag allmählich erwärmt. Mit zunehmender Wärme nimmt die Viskosität des weißen Niederschlags ab, und er beginnt bei ca. 100ºC zu sieden. Bei weiterer Wärmezufuhr wird der siedende Niederschlag klarer und viskoser. Er hört auf zu sieden, wenn die Temperatur ca. 450ºC erreicht.
Es wird weiter erhitzt bis die Temperatur stetig auf etwa 1000ºC angestiegen ist. Der klare Niederschlag beginnt sich nun zu zersetzen und bildet ein weißes, amorphes Material, das bei dieser Temperatur auf ein Molybdänblech getropft wird, auf dem es zu kleinen, harten, weißen Perlen abkühlt.
Die quantitative chemische Analyse der Perlen zeigt, daß sie 0,02 Gew.-% Wasserstoff, 25,10 Gew.-% Calcium und 27,83 Gew.-% Phosphor enthalten.
Das feste, weiße Produkt wurde mit einem Infrarot - Gitterspektrometer (Perkin Elmer 467) und einem wassergekühlten Röntgenbeugungsgerät (Phillips Electronic Instruments) untersucht. Als chemische Zusammensetzung wurde ein Gemisch von Calciumphosphaten gefunden.
Die Härte des Materials entsprach der von natürlichem Zahnschmelz.

Beispiel 2

Von einem Hydroxyapatitpulver ("Calciumphosphat, dreibasisch, Ca&sub1;&sub0;(PO&sub4;)&sub6;(OH)&sub2;, p.a.", Verkaufsprodukt von Mallinkrodt) wurden 10 g sorgfältig mit 34 g einer 85%igen Orthophosphorsäure gemischt. Die Reaktionskomponenten reagierten exotherm und bildeten eine sehr viskose, weiße Paste.
Das Gemisch wurde dann in einem Elektroofen mit einem Hochtemperaturtiegel als Reaktionsgefäß erhitzt. Die Reaktionstemperatur wurde über einen Zeitraum von sieben Stunden auf maximal 1150ºC gehalten. Das erhitzte Material wurde dann aus dem Ofen genommen und an der Luft schnell auf Raumtemperatur gekühlt. Das weiße, nichtporöse Produkt hatte eine Härte von ca. 5,2 (Mohl Skala) und ein spezifisches Gewicht von ca. 3,0.

Beispiel 3

Von einem Hydroxyapatitpulver (Mallinkrodt) wurden 10 a mit 8,5 g einer 85%igen Orthophosphorsäure gemischt. Die Materialien reagierten exotherm zu einem weißen Pulver. Das Pulver wurde anschließend vier Stunden in einem Elektroofen auf 900ºC erhitzt. Das so erhaltene weiße Pulver wurde dann zur besseren Lagerung fein gemahlen und längere Zeit auf einem Regal gelagert. Die chemische und physikalische Zusammensetzung des Produktes änderte sich nicht. Der Gewichtsverlust vom Ausgangsgemisch zum Pulver betrug ca. 20 Gew.-%.

Beispiel 4

Das gemäß Beispiel 3 hergestellte, gelagerte Pulver wurde in ein Hochtemperaturgefäß gefüllt, dessen Inneres die Form eines Zahnimplantats hatte. Das Pulver wurde in einem Elektroofen auf 1100ºC erhitzt. Man ließ es 1,5 Stunden reagieren. Das Produkt wurde aus dem Ofen genommen und an der Luft auf Raumtemperatur gekühlt. Das so erhaltene Material war ein harter, nichtporöser, weißer Feststoff. Der Gewichtsverlust vom gelagerten Ausgangspulver, hergestellt wie im Beispiel 3 beschrieben, zum festen Endprodukt betrug 0 - 20 Gew.-%.

Beispiel 5

Das gemäß Beispiel 3 hergestellte, gelagerte Pulver wurde in eine Hochtemperaturform gefüllt, die die Form eines Rattenschienbeins hatte. Das Pulver wurde 1,5 Stunden auf 1100ºC erhitzt, aus dem Ofen genommen und auf Raumtemperatur gekühlt. Das erhaltene Produkt war ein harter, weißer, nichtporöser Feststoff in Form eines Rattenschienbeins.

Beispiel 6

Das gemäß Beispiel 3 hergestellte, gelagerte Pulver wurde in eine Hochtemperaturform gefüllt, die die Form einer menschlichen Schädeldecke hatte. Auf der Innenseite der Form wurde vor Einfüllen des Pulvers eine Schicht Hydroxyapatitpulver (Mallinkrodt) aufgetragen. Das Material wurde 1,5 Stunden auf 1010ºC erhitzt (knapp oberhalb der Temperatur, bei der das Gemisch schmilzt), aus dem Ofen genommen und auf Raumtemperatur gekühlt. Das erhaltene Produkt war ein harter, weißer, nichtporöser Feststoff, der die Form einer menschlichen Schädeldecke hatte. Fest gebunden an die Unterseite der Schädeldecke war eine Schicht Hydroxyapatit. Hydroxyapatit fördert bekanntermaßen den Wiederaufbau und das Wachstum von Knochen. Durch geringe maschinelle Bearbeitung wurden Form und Größe der künstlichen Schädeldecke vervollkommnet.

Beispiel 7

Das gemäß Beispiel 3 hergestellte, gelagerte Pulver wurde in ein Hochtemperaturgefäß gefüllt. Das Material wurde 1,5 Stunden auf 1100ºC erhitzt. Anschließend wurde eine dritte Substanz, Hydroxyapatitpulver von Mallinkrodt, der Schmelze zugegeben. Nach Zugabe des Pulvers wurde das Produktgemisch aus dem Ofen genommen und auf Raumtemperatur gekühlt. Das erhaltene Produkt war ein harter, nichtporöser, weißer Feststoff, dessen Oberflächenzusammensetzung bei der Analyse einen hohen Anteil an apatitischem Calciumphosphat aufwies.

Beispiel 8

1 Gewichtsteil Hydroxyapatitpulver wurde mit 2 Gewichtsteilen einer 85%igen Orthophosphorsäure gemischt. Die Mischung reagierte exotherm. Nach Abkühlung erhielt man eine dünne Paste. Diese Paste wurde in einen hohlen Zahn gefüllt und mit Laser bestrahlt (mehrere Impulse von 1-10 Mikrosekunden, 5 Megawatt, 0,5 cm Durchmesser von einem Kohlendioxid-Impulslaser Lumonica 201''). Die Paste siedete schnell. Die Zahnstruktur zeigte zum Schluß, daß eine kleine Menge der Paste fest mit dem Zahnschmelz verbunden war und sich eine harte, weiße Oberfläche gebildet hatte. Der Vorgang wurde mit Impulsen von 10-500 Mikrosekunden bei 45 Watt wiederholt. Die Paste siedete weniger stark, und ein großer Teil verband sich fest mit dem Zahnschmelz. Die Oberfläche war hart, glänzend und weiß.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines nicht-apatitischen Feststoffmaterials, das Calcium und Phosphat enthält, mit den Verfahrensschritten:

a) Bildung eines Reaktionsgemischs von Calciumionen und Phosphationen in konzentrierter Phosphorsäure (ausgenommen 100% ige Phosphorsäure), wobei das Gemisch ein Calcium/Phosphor-Molverhältnis von etwa 0,1 bis etwa 1,34 hat;

b) Erhitzen des Gemischs zur Schmelze auf über etwa 750ºC, bei welchem die Ionen reagieren; und

c) Abkühlen des Reaktionsgemischs auf Raumtemperatur und hierbei Ausbilden eines nicht-apatitischen Calciumphosphat- Feststoffmaterials.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin (a) die Calciumionen durch einen Ausgangsstoff bereitgestellt werden, der Calciumionen liefert, oder eine Kombination solcher Ausgangsstoffe, ausgewählt aus der Gruppe von apatitischen Calciumphosphaten, nicht-apatitischen Calciumphosphaten, Calciumhydroxyd, Calciumoxyd, Calciumkarbonat, Calciumsalze, Calciumhalogenide und Calciummetall; oder (b) die Phosphationen durch einen Ausgangsstoff bereitgestellt werden, der Phosphationen liefert, oder eine Kombination von solchen Ausgangsstoffen ausgewählt aus der Gruppe von Orthophosphorsäure, Pyrophosphorsäuren, kondensierten Phosphaten, Phosphaten von nichtmetallischen Kationen und Metallphosphaten.

3. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin mit dem Verfahrensschritt des Zumischens von apatitischen Calciumphosphaten oder Metallionen zum Gemisch von Calcium- und Phosphationen und zwar entweder vor oder während des Schmelzerhitzens.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Ausgangsstoff zur Bereitstellung von Calcium- und Phosphationen Hydroxyapatit ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, worin das Calcium/Phosphor-Molverhältnis von 0,5 bis 1,34 beträgt und der Schritt c) bei einer Temperatur von über 850ºC durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, zur Herstellung eines geformten porösen Calciumphosphat-Materials, das weiterhin den Verfahrensschritt umfaßt, das Gemisch vor dem Erhitzungsschritt in eine Form gewünschter Gestalt zu geben.

7. Verfahren nach Anspruch 4, worin das Calcium/Phosphor-Molverhältnis von 0,1 bis 0,5 beträgt und Verfahrensschritt c) bei etwa über 750ºC durchgeführt wird, zum Beispiel bei etwa 900 bis 1100ºC, wobei das Reaktionsprodukt ein im wesentlichen nicht-poröses Calciumphosphat-Feststoffmaterial ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, zur Herstellung eines geformten im wesentlichen nicht porösen Calciumphosphat-Materials, das weiterhin den Verfahrensschritt umfaßt, das Gemisch vor dem Erhitzungsschritt in eine Form gewünschter Gestalt zu geben.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 5 und 7, worin das Gemisch in einem elektrischen Ofen erhitzt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 5 und 7, worin das Gemisch mittels Laser-Anregung, Mikrowellenbestrahlung oder Radiofrequenz-Bestrahlung erhitzt wird.

11. Eine künstliche Zahnkrone, enthaltend oder bestehend aus einem kronenförmigen Stück des nicht apatitischen im wesentlichen nicht porösen Calciumphosphat- Feststoffmaterials, hergestellt nach dem Verfahren des Anspruchs 4, wobei das Material mittels Laser- Anregung, Mikrowellenbestrahlung oder Radiofrequenzbestrahlung erhitzt worden ist.

12. Ein Zahn-Wiederherstellungs- oder chirurgisches Implantat enthaltend oder bestehend aus einem Calciumphosphat-Material, hergestellt nach dem Verfahren von Anspruch 4, 5 oder Anspruch 7.

13. Verfahren nach Anspruch 7 zur Herstellung eines Zahn-Ersatzes, weiterhin umfassend den Verfahrensschritt der Einbringung des Gemischs in einen Zahndefekt vor der Erhitzung, und wobei zum Beispiel das Gemisch mittels Laser-Erregung erhitzt wird.

14. Ein Produkt, bestehend aus

a) einem nicht-apatitischen Calciumphosphat- Feststoffmaterial, hergestellt nach dem Verfahren von Anspruch 4; oder

b) ein poröses Calciumphosphat-Material hergestellt durch das Verfahren nach Anspruch 5; oder

c) ein nicht-apatitisches, im wesentlichen nicht poröses Calciumphosphat-Feststoffmaterial hergestellt nach Verfahren des Anspruchs 7.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 5 und 7, weiterhin gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt des Vorerhitzens des Reaktionsgemischs auf eine Temperatur unterhalb der Reaktionstemperatur und Aufrechterhaltung der Temperatur unterhalb der Reaktionstemperatur zur Entfernung eines wesentlichen Anteils Wasser und anderer unerwünschter Materialien.