DE3790560C2

DE3790560C2 - Osteosynthetischer Nagel

Info

Publication number: DE3790560C2
Application number: DE3790560A
Authority: DE
Inventors: Yoshito Ikada; Hyu Hyon Suong; Yoshihiko Shimizu; Satoshi Watanabe; Tatsuo Nakamura; Masakazu Suzuki; Takeshi Shimamoto
Original assignee: Gunze Ltd
Current assignee: Gunze Ltd
Priority date: 1986-09-11
Filing date: 1987-09-11
Publication date: 1996-11-07
Anticipated expiration: 2007-09-12
Also published as: DE3790560T1; JPS6368155A; WO1988001849A1; JPH0363901B2; US4898186A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Knochen- Fixierungsnägel für die Verwendung in der Chirurgie und insbesondere zur Verwendung bei Rippen- und Knochenbrüchen und dgl. für die Fixierung und Heilung der Knochen.

Metall- oder aluminiumkeramische osteosynthetische Nägel wurden früher bei der klinischen Behandlung von Knochenfrakturen verwendet, wobei die Nägel in die Markhöhle des gebrochenen oder angebrochenen Knochens eingesetzt und die Knochen damit fixiert wurden.

Diese osteosynthetischen Nägel haben jedoch Nachteile, da sie eine zu geringe Elastizität und keine stoßdämpfenden Eigenschaften relativ zur Bewegung des fixierten Knochenbereichs haben, wodurch Entzündungen hervorgerufen und die Osteogenese verzögert wird. Außerdem besitzen sie eine schlechte Affinität für den menschlichen Körper, sind nicht absorbierbar durch den menschlichen Körper und verbleiben folglich im Körper, nachdem der Bruch schon ausgeheilt ist und verursachen dann unter Umständen eine Verseuchung mit Bakterien oder Entzündungen.

Aus der japanischen Patentschrift JP 48-42439 B1 ist ein osteosynthetischer Nagel bekannt geworden, der aus zwei Teilen besteht, einem inneren Teil, welcher bevorzugt ein Elastizitätsmodul zwischen 10,000 und 30,000 kN aufweist und einem äußeren Teil, welcher bevorzugt ein Elastizitätsmodul von 1000 bis 4000 kN hat. Materialien für den inneren Teil sind Metallegierungen, wie z. B. Kobalt-Chrom- Legierungen. Beispiele für Materialien zur Ausbildung des äußeren Teils sind polykristallines Graphit, Kohlefaser, thermoplastisches Harz usw.

Aus der japanischen Veröffentlichung JP 61-193666 A ist ein Verbundmaterial zum Reparieren von hartem Zellgewebe bekannt, das aus 25 bis 75 Gewichts-% von ungesintertem Hydroxyapatit, ungesintertem Kalziumphosphat, ungesintertem Kalziumpyrophosphat oder einer Mischung dieser Substanzen und 25 bis 75 Gewichts-% eines biologisch absorbierbaren Polymer besteht.

Die japanische Veröffentlichung JP 61-135671 A lehrt ein einpflanzbares Material, welches aus 10 bis 90 Gewichts-% Glasfiber, aus Kalziumphosphat und einem organischen Polymer besteht, welches die Affinität in Vivo dieser Glasfaser nicht hemmt.

Die japanische Veröffentlichung JP 61-41466 A lehrt ein Material zum Reparieren von harter Zellsubstanz, welches aus einem Pulver von Kalziumphosphat besteht, das nachfolgend gesintert und gepreßt wird, um dessen Dichte zu erhöhen, einem Polymer mit einer Carboxyl-Gruppe und Wasser.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen osteosynthetischen Nagel zu schaffen, der eine ausreichende Elastizität und eine hohe Affinität für den menschlichen Körper besitzt, welcher zudem nach der Operation für den menschlichen Körper absorbierbar und in der Regeneration und Ausheilung des Knochens mit diesem verträglich ist, ohne Entzündungen im fixierten Bereich zu verursachen, und ferner, ohne Bedenken zu haben, daß der Nagel in der Folge permanent im Körper verbleibt.

Der Erfindung liegt noch eine andere Aufgabe zugrunde, nämlich einen osteosynthetischen Nagel zu schaffen, der einen die Knochenbildung fördernden Effekt auf die fixierten Knochen ausübt.

Zur Lösung der zugrundeliegenden Aufgaben ist der osteosynthetische Nagel der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Na gel im wesentlichen aus einer Poly-L-Hydroxypropionsäure mit einem Molekulargewicht von mindestens etwa 70,000 besteht.

Es wurden Untersuchungen mit verschiedenen für den menschlichen Kör per verträglichen und von diesem absorbierbaren hochmolekularen Sub stanzen durchgeführt, um zu erforschen, inwieweit diese Substanzen für osteosynthetische Nägel verwendbar sind. Viele der untersuchten hochmolekularen Substanzen hatten nicht die für osteosynthetische Nä gel erforderliche Elastizität, hatten eine zu geringe Anfangsfestig keit, oder versagten, über den Regenerationszeitraum (üblicherweise etwa zwei Monate), die erforderliche Festigkeit beizubehalten, und waren demzufolge für die Verwendung als osteosynthetische Nägel un geeignet. Dennoch wurde entdeckt, daß von den Homopolymerisaten der L-Hydroxypropionsäure nur die Poly-L-Hydropropionsäure mit einem Mo lekulargewicht von mindestens 70,000 in der Anfangsfestigkeit weit gehend den Forderungen entspricht, die erforderliche Festigkeit wäh rend der Knochen-Regenerationszeit beibehält, die Regeneration und Heilung der Knochen effektiv unterstützt, und daher für osteosynthe tische Nägel weitestgehend geeignet ist. Darüberhinaus besitzt die se Poly-L-Hydroxypropionsäure die für diese Zwecke geeignete Elasti zität, erfüllt folglich eine stoßdämpfende Funktion relativ zur Be wegung des fixierten Knochenbereichs, und es ist unwahrscheinlich, daß damit Entzündungen hervorgerufen werden, oder eine Regeneration der Knochen durch stimulierende Knochen verzögert wird. Die Poly-L- Hydroxypropionsäure besitzt ferner eine ausgezeichnete Affinität für das intramedulläre Gewebe, wenn sie in die Markhöhle eingesetzt ist, und wird darin durch Hydrolyse vom menschlichen Körper graduell ab sorbiert, so daß die Säure frei irgendwelcher Bedenken, wie sie bei metall- oder aluminiumkeramischen Material durch permanent im mensch lichen Körper verbleibende Säurereste bestehen, verwendbar ist.

Obwohl die in der vorliegenden Erfindung verwendete Poly-L-Hydroxy propionsäure an sich bekannt ist, wurde bislang nichts über die Ver wendung dieser Säure für osteosynthetische Nägel berichtet. Homepo lymerisate der L-Hydroxypropionsäure mit einem Molekulargewicht von weniger als ca. 70,000 sind in ihren für osteosynthetische Nägel be nötigten Eigenschaften unbefriedigend, d. h. in ihrer Anfangsfestig keit und der Festigkeits-Remanenz während der Knochen-Regenerations zeit, und deshalb für die Nägel nicht verwendbar. Die in der vorlie genden Erfindung als geeignet befundene Poly-L-Hydroxypropionsäure hat zumindest ca. 70,000, vorzugsweise mindestens etwa 100,000, und in einer besonders bevorzugten Anwendungsform 150,000 an Molekular gewicht. Die bevorzugte Grenze des Molekulargewichts, obwohl nicht im be sonderen festgelegt, liegt, abhängig von anderen Faktoren, wie Form barkeit etc., generell bei etwa 150,000.

Das Molekulargewicht der hierin erwähnten Poly-L-Hydroxypropionsäu re wird ermittelt durch Auflösen der Säure in Chloroform bis zu ei ner Konzentration von 0.2 g/dl, anschließende Verdünnung der Lösung zur Bestimmung der Grundviskosität [π], und Errechnen des Viskosi täts-Durchschnitts-Molekulargewichts nach der folgenden Gleichung.

[π] = KM^α
K = 5.45 × 10^-4
α = 0.73.

Um dem osteosynthetischen Nagel eine gesteigerte Affinität für den menschlichen Körper zu geben, und dem Nagel einen die Knochen-Rege neration fördernden Effekt zu verleihen, wenn Knochen fixiert wer den, ist anzustreben, die Poly-L-Hydroxypropionsäure mit einer Bei mischung von Hydroxyapatit (nachfolgend mit "HAP" bezeichnet) einzu setzen. HAP ist eine bekannte Substanz in Form eines anorganischen Kristalls, dargestellt durch die Formel Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Gemäß der Erfindung kommt HAP in Form von Partikeln zum Einsatz, vorzugsweise in einer Größe von 1 µm bis 100 µm im Durchmesser, gleichför mig verteilt in der Poly-L-Hydroxypropionsäure, üblicherweise in ei ner Menge von 1 bis 15 Gewichts-%, vorzugsweise von 5 bis 10 Gewichts-%, basierend auf der Poly-L-Hydroxypropionsäure. Das HAP kann auf jede beliebige Verfahrensweise mit der Hydroxypropionsäure vermischt werden, zum Beispiel durch Vermischen der zwei Materialien in Pulverform, oder gleichmäßiges Vermischen des HAP in einer Lösung des Hydroxypropionsäure-Polymerisats und anschließendes Evaporieren des Lösungsmittels aus der Mischung. Um ferner die Förderung der Re generation des Knochens als auch eine verbesserte Festigkeit sicher zustellen, können Kalziumphosphat-Fasern aus dem HAP dieser Poly-L- Hydroxypropionsäure zur Vorbereitung des Nagels der Erfindung beige mischt werden.

Der Nagel vorliegender Erfindung kann in jeder gewünschten Form aus geführt werden, zum Beispiel in Form einer Platte, polygonaler Prismen (vierkantig, fünfkantig, sechskantig oder achtkantig), in Form mas siver Zylinder oder dgl. Zum Beispiel kann der Nagel in Form einer Platte oder eines polygonalen Prismas mit einer Dicke von 2 bis 7 mm, einer Breite von 2 bis 7 mm, und einer Länge von 20 bis 50 mm, oder in Form eines Zylinderkörpers mit einem Durch messer von 3 bis 7 mm und einer Lange von 20 bis 50 mm ausgeführt sein.

Unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen, die einige bevor zugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen, zeigt

Fig. 1 perspektivisch einen osteosynthetischen Nagel in Form einer Platte, und

Fig. 2 perspektivisch einen osteosynthetischen Nagel in Form eines Zylinderkörpers.

Gemäß dieser Zeichnungen hat der Nagel 1 der vorliegenden Erfindung entgegengesetzt verjüngt auslaufende Enden 2, was zu bevorzugen ist, um das Einsetzen in die Markhöhle des Knochens zu erleichtern. Mit der Bezugsziffer 3 in Fig. 1 ist eine Bohrung gekennzeichnet, wel sich axial durch den Nagel erstreckt und die, falls für erforder lich befunden, eingeformt wird. Wenn eine solche Bohrung vorgesehen ist, wird damit ein verbesserter Abbindungseffekt erzielt, ohne das Anwachsen der Myelozyten zu hemmen.

Der osteosynthetische Nagel vorliegender Erfindung wird durch Form gebung der Poly-L-Hydroxypropionsäure oder einer Mischung der Säu re mit HAP hergestellt. Die Poly-L-Hydroxypropionsäure besitzt ei ne ausgezeichnete Formbarkeit bei einer relativ niedrigen Tempera tur, so daß die osteosynthetischen Nägel gemäß der Erfindung in je der gewünschten Form sehr einfach hergestellt werden können.

Der Nagel wird zum Beispiel bei einer erhöhten Temperatur von nicht weniger als der Schmelzpunkt-Temperatur der Poly-L-Hydroxypropionsäu re unter Verwendung einer Heißpresse geformt, oder durch Extrudie ren des Materials aus einer Düse mit einem entsprechendem Mündungs durchmesser bei einer Temperatur von nicht weniger als der Schmelzpunkt-Temperatur durch Ziehen des Preßlings axial dazu herge stellt und, falls erforderlich, das geformte Produkt dann an den En den auslaufend verjüngt. Das Formziehen ergibt für das Produkt eine verbesserte Elastizität und Festigkeit. Der Preßling wird bei einer erhöhten Temperatur von 70 bis 120°C gezogen, vorzugswei se 2 bis 10 Mal axial.

Der osteosynthetische Nagel dieser Erfindung wird in die Markhöhle eines angebrochenen oder gebrochenen Knochens zum Fixieren und Hei len des Knochens eingesetzt. Der Nagel ist für die Heilung gebro chener oder angebrochener Rippen als auch für die Fixierung und die Heilung gebrochener oder angebrochener Knochen in den verschiedenen Körperteilen vorteilhaft einsetzbar.

Die Merkmale vorliegender Erfindung werden nun nachfolgend anhand der folgenden Beispiele der Erfindung verdeutlicht.

Beispiele Beispiel 1

Ein Pulver der Poly-L-Hydroxypropionsäure, ca. 123,000 in Molekular gewicht, wird in einer Heißpresse bei 200°C für 5 Minuten frei jeg lichen Druck untergebracht, um die Hydroxypropionsäure zu schmelzen, diese Schmelze wird dann, bei gleicher Temperatur, für 5 Minuten un ter einem Druck von 196.2 bar gehalten und nachfolgend schnell ab gekühlt, womit eine 3 mm dicke Platte aus Poly-L-Hydroxypropionsäu re hergestellt ist. Die eine Rippe fixierenden Nägel haben eine in der Fig. 1 gezeigte Form, mit einer Breite von 6 mm und einer Länge von 40 mm sind sie von der Platte abgeschnitten.

Diese für die Fixierung einer Rippe vorgesehenen Nägel werden in ei nem Phosphatpuffer getaucht, der 0.9 Gewichts-% Natriumchlorid bei 37°C für einen Hydrolyse-Test enthält, um damit das Verhältnis zwi schen Tauchdauer und Gewicht, Biegungsfestigkeit oder Elastizitäts modul zu bestimmen. Die Tafel 1 zeigt die Resultate.

Tafel 1

Die Biegefestigkeit und der Elastizitäts-Modul wurden nach JIS K7203 gemessen. Die Gewichts-Remanenz, Biegefestigkeits-Remanenz, und die Elastizitätsmodul-Remanenz ist jeweils ausgedrückt in Prozent zu den jeweiligen Ausgangswerten.

Beispiel 2

Die Poly-L-Hydroxypropionsäure, ca. 72,000 in Molekulargewicht, wur de in Methylendichlorid aufgelöst, 5 Gewichts-% Hydroxyapatit (Ge wichtsanteile der Hauptkomponenten: -55.8% CaO, 42.3% P2O5 und 0.3% MgO; Partikelgröße bis zu 0.088 mm) wurden der Lösung zugesetzt. Die Mischung wurde gerührt, und das Lösungsmittel aus der Mischung ent fernt, womit ein homogenes, Hydroxyapatit enthaltendes Material zur Verfügung stand. Das Material wurde durch eine Heißpresse zu einer Platte geformt, und die Platte wurde dann zweimal durch heißes Wasser mit einer Temperatur von 80°C gezogen und zu osteosynthetischen Nä geln hergerichtet, die Nägel in Form eines Zylinderkörpers mit einem Durchmesser von 2 mm und einer Lange von 20 mm.

Die Nägel hatten eine Ausgangs-Biegefestigkeit von 158.9 N/mm², und behielten 80% ihrer Ausgangs-Festigkeit, nachdem sie in vitro getes tet wurden - in PBS getaucht für 2 Monate -.

Sieben ausgewachsene Hunde-Mischlinge (mit einem Gewicht von 7 bis 15 kg) wurden intramuskulär anästhesiert mit 10 mg/kg Ketaral und 0.1 mg/kg Rompun, und intrubiert mit einer Trachealkanüle mechani scher Ventilation einem Überdruck ausgesetzt, um die folgenden chi rurgischen Eingriffe unter Verwendung einiger der Nägel dieses Bei spiels, und osteosynthetischer rostfreier Stahlnägel zum Vergleich, vorzunehmen.

Die linke neunte, zehnte und elfte Rippe wurde abgetrennt, inklusi ve der Knochenhaut an dieser Stelle etwa 2 bis etwa 4 cm vom Kostal winkel. Der zylindrische Nagel wurde dann jeweils in die Markhöhle jeder einzelnen Rippe eingesetzt, um die Rippe an dieser Stelle zu verbinden. Die Rippe wurde dann mit einer Nr. 7 Seiden-Ligatur an ei ner körpernahen und einer körperfernen Stelle jeweils ca. 1.5 cm vom Schnitt- oder Trennende zusammengebunden, und die beiden Teile der Ligatur zur Fixierung des wieder verbundenen Rippenbereichs mitei nander verknüpft. Der fixierte Bereich wurde danach in zeitlichen Abständen bezüglich der Heilung durch Röntgen-Untersuchungen über prüft, und der fixierte Bereich nach 2 Wochen, 3 Wochen, 1 Monat, 2 Monaten oder 3 Monaten nach dem chirurgischen Eingriff en bloc ent nommen, um die Rippe hinsichtlich der Gewebe-Reaktion zu überprüfen und, um auch das Material hinsichtlich einer eventuellen Änderung zu überprüfen.

Daraus ergab sich, daß der osteosynthetische Nagel aus Poly-L-Hydro xypropionsäure eine hohe Affinität für den lebenden Körper aufweist, und der Knochen war einen Monat nach dem chirurgischen Eingriff wie der vollständig fixiert. Andererseits bewies der rostfreie Stahlna gel eine schlechte Affinität für die intramedullären Gewebe und wur de mit einer diesen umgebenden Bindegewebeschicht festgestellt. In dem Bereich, an dem der Nagel direkt in Kontakt mit dem Knochen war, wurde der Knochen dünn, was in einigen Fällen ermöglichte, daß der Nagel heraus- oder abglitt.

Beispiel 3

Zu 100 Gewichtsteilen eines Puders der Poly-L-Hydroxypropionsäure, etwa 72,000 in Molekulargewicht, wurden 5 Gewichtsteile des glei chen Hydroxyapatits wie in Beispiel 2 beigemischt, diese Mischung wurde vollständig durchgerührt, und danach von einer Düse mit ei ner einzelnen 3 mm Austrittöffnung als Stab bei einer Temperatur von 230°C unter Verwendung eines Einschrauben-Extruders extrudiert. Der extrudierte Stab aus Hydoxyapatit enthaltender Poly-L-Hydroxy propionsäure wurde zweimal in Luft bei etwa 80° axial gezogen, und danach in Stücke geschnitten, die eine Länge von 40 mm hatten. Je des dieser Stücke oder Abschnitte wurde zu den Enden hin verjüngt geformt, um damit einen Fixierungsnagel für eine Rippe nach Fig. 2 zu erlangen.

Die gemäß diesem Beispiel hergestellten osteosynthetischen Nägel hatten eine Festigkeit, wie sie in der nachfolgenden Tafel aufge führt ist, die auch die Festigkeit des extrudierten Stabes vor dem Ziehen zeigt.

Tafel 2

Einige der Fixierungsnägel für Rippen wurden einen Hydrolyse-Test ausgesetzt (nachfolgend als ein "in vitro test" bezeichnet) in ei nem Phosphatpuffer (PBS), enthaltend 0.9 Gewichts-% Natriumchlorid. Die Tafel 3 zeigt die Resultate.

Tafel 3

Abgetrennte Rippen von erwachsenen Hunden wurden jeweils mit einem Nagel wieder verbunden und danach bezüglich der Fixierung überprüft. Obwohl das abgetrennte Teil nach zwei Wochen und danach noch nicht vollständig fixiert war, wurde der Rippen-Fixierungsnagel als fest verbunden mit dem intramedullären Gewebe festgestellt, somit zufrie denstellend als osteosynthetischer Nagel dienend.

Zum Vergleich sei angeführt, 2 cm lange abgeschnittene Stücke des Kirschner-Drahtes wurden in der gleichen Weise wie vorhergehend in vivo getestet. Zwei Wochen nach dem Beginn des Tests wurde festge stellt, daß der Kirschner-Draht lose im Knochen liegt, ohne irgend wie sich mit dem intramedullären Gewebe verbunden zu haben, und war zudem frei beweglich innerhalb des Knochenmarks, wenn von außerhalb ein Druck ausgeübt wird, folglich auf das Gewebe stimulierend wir kend und daher ungeeignet als Fixierungs- oder Befestigungsnagel.

Claims

1. Osteosynthetischer Nagel, dadurch gekennzeichnet, daß der Nagel im wesentlichen aus einer Poly-L-Hydroxypropionsäure mit einem Molekulargewicht von mindestens 70,000 besteht.

2. Osteosynthetischer Nagel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Poly-L-Hydroxypropionsäure ein Molekulargewicht von mindestens 100,000 hat.

3. Osteosynthetischer Nagel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Poly-L-Hydroxypropionsäure eine obere Grenze des Molekulargewichts von mindestens 150,000 hat.

4. Osteosynthetischer Nagel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nagel der Poly-L-Hydroxypropionsäure beigemischt 1 bis 15 Gewichts-% Hydroxyapatit enthält.

5. Osteosynthetischer Nagel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nagel 5 bis 10 Gewichts-% Hydroxyapatit enthält.

6. Osteosynthetischer Nagel nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nagel in axialer Richtung gezogen ist.

7. Osteosynthetischer Nagel nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nagel eine Bohrung aufweist, die sich axial durch diesen erstreckt.