DE4009337A1 - Verfahren zur herstellung von osteointegrierenden oberflaechen auf skelettimplantaten sowie skelettimplantat - Google Patents

Verfahren zur herstellung von osteointegrierenden oberflaechen auf skelettimplantaten sowie skelettimplantat

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von osteointegrierenden Oberflächen auf Skelettimplantaten (Substraten) aus Metall oder Metallegierungen sowie Skelettimplantate mit einer osteointegrierenden Ober­ fläche sowie ein Skelettimplantat mit einer osteointe­ grierenden Oberfläche.
Neben einer hohen Festigkeit kommt es bei Skelettimplan­ taten wesentlich darauf an, daß sie mit dem sie umge­ benden biologischen Milieu verträglich sind. Es sind grundsätzlich seit langem Implantatwerkstoffe aus Metall oder Metallegierungen bekannt, die eine Oxidschicht aufweisen, die sich beispielsweise beim Einsatz des Implantats in das biologische Milieu in diesem mehr oder weniger zufällig selbst ausbildet. So sind beispiels­ weise bisher Skelettimplantate aus Titan unbeschichtet implantiert worden, wobei durch Reaktion im biologischen Milieu sich auf dem Titanwerkstoff eine Titandioxyd­ schicht mehr oder weniger zufällig ausgebildet hat. Man hat aber auch versucht, durch anodischen Auftrag Titan­ dioxydschichten auf den Titanimplantaten vor der Implan­ tierung auszubilden, wobei Titandioxydschichten mit einer Schichtdicke von ca. 4×10-7 bis 7×10-7 m aufgebracht wurden.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese zufällig sich aufbauenden Schichten nur unzureichend dünn, porenreich und beschädigungsanfällig sind. Dieses gilt gleicherma­ ßen für die anodisierten Titanoxydschichten. Ist eine Oxidschicht erst einmal verletzt, führt dieses zur Reibkorrosion und Bildungen von Titanverbindungen mit niedriger Oxidationsstufe im Körper, die in der Regel nekrotisch wirken.
Ein weiteres Problem bei den bekannten Skelettimplan­ taten besteht darin, daß das sich Skelettimplantat vielfach nicht auf gewünschte Weise mit dem Knochen, in den das Skelettimplantat eingesetzt wird, verbindet. Man hat zwar versucht, dieses Problem dadurch zu lösen, daß man das Implantat selbst in bezug auf seine Oberfläche porös ausbildete, um die Haft- bzw. Anwachsoberfläche des Implantats zu vergrößern, diese Maßnahme führte jedoch nicht in allen Fällen zu einem Erfolg und erwies sich in vielen Fällen auch nicht in bezug auf die gewünschte Verbindungsfestigkeit mit dem Knochen als ausreichend.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zu schaffen, mit dem Oxidschichten auf Skelettimplanta­ ten aufgebracht werden können, die einerseits besonders gute Integrationseigenschaften im biologischen Milieu aufweisen, die gleichmäßig aufbaubar und mechanisch widerstandsfähig sein sollen, und die andererseits sehr gute osteointegrierende Eigenschaften aufweisen, wobei das Verfahren verhältnismäßig leicht ausführbar sein soll, und daß ein Skelettimplantat geschaffen werden soll, daß die vorstehend aufgeführten Eigenschaften aufweist.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, daß zuerst eine Oxidschicht mittels eines Hochvakuum-Plasma-Beschichtungsverfahrens auf dem Substrat aufgebracht wird und nachfolgend darauf eine Calciumhydroxylapatidschicht aufgebracht wird.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt im wesentlichen darin, daß aufgrund des hohen Plasma-Me­ tallanteils und der hohen Ionenenergien der verdampfen­ den Metalle, das Sauerstoff gebunden oder ungebunden enthält, festhaftende und dichte Oberflächen erzeugt werden. Die Oberflächen sind zudem porenfrei, so daß es nicht zu den nachteiligen Korrosionswirkungen auf den Skelettimplantaten bekannter Art kommt. Das Calcium­ hydroxylapatid, das die zweite äußere Schicht auf dem Skelettimplantat bildet, ist auch Teil des Skelettes und des Zahnhartgewebes von Mensch und Säugetieren. Calcium­ hydroxylapatid hat somit die Eigenschaften, daß darin das Knochengewebe sehr gut einwachsen kann. Da das Calciumhydroxylapatid selbst in beschichteter Form mikroporös ist, wächst das Knochengewebe auch auf der darunterliegenden Oxidschicht an, d. h. durch die Calciumhydroxylapatidschicht hindurch. Es entstehen somit erfindungsgemäß osteointegrierende Oberflächen auf dem Substrat.
Als Beschichtungsverfahren zur Aufbringung der Oxid­ schicht wird vorteilhafterweise das Lichtbogenverdamp­ fungsverfahren verwendet. Bei diesem Verfahren handelt es sich um ein solches mit einem hohen Plasma-Metallan­ teil. Gleichermaßen vorteilhaft sind als Beschichtungs­ verfahren das Laserverdampfungsverfahren oder das sogenannte Wire-Explosion-Verfahren, die sich ebenfalls durch einen hohen Plasma-Metallanteil auszeichnen.
Vorteilhafterweise werden als Oxide die Oxide der Refraktärmetalle zur Herstellung der Oxidschicht ver­ wendet. Als Refraktärmetalle werden dabei vorzugsweise Titan, Zirkonium Hafnium, Niob, Tantal, Wolfram oder Molybden verwendet. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens sind die Oxidschichten aus multinären Refraktärmetalloxydsystemen aufgebaut, wobei beispielsweise multinäre Systeme wie Titan, Zirkonium­ oxyd die Oxidschicht bilden. Vorteilhafterweise kann aber auch für das multinäre System Titan-Nioboxyd benutzt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Calciumhydroxylapatidschicht durch Aufspritzen auf die Oxidschicht aufgebracht.
Es kann auch vorteilhaft sein, die Calciumhydroxylapa­ tidschicht durch Aufbrennen auf die Oxidschicht aufzu­ bringen.
Unabhängig von der Art des Aufbringens der Calciumhy­ droxylapatidschicht auf der darunterliegenden Oxid­ schicht wird die Oxidschicht in bezug auf ihren Aufbau so gewählt, daß eine chemische Haftung zum Apatid entsteht und daß ein gutes Anwachsverhalten der biolo­ gischen Struktur, in die das Skelettimplantat eingesetzt wird, gewährleistet ist. Zudem ist das Oxid sehr gut mit dem biologischen Milieu verträglich.
Das Skelettimplantat aus Metall oder einer Metallegie­ rung mit einer osteointegrierenden Oberfläche ist dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Skelettimplantat eine aus wenigstens zwei Schichten bestehende Beschich­ tung ausgebildet ist, wobei die unmittelbar auf dem Skelettimplantat ausgebildete erste Schicht eine Oxid­ schicht ist, und daß die außen ausgebildete zweite Schicht aus Calciumhydroxylapatid besteht.
Der Vorteil eines derartigen Skelettimplantats besteht darin, daß einerseits eine besonders gute Integrations­ eigenschaft im biologischen Milieu gegeben ist und andererseits eine osteorintegrierende Oberfläche auf dem Skelettimplantat geschaffen wird, die einen mechanisch nicht lösbaren, fest haftenden Verbund zwischen Knochen und Implantatoberfläche bildet. Die die erste Schicht bildende Oxidschicht wird vorteilhafterweise aus den Oxiden der Refraktärmetalle gebildet, die beispielsweise Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob, Tantal, Wolfram und Molybden sind.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach­ folgenden schematischen Zeichnungen anhand eines Aus­ führungsbeispieles beschrieben. Darin zeigen
Fig. 1 in der Seitenansicht ein Skelettimplantat zum Einsatz in einen Oberschenkelknochen des Menschen und
Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Oberfläche des in Fig. 1 dargestellten Skelettimplantats.
Das Skelettimplantat 10 kann beispielsweise auf der Basis von Titan bzw. Titanlegierungen, Kobalt-Brom- Molybdenlegierungen oder auch aus beliebigen anderen Metallen oder Metallverbindungen oder Legierungen bestehen. Bei der Ausführung des Verfahrens wird zu­ nächst eine erste Schicht 11 aus einem Oxid der Refrak­ tärmetalle gebildet, was beispielsweise mittels eines Hochvakuum-Plasma-Beschichtungsverfahren erfolgen kann. Auf diese erste Schicht 11 wird eine zweite Schicht 12 aufgebracht, die aus Calciumhydroxylapatid CA5 ((OH) (PO4)3) besteht. Apatid in Form dieses Calciumhydroxyl­ apatids ist ebenfalls natürlicher Bestandteil des Skelettes (Knochen, Zahnhartgewebe) von Mensch und Säugetieren.
Die erste Schicht 11 aus dem Oxid eines Refraktärmetal­ les und die zweite Schicht 12 aus Calciumhydroxylapatid bilden gemeinsam die äußere Beschichtung 13 des Skelett­ implantats 10. Die erste Schicht 11 kann aber auch aus einer multinären Oxidschicht aufgebaut werden. Diese Oxidschichten aus multinären Metalloxydsystemen können beispielsweise Titan-Zirkoniumoxyd bzw. Titan-Nioboxyd sein. D. h. mit anderen Worten, daß die erste Schicht 11 selbst wiederum aus verschiedenen geeigneten mehrlagigen Schichten bzw. Schichtsystemen bestehen kann.
Daß die zweite, äußere Schicht 12 bildende Calciumhy­ droxylapatid ist mikroporös, so daß das Knochengewebe, in das ein derart ausgebildetes Skelettimplantat 10 eingesetzt wird, sehr gut einwachsen kann. Das Knochen­ gewebe wächst zudem auch auf der darunterliegenden ersten Oxidschicht 11 an, und zwar aufgrund der mikro­ porösen zweiten Schicht 12.
Ein erheblicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und des Skelettimplantats 10, das gemäß dem Verfahren hergestellt sein kann, besteht darin, daß bei soge­ nannten kapselnden Metallen, die das Skelettimplantat bilden, beispielsweise CoCrMo-Guß, die Oberfläche che­ misch porendicht gegen das Gewebe abgedichtet ist, so daß eine hohe biologische Verträglichkeit erfindungsge­ mäß erreicht wird.
Bezugszeichenliste
10 Skelettimplantat
11 erste Schicht
12 zweite Schicht
13 Beschichtung

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von osteointegrierenden Oberflächen auf Skelettimplantaten (Substraten) aus Metall oder Metallegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst eine Oxidschicht mittels eines Hochvakuum- Plasma-Beschichtungsverfahrens auf dem Substrat aufge­ bracht wird und nachfolgend darauf eine Calciumhydroxyl­ apatidschicht aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxide der Oxide der Refraktärmetalle zur Her­ stellung der Oxidschicht dienen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Refraktärmetalle Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob, Tantal, Wolfram oder Molybden sind.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Calciumhydroxyl­ apatidschicht durch Aufspritzen auf die Oxidschicht aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Calciumhydroxyl­ apatidschicht durch Aufbrennen auf die Oxidschicht aufgebracht wird.
6. Skelettimplantant (Substrat) aus Metall oder einer Metallegierung mit einer osteointegrierenden Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Skelettimplantat (10) eine aus wenigstens zwei Schichten (11, 12) beste­ hende Beschichtung (13) ausgebildet ist, wobei die unmittelbar auf dem Skelettimplantat (10) ausgebildete erste Schicht (11) eine Oxidschicht und die außen ausgebildete zweite Schicht (12) aus Calciumhydroxyl­ apatid besteht.
7. Skelettimplantat nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die die erste Schicht (11) bildende Oxidschicht aus den Oxiden der Refraktärmetalle gebildet wird.
8. Skelettimplantat nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnnet, daß die Refraktärmetalle Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob, Tantal, Wolfram oder Molybden sind.
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