DE4029714A1 - Implantationsmaterial und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Implantationsmaterial, welches ein Polymer und/oder Copolymer sowie Füllerpartikel enthält. Derartige Implantationsmaterialien werden dazu verwendet, um Prothesenkomponenten im Knochen zu verankern und um den Kno­ chen zu versteifen, sowie als Dübel von Knochenschrauben bzw. als Implantate zur Verankerung von Schrauben, bei­ spielsweise bei Verbundosteosynthesen. Als Polymer werden dabei insbesondere polymere Acrylate, insbesondere Polyme­ thylacrylate verwendet.

Die vorstehenden Implantationsmaterialien sind als Knochen­ zemente bekannt und klinisch erprobt. Sie werden vom Körper nicht resorbiert, sind jedoch biologisch inert und werden in das Knochengerüst integriert. Knochenzemente auf Acrylatba­ sis haben sich als vorteilhafte Verankerungswerkstoffe für Prothesenkomponenten erwiesen. Der Nachteil derartiger Kno­ chenzemente kann jedoch darin bestehen, daß trotz verbesser­ ter Misch- und Applikationsmethoden die Materialfestigkeit und die Reproduzierbarkeit noch nicht verläßlich optimiert werden konnten. Die Knochenzemente können in ihrem klini­ schen Verlauf ermüden und zeigen eine zunehmende Zerrüttung, in deren Folge Knochenresorption und die nicht zu vermei­ dende Auslockerung des Implantates auftreten können.

Den genannten Implantationsmaterialien werden in der Regel Füllerpartikel zugesetzt, insbesondere um eine gewisse Poro­ sität zu schaffen, die durch Nachwachsen von Knochengewebe zu einem besseren Verbund zwischen Implantat und Knochen führen soll.

Aus der DE-A-29 05 878 ist bekannt, daß eines der Probleme von Füllerpartikel aufweisenden Knochenzementen, sogenannten Füllerzementen, darin besteht, daß die Poren der Füllerpar­ tikel Monomer aufsaugen und daß dieses Monomer dadurch nicht mehr für die Einbettung des Polymerpulvers zur Verfügung steht. In der DE-A-29 05 878 wird versucht, dieses Problem dadurch zu lösen, daß das Porenvolumen temporär verschlossen wird, um das Eindringen von Monomer zu verhindern. Aller­ dings sollen die Füllerpartikel dem Knochen möglichst frei zugänglich sein und können nicht völlig in den Knochenzement eingebettet sein, da sonst ihre freie Oberfläche dem Knochen nicht länger zugänglich wäre.

Neben den genannten Füllerpartikeln, die gemäß der DE-A- 29 05 878 vorzugsweise aus resorbierbarem Tricalciumphosphat bestehen, können beispielsweise auch Röntgenkontrastmittel und Antibiotika als Füllerpartikel im allgemeinen Sinne ver­ standen werden. Es wurde bereits nachgewiesen (Lee A.J.C., Ling R.S.M., Vangala, S.S., Arch. Orthop. Traumat. Surg. 92, 1-18, 1978), daß auch Röntgenkontrastmittel und Antibiotika zu einer deutlichen Schwächung der Materialfestigkeit des Knochenzements führen, welche zwischen 4% und 25% liegen kann. Es wurde ebenfalls bereits nachgewiesen, (Klaus Draenert, Forschung und Fortbildung in der Chirurgie des Be­ wegungsapparats 2, zur Praxis der Zementverankerung, Art und Science, München, Seite 39, 1988, ISDN 3-9 23 112-11-4), daß insbesondere die Röntgenkontrastmittel Fülldefekte zur se­ kundär polymerisierenden Matrix des Knochenzements erkennen lassen.

In einer Normalpackung Knochenzement mit 40 g Polymerpulver sind bis zu 6 g Röntgenkontrastmittel, üblicherweise in Form von Bariumsulfat oder Zirkondioxid zugesetzt, wobei auch Wismutverbindungen verwendbar sind. Aus der DE-A-29 05 878 ist auch bekannt, daß Hydroxylapatit in entsprechender Bei­ mengung einen ausreichenden Röntgenkontrast des Knochenze­ mentimplantates ergeben kann.

Neben der Schwächung der Materialfestigkeit des Knochenze­ ments weist der Zusatz von Röntgenkontrastmittel der Füller noch das Problem auf, daß die Beimengung dieser Füller und vor allem die Reproduzierbarkeit der Homogenität des Gemi­ sches nicht unerhebliche Probleme bei der industriellen Her­ stellung des Polymerpulvers verursachen kann. Es hat sich gezeigt, daß es trotz ausgefeilter Technik mit Kugelmühle und verschiedenen Rüttlern immer wieder vorkommt, daß ein­ zelne Packungen Knochenzement sogenannte Konglomerate von Röntgenkontrastmittel beinhalten, die zu einem Aufsaugen von Monomer führen mit der Folge, daß sich die Anrührbedingungen und die Viskosität dieser Knochenzementcharge von der der üblichen Knochenzemente gänzlich unterscheiden können. Auch wurde festgestellt, daß sich die Röntgenkontrastmittel, bei­ spielsweise das Zirkondioxid, verschiedener Hersteller unterscheiden, und daß insbesondere Bariumsulfat zu der ge­ nannten Konglomeratbildungen neigt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die vorste­ henden Nachteile zu vermeiden und ein Füllerpartikel aufwei­ sendes Implantationsmaterial bereitzustellen, bei dem die Füllerpartikel keine Schwächung der Materialfestigkeit des Implantationsmaterials und keine Fülldefekte hervorrufen. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Füllerpartikel homogen und reproduzierbar im Knochenzement zu verteilen. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde ein Verfahren zur Herstellung von Füllerpartikel enthaltendem Implantationsmaterial mit den genannten Vortei­ len bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch das Implantationsmaterial und das Verfahren gemäß der Erfindung gelöst. Die Erfindung geht da­ bei von dem Grundgedanken aus, daß die Polymerkomponente des Implantationsmaterials, die dafür sorgt, daß das selbst­ härtende Gemisch aus Monomer und Polymer innerhalb der nütz­ lichen und gewünschten zeitlichen Fristen aushärten kann, die Füllerpartikel in idealer Weise aufnehmen kann. Hierzu werden die Füllerpartikel während der Herstellung des Implantationsmaterials mit den Polymerpartikeln beschichtet oder in diese eingebettet. Auf diese Weise lassen sich die genannten Probleme beim Einbringen der Füllerpartikel in einfacher und eleganter Weise lösen.

In der vorliegenden Beschreibung wird der Begriff Polymer so verstanden, daß dabei auch Copolymere umfaßt werden. Vor­ zugsweise werden erfindungsgemäß Polymere auf der Basis eines Polyacrylats oder Polymethacrylats, Copolymere eines Acrylats und eines Methacrylats, Mischungen der genannten Polymere und Copolymere, Epoxidharz oder ein Polymer eines als Implantationsmaterial verwendbaren anderen Kunststoffes verwendet.

Die Füllerpartikel, beispielsweise Röntgenkontrastmittel, weisen vorzugsweise eine Größe von 5 bis 15 µm auf, die Po­ lymerkugeln der Pulverkomponente sind dagegen größer und weisen beispielsweise für den herkömmlichen Palacos R®-Zement eine Größenverteilung zwischen 1 und 140 µm mit einem Maximum der Größen zwischen 60 und 80 µm auf. Die Partikel sind in der Regel etwa kugelförmig und die vorstehenden Größenangaben beziehen sich in diesem Fall auf die Durchmes­ ser der Kugeln. Falls die Partikel nicht kugelförmig sind, ist unter den vorstehenden Größenangaben der mittlere Durch­ messer der Partikel zu verstehen. Die Füllerpartikel können eine Größe bis zu 250 µm und die Polymerpartikel eine Größe bis zu 300 µm aufweisen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die kleineren Füllerpartikel, beispielsweise Röntgenkontrastmittelparti­ kel, während der Herstellung der Polymerpartikel als Kri­ stallisationskeim eingebettet, und es können auf diese Weise die gesamten für eine Normalpackung Knochenzement erforder­ lichen 6 g Röntgenkontrastmittel in die Polymerkomponente aufgenommen werden, ohne daß zusätzliche Füllerpartikel frei dem Polymerpulver zugefügt werden müssen. Auf diese Weise kann vermieden werden, daß eine zusätzliche Porosität ent­ steht, die zur Aufnahme von Monomerflüssigkeit geeignet wäre. Es kann außerdem vermieden werden, daß an dem neu ge­ schaffenen Interface zwischen Röntgenkontrastmittel und Mo­ nomer Benetzungsdefekte und -spalte auftreten. Außerdem ist sichergestellt, daß das Röntgenkontrastmittel in dem weitaus stabileren Polymer der Pulverkomponente und nicht in der we­ niger widerstandsfähigen Matrix des zugesetzten auspolymeri­ sierenden Monomers eingebaut wird.

Durch die Einbettung der Partikel des Röntgenkontrastmittels in das Polymer wird das Röntgenkontrastmittel in seiner Funktion als röntgendichtes Material nicht beeinträchtigt. Als Röntgenkontrastmittel werden vorzugsweise CrO₂, BaSO₄, Bi₂O₃, Bi(OH)₃ und/oder flüssige oder feste jodhaltige Kontrastmittel verwendet.

Die Füllerpartikel können auch aktive Wirkstoffe enthalten. Es hat sich nämlich gezeigt, daß aktive Wirkstoffe, bei­ spielsweise Antibiotika, auf dem Diffusionswege freigesetzt werden, auch wenn sie zunächst in die Polymerpartikel einge­ bettet oder von diesen beschichtet sind. Deshalb können auch derartige Wirkstoffe, beispielsweise Antibiotika, zumindest zu ihrem größten Teil in die Polymerpulverkomponente aufge­ nommen werden. Als Antibiotika werden vorzugsweise Gentamy­ cin und/oder Clindamycin verwendet.

Auch andere Wirkstoffe die sukzessive auf dem Diffusions­ wege aus dem Polymer freigesetzt werden, sind als Füllkörper in das Polymer einbettungsfähig.

Als einbettungsfähige Füllerpartikel können beispielsweise auch Hydroxylapatit, Tricalciumphosphat oder eine andere Calciumphosphat- oder Calciumcarbonatverbindung, eine Alumi­ nium- oder Aluminiumoxidverbindung und/oder eine Silicium­ verbindung in die Polymerpartikel eingebettet werden. Es sind auch Kombinationen aller genannten Füllerpartikel mög­ lich.

Gemäß der DE-A-29 05 878 beträgt das Porenvolumen der Tri­ calciumphosphat-Füllerpartikel vorzugsweise weniger als 0,1 ml/g. Bei dem erfindungsgemäßen Implantationsmaterial können die Füllerpartikel eine hohe Porosität aufweisen, da sie in das Polymer eingebettet oder von diesem beschichtet sind. Vorzugsweise können die Füllerpartikel eine Porosität von 20 bis 80% aufweisen. Es können auch Füllerpartikel mit einer Porosität von mindestens 50% verwendet werden. Andererseits ist es auch möglich, dichte Füllerpartikel mit einem Poren­ volumen von nahezu 0, die lediglich eine Mikroporosität auf­ weisen, in das erfindungsgemäße Implantationsmaterial einzu­ bringen.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Implantationsmaterials sind alle Verfahren geeignet, mit denen sich die Füllerpar­ tikel zumindest teilweise mit dem Polymer beschichten oder in dieses einbetten lassen. Hierfür sind verschiedene an sich bekannte und geläufige Verfahren geeignet. Beispiels­ weise kann die Beschichtung dadurch erfolgen, daß das Poly­ mer zusammen mit den Füllerpartikeln im Sprühverfahren in einer Fällungslösung ausgeformt wird. Die Beschichtung oder Einbettung der Füllerpartikel in das Polymer kann auch durch Ausfällung, durch elektrostatische Beschichtung, durch Be­ schichtung im Tauchverfahren oder durch Beschichtung im Pel­ letierverfahren oder andere bekannte Verfahren erfolgen.

Die erfindungsgemäßen Implantationsmaterialien lassen sich in hervorragender Weise zur Verankerung von Prothesenkompo­ nenten im Knochen und zur Versteifung von Knochen verwenden. Das erfindungsgemäße Implantationsmaterial kann ferner auch als Dübel von Knochenschrauben bzw. als Implantat zur Veran­ kerung von Schrauben, beispielsweise bei der Verbundosteo­ synthese, verwendet werden.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Implantationsmaterials liegt darin, daß keine negative Beeinflussung des Anmisch­ verhaltens bei der Verwendung des Implantationsmaterials beispielsweise als Knochenzement mehr auftreten kann, womit die Reproduzierbarkeit gleichartiger Chargen erheblich ver­ bessert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist darin zu se­ hen, daß eine wesentlich gleichmäßigere Wirkstoff-Freiset­ zung in wesentlich höheren Konzentrationen erfolgen kann. Letztlich liegt ein Vorteil auch darin, daß der geringe Mo­ nomerverbrauch die Temperaturentwicklung während der Aushär­ tung verringert, die mechanische Stabilität des Materials drastisch erhöht, und der Röntgenkontrast sehr viel gleich­ mäßiger verteilt wird.

Beispiel 1

1000 g eines Polymethylmethacrylat-Granulates werden zusam­ men mit 150 g als Röntgenkontrastmittel dienendem Zirkondi­ oxid geschmolzen, und die Schmelze wird anschließend über eine Düse in ein Fällungsbad ausgepreßt. Dabei werden Poly­ merkugeln erzeugt, in die das Zirkondioxid eingebettet ist. Die erzeugten Polymerkugeln werden anschließend über ver­ schiedene Siebe gesiebt und getrocknet und schließlich in einer Auswahl zwischen 1 und 140 µm gesammelt, abgefüllt, mit Benzoylperoxid versetzt und fertig abgepackt.

Beispiel 2

1000 g eines Polymethylmethacrylat-Granulates werden durch Hitze verflüssigt und getrennt mit 150 g Zirkondioxid in einer Zerstäubungsanlage in ein Fällungsbad ausgepreßt. Da­ bei werden die Zirkondioxidpartikel mit Polymethylmeth­ acrylat beschichtet, und die das Zirkondioxid enthaltenden Polymethylmethacrylat-Kugeln sammeln sich in dem Fällungsbad und werden in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise ausge­ siebt und unter Zusatz von Benzylperoxid abgepackt.

Claims (18)

1. Implantationsmaterial, welches ein Polymer und/oder Co­ polymer sowie Füllerpartikel enthält, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Polymer- und/oder Copolymermaterial die Füllerpartikel zumindest teilweise umschließt.

2. Implantationsmaterial nach Anspruch 1, wobei das Implan­ tationsmaterial ein Polymer auf der Basis eines Poly­ acrylates oder Polymethacrylates, ein Copolymer eines Acrylates und eines Methacrylates, ein Epoxidharz und/oder ein Polymer eines als Implantationsmaterial verwendbaren Kunststoffes enthält.

3. Implantationsmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Partikel des Polymer- und/oder Copolymermaterials, wel­ che die Füllerpartikel zumindest teilweise umschließen, eine Größe von 1 bis 300 µm aufweisen.

4. Implantationsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Füllerpartikel ZrO₂, BaSO₄, Bi₂O₃, Bi(OH)₃ und/oder flüssige oder feste jodhaltige Kontrastmittel enthalten oder daraus bestehen.

5. Implantationsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Füllerpartikel mindestens einen aktiven Wirk­ stoff enthalten.

6. Implantationsmaterial nach Anspruch 5, wobei als Wirk­ stoff Antibiotika zugesetzt sind.

7. Implantationsmaterial nach Anspruch 6, wobei als Anti­ biotikum Gentamycin und/oder Clindamycin zugesetzt ist.

8. Implantationsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Hydroxylapatit, Tricalciumphosphat und/oder eine andere Calciumphosphat- oder Calciumcarbonatverbindung, eine Aluminium- oder Aluminiumoxidverbindung und/oder eine Siliziumverbindung in den Partikeln des Polymer- und/oder Copolymermaterials mindestens teilweise einge­ bettet ist.

9. Implantationsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Füllerpartikel eine Größe von 1 bis 250 µm, vorzugsweise von 5 bis 15 µm aufweisen.

10. Implantationsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Füllerpartikel eine Porosität von 20 bis 80% haben.

11. Implantationsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Füllerpartikel dicht sind und ihr Porenvolumen annähernd 0 ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines Implantationsmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Füllerpartikel mit dem Polymer- und/oder Copolymermaterial beschichtet werden.

13. Verfahren zur Herstellung eines Implantationsmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Füllerpartikel in das Polymer- und/oder Co­ polymermaterial eingebettet werden.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Beschich­ tung oder Einbettung durch ein Sprühverfahren erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Beschich­ tung oder Einbettung durch Ausfällung erfolgt.

16. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Beschich­ tung oder Einbettung durch elektrostatische Beschich­ tung, Beschichtung im Tauchverfahren oder Beschichtung im Pelletierverfahren erfolgt.

17. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Polymer- und/oder Copolymermaterial zusammen mit den Füllerparti­ keln im Sprühverfahren in einer Fällungslösung ausge­ formt wird.

18. Verwendung des Implantationsmaterials nach einem der An­ sprüche 1 bis 11 zur Verankerung von Prothesenkomponen­ ten im Knochen, zur Versteifung von Knochen, als Dübel von Knochenschrauben oder als Implantat zur Verankerung von Schrauben.