DE4308239A1 - Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers für die Osteosynthese - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers für die Osteosynthese

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
Es ist bekannt, implantierbare Elemente der Osteosynthese aus resorbierbaren Werkstoffen herzustellen.
Ein wesentlicher Nachteil derartiger resorbierbarer Grund­ werkstoffe besteht jedoch darin, daß sie keinen großen me­ chanischen Belastungsanforderungen ausgesetzt werden kön­ nen. Es ist auch bereits versucht worden, die Festigkeit von Bauteilen durch die Einbindung höherfester Fasern in den jeweiligen Matrixwerkstoff heraufzusetzen. Der Nach­ teil bei diesen Verbundwerkstoffen besteht allerdings in dem unterschiedlichen Resorbtionsverhalten von Faser- und Matrix bzw. in dem Verbleib von Reststoffen im Körper durch die Verwendung nicht resorbierbarer Werkstoffe.
Ausgehend von den Mängeln des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfach und mit hoher Effektivität durchführbares Verfahren der eingangs genannten Gattung anzugeben, mit dem Formteile unter­ schiedlichster Geometrie, insbesondere aber von gestreck­ ter Form, wie beispielsweise Nägel, Schrauben oder Stifte zur Fixierung von Knochenfragmenten hergestellt werden können, welche bei im wesentlichen unverändertem Molekul­ argewicht des verwendeten Ausgangsmaterials erheblich ver­ besserte Belastungskennwerte aufweisen. Die Bauelemente sollen darüber hinaus möglichst auch eine, den mechani­ schen Eigenschaften der Knochenfragmente angepaßte hohe mechanische Festigkeit und Biegesteifigkeit aufweisen.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung schließt dabei die Erkenntnis ein, daß erst durch eine zweifache formgebundene Umformung und gegeben­ enfalls eine nachträgliche thermo-mechanische Bearbeitung, vorzugsweise in Verbindung mit einem Preßreck-Vorgang dem eine Sinterung vorangeht, eine insbesondere langkettige Molekülstruktur mit ausgeprägter Vorzugsorientierung er­ zielbar ist, welche eine genügende Festigkeit auch für im Zusammenhang mit der Osteosynthese einsetzbare resorbier­ bare Verbindungselemente höherer Festigkeit ermöglicht.
Mit der so erzielten Molekül-Orientierung ergibt sich eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der aus diesen Kunststoffen gefertigten Bauelemente derart, daß sie neben höheren Zugbelastungen auch Torsions- und Biegebeanspru­ chungen aussetzbar sind, wie sie bei der Verbindung von Knochenfragmenten auftreten.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare Vor­ zugsorientierung der Molekülketten erfolgt dabei in einer werkstoffgerechten Verarbeitung, zumal durch Begrenzung der thermischen und mechanischen Belastung während des Verarbeitungsprozesses eine Reduzierung des Molekularge­ wichtsabbaues und somit eine zu starke Schädigung des Werkstoffs vermieden wird. Gerade durch einen zu starken Molekulargewichtsabbau bei der Verarbeitung werden sowohl die mechanischen Kennwerte als auch die Resorbtionseigen­ schaften und die Abbaurate erheblich negativ beeinflußt.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich bevorzugt nachstehende Kunststoffe zu Osteosynthese-Formteilen ver­ arbeiten, die durch Resorbieren in den Metabolismus des menschlichen oder tierischen Körpers eingebunden werden und nach einiger Zeit vollkommen abgebaut sind:
  • - aliphatische, teilkristalline Polyester (Polymere und Copolymere) der α-Hydroxylsäure-Derivate
  • - Polyglycolide -
  • - Copolymere von Glycolsäuren, vorzugsweise Glycolid/l- Lactid-Copymere oder Glycolid/Trimethylencarbonat- Copolymere
  • - Polylactide, vorzugsweise Stereocopolymere der Poly­ lactide, wie Poly-L-Lactid, Poly-DL-Lactid oder L-Lactid/DL-Lactid-Copolymere - Polydioxan - Polyor­ thoester und
  • - Poly-C-Capralacton.
Insbesondere werden aus den vorstehend genannten Kunst­ stoffen in einem ersten Verfahrensschritt aus vorgetrock­ netem Granulat durch Verpressen pelletartige Vorformlinge hergestellt und diese in einem zweiten Verfahrensschritt einer thermo-mechanischen Nachbehandlung unterworfen.
Diese Nachbehandlung, vorzugsweise preßrecken, bringt die Vorformlinge in eine im wesentlichen prismatische Form und bewirkt in vorteilhafter Weise eine Orientierung der Mo­ lekülketten des verwendeten Kunststoffs, die im wesentli­ chen in Richtung der Längsachse der nach dem Preßrecken prismatisch ausgebildeten Bauteile erfolgt. Die Verfah­ rensbedingungen der thermo-mechanischen Nachbehandlung sind erfindungsgemäß derart ausgewählt, daß sowohl eine Reduzierung des Molekulargewichts (ungewünschte Verkürzung der Molekülketten) als auch eine Degradierung infolge ei­ ner nicht werkstoffgerechten Behandlung (thermische Schä­ digung, unzulässige Feuchtigkeitseinwirkung bzw. mechani­ sche Belastung) des Materials vermieden ist.
Die Herstellung des pellet- oder tablettenartigen Vorform­ lings in einer ersten Werkzeugkavität, deren Hohlraum ein Dicken-/Durchmesserverhältnis von ca. 1 : 2 bis ca. 1 : 5 auf­ weist. Dieser Vorformling wird in der zweiten Werkzeugform zu einem stiftartig langgestreckten Bauteil umgeformt, wobei bevorzugt ein Reckgrad von λ < 7 erzielt werden sollte.
Der Hohlraum der zweiten Werkzeugform weist dabei ins­ besondere mindestens eine Anformung auf, die der Rohform eines Schraubenkopfes oder des Kopfes eines Stiftes ent­ spricht, wobei sich diese Anformung bevorzugt in Preß­ richtung hinten befindet, also dort, wo beim Umformvorgang auch die Hauptmenge des Materials vorhanden ist. Eine endgültige Oberflächenformgebung kann dann in einem drit­ ten Verfahrensschritt mittels spanabhebender Verarbeitung erfolgen.
Die thermo-mechanische Nachbehandlung der Vorformlinge wird entsprechend einer günstigen Weiterbildung des Ver­ fahrens unter nachstehenden Verfahrensbedingungen durch­ geführt:
  • - Temperatur zur Herstellung des Vorformlings TV: TV < = Tm Tm: Schmelztemperatur
  • - Werkzeugtemperatur Tw: Tr < Tw < Ts<kr) Ts(kr) : Kristallitschmelzpunkt
    Tr: Raumtemperatur
  • - Preßgeschwindigkeit vp
    vp < 50 mm/s.
Die Preßgeschwindigkeit ist dabei in entscheidendem Maße von der Bauteilgeometrie (Querschnitt) abhängig, da sie in Verbindung mit dem Reckgrad λ für die Molekülorientierung im Bauteil verantwortlich ist.
  • - Preßkraft P.
Die Größenordnung der Preßkraft P in erster Linie werkzeug- und bauteilabhängig.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind in vorteilhafter Weise prismatisch ausgebildete Bauteile, wie beispiels­ weise Stifte, Nägel oder Schrauben herstellbar, die deut­ lich erhöhte mechanische Kennwerte aufweisen. Während die zu erwartende Elastizitätsmodulerhöhung bei ca. 30 bis 50% liegt, ist eine Verdoppelung bis Verfünffachung der Zugfe­ stigkeit erreichbar. Mit diesen Festigkeitswerten eignen sich die Bauteile, insbesondere wegen ihrer zusätzlichen Resorbierbarkeit durch den menschlichen oder tierischen Körper als implantierbare Fixierungselemente für Knochenfragmente. Die für die Montage der resorbierbaren Bauteile bei der Fixation von Knochenfragmenten erfor­ derlichen Angriffspunkte für die dazu vorgesehenen Hilfs- Werkzeuge, wie die Köpfe von Nägeln oder Schrauben für die Osteosynthese werden bei der thermo-mechanischen Nach­ behandlung der Vorformlinge entsprechend der notwendigen Abmessungen direkt angeformt.
Entsprechend einer günstigen Weiterbildung der Erfindung wird der durch die thermo-mechanische Nachbehandlung erzeugte Formkörper nachträglich einer Temperbehandlung unterzogen. Das Tempern wird vorzugsweise bei einer Tem­ peratur im Bereich der maximalen Kristallisationsgeschwin­ digkeit (bei PLA-LR 909 ca. 110 bis 120°C für eine Dauer von < 3 Minuten durchgeführt. Mit diesem anschließenden Verfahrensschritt ist eine weitere signifikante (min. 20%) Erhöhung des Bauteil E-Modul erzielbar.
Um die Herstellungskosten für die nach dem vorstehend be­ schriebenen Verfahren hergestellten Bauteile sowohl durch Verringerung der Fertigungsdauer als auch durch Senkung des Energieverbrauchs erheblich zu reduzieren, wird nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens die Bildung der Vorformlinge und das nachfolgende Preßrecken in dem gleichen Formnest durchge­ führt. Dadurch entfallen in günstiger Weise die Zeiten für Entformen der Vorformlinge bzw. ihr erneuten Einlegen in ein anderes Formnest und die in den Vorformlingen enthal­ tenen Prozeßwärme ist für die Einstellung der erforderli­ chen Temperaturbedingungen für das Preßrecken nutzbar.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zu­ sammen mit der Beschreibung eines bevorzugten Verfahrens­ beispiels anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematisierte Darstellung der einzelnen Verfahrenschritte bei der erfindungsgemäßen Her­ stellung von Formkörpern,
Fig. 1a eine vorteilhafte Ausführungsform eines ver­ fahrensgemäß hergestellten Formkörpers,
Fig. 1b die schematisierte Darstellung des Details A gemäß Fig. 1 sowie
Fig. 2 das Preßkraft-Zeit-Diagramm der thermo-mecha­ nischen Nachbehandlung für die bevorzugte Aus­ führungsform der Erfindung.
In Fig. 1 sind die Schritte des erfindungsgemäßen Verfah­ rens zur Herstellung eines hochorientierten Formkörpers aus resorbierbarem Material für die Osteosynthese entspre­ chend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Die Fig. 1a bzw. 1b zeigen in schematischer Darstellung ein stiftartiges Bauteil bzw. eine vergrößerte Darstellung einer Kavität der Preßform.
Das vorgetrocknete Granulat 1 eines resorbierbaren Kunst­ stoffs wird, in ein Formnest 2 eingebracht, in einem er­ sten Verfahrensschritt durch Absenken des Preßstempels 3 zu einem Vorformling 4 verpreßt, wobei eine Versinterung des Granulats eintritt.
Der Vorformling 4 wird nachfolgend in einem zweiten Ver­ fahrensschritt in dem Formnest 6 unter Verwendung eines geeignet ausgebildeten Druckstempels 5 einem Preßrecken unterworfen, bei dem der Vorformling gestreckt und in ein, im wesentlichen stiftformiges Bauteil 7 umgewandelt wird.
Die Herstellung des pellet- oder tablettenartigen Vorformlings erfolgt in einer ersten Werkzeugkavität mit einem Dicken-/Durchmesserverhältnis von ca. 1 : 4, während dieser Vorformling anschließend in einer zweiten Werkzeug­ kavität 8 zu einem stiftartig langgestreckten Bauteil umgeformt wird, wobei ein Reckgrad von λ < 7 erzielt wer­ den sollte.
Dabei erfolgt eine starke Orientierung der Molekülketten des Kunststoffs, wodurch das Elastizitätsmodul und die Zugfestigkeit des Bauteils gegenüber durch Spritzgießen hergestellten Formkörpern wesentlich erhöht wird. Die Form 6 ist in vorteilhafter Weise derart ausgebildet, daß bei dem durch Preßrecken gebildeten Bauteil 7 bei Abschluß des zweiten Verfahrensschrittes der für seine Verwendung er­ forderliche Kopf 9 mit einer zur Handhabung des Bauteils 7 günstigen Ausnehmung 11 bereits an den Schaft 10 angeformt ist. Dadurch können in kostengünstiger Weise zuätzliche Verfahrensschritte entfallen, welche sonst durch mit einer entsprechenden Nachbearbeitung verbunden wären.
Die Anformung im Hohlraum der zweiten Werkzeugform, die der Rohform eines Schraubenkopfes oder des Kopfes eines Stiftes entspricht (siehe Detail A), befinden sich in Preßrichtung hinten, also dort, wo beim Umformvorgang auch die Hauptmenge des Materials vorhanden ist. Eine endgül­ tige Oberflächenformgebung kann dann in einem dritten Ver­ fahrensschritt mittels spanabhebender Bearbeitung oder - im Falle von Gewinden - durch Einrollen erfolgen.
Praxiserprobte Verfahrensergebnisse liegen für einen resorbierbaren Werkstoff vor, der unter dem Handelsnamen Resomer LR909 bekannt ist. Bei diesem Werkstoff handelt es sich um ein teilkristallines Polylactid-Copolymer mit einem L-Lactid-Anteil von 90% und einem D,L-Lactid-Anteil von 10%. Die Vorformlinge wurden aus einem, zweistündig bei 80°C vorgetrockneten Granulat durch Verpressen in einer auf 170°C erwärmten Preßvorrichtung mit einem Preßdruck von 20 N/mm2 hergestellt. Sie verblieben 15 Minu­ ten in der Preßform, die in dieser Zeit auf 80°C abgekühlt wurde. Die derart hergestellten Vorformlinge wurden nach­ folgend einem Preßrecken mit folgenden Prozeßparametern unterworfen:
Insbesondere die Proben 1 und 2 zeigten einen hohen bzw. deutlichen Orientierungsgrad der Molekülketten bei gleichzeitig ausreichender Duktilität des Kunststoffs.
Ein nach dem Preßrecken der Proben durchgeführtes Tempern der Proben bei einer Temperatur von 110°C über einen Zeitraum von 5 Minuten führt zu einer weiteren Verbesse­ rung mechanischer Kennwerte der Kunststoff-Bauteile. So erhöht sich u. a. der E-Modul um mehr als 20% gegenüber ei­ ner ungetemperten Probe.
In den Fig. 1a ist als Detail der Darstellung gemäß Fig. 1 die Schraube 7 vergrößert wiedergegeben. Es ist er­ sichtlich daß insbesondere eine kegelstumpfförmige Ausneh­ mung 11 im Kopf 9 der Schraube in dem so erzeugten Vor­ formling in vorteilhafter Weise in einem Arbeitsgang mit erzeugt werden konnte. Auf diese Weise ist durch geringfü­ gige Nachbearbeitung ein Innenmehrkant - insbesondere In­ nensechskant - herstellbar.
Fig. 1b zeigt die Einzelheit A gemäß Fig. 1 in vergrö­ ßerter Wiedergabe. Dabei ist ersichtlich, daß die Ausneh­ mung für die Schraube im Bereich 8 für den Schraubenkopf vergrößert ausgebildet ist. In ihrem an die zylindrische Bohrung für den Schaft anschließenden Bereich ist die Aus­ nehmung zunächst sphärisch konkav verrundet der Form der Unterseite des zu erzeugenden Schraubenkopfs angenähert. Der nach außen hin anschließende Bereich ist kegelig ge­ formt, und damit in seiner Neigung an den Teil des Werk­ zeugs angepaßt, der die kegelstumpfartige Ausnehmung 11 gemäß Fig. 1a im Schraubenkopf erzeugt, so daß dieses Werkzeug eine unkomplizierte Oberflächengestaltung auf­ weist.
In Fig. 2 ist das Preßkraft-Zeit-Diagramm des thermo­ mechanischen Preßreckvorgangs der aus Resomer LR 909 her­ gestellten Vorformlinge zu einem stiftartig langgestreck­ ten Bauteil in schematisierter Form dargestellt. Bei ei­ ner Werkzeugtemperatur Tw = 120°C (Tr < Tw < Ts(kr) ist bereits bei dieser geringen Haltezeit nach dem Preßvorgang ein deutliches Auskristallisieren der Bauteile möglich. Eine Haltezeit von ca. 20% der Preßzeit hat sich für das Erreichen guter mechanischer Kennwerte als günstig erwie­ sen.
Die Fig. 3 und 4 zeigen in Gegenüberstellung die für den Einsatz der resorbierbaren Bauteile als Osteosynthese- Implantat wesentlichen mechanischen Kenngrößen "Zugfestig­ keit σ′′ und "Elastizitäts-Modul E" für nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren bzw. durch Spritzgießen aus dem Werkstoff Resomer LR909 hergestellte Formteile. Die durch Zugversuche und Drei-Punkt-Biegeversuche ermittelten Kenn­ größen E und σ zeigen für die nach dem erfindungsgemäßen Preßreckverfahren hergestellten Bauteile erheblich höhere Werte als die durch ein herkömmliches Spritzgießverfahren produzierten Formkörper. Die Erhöhung der Zugfestigkeit σ beträgt maximal 65%, die des Elastizitätsmoduls E maximal 50%.
Die Untersuchungen haben ergeben, daß für das Erreichen der für Osteosynthese-Implantate erforderlichen mechani­ schen Kennwerte und Resorbtionseigenschaften eine Mini­ mierung des Molekulargewichts während der Verarbeitung zwingend erforderlich ist.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei­ spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (16)

1. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, insbe­ sondere Schrauben oder auch Pins, für die Osteosynthese, aus einem Werkstoff, der durch Resorbieren in den Metabo­ lismus des menschlichen oder tierischen Körpers einbindbar ist und dadurch eine zeitbegrenzte, körperinterne Fixation der durch die Formteile miteinander verbundenen Körper­ teile ermöglicht, unter Erzeugung einer mittels einer aufgrund der Ausrichtung von Molekülketten eigenfaser­ verstärkten Struktur, gekennzeichnet durch
  • - das Herstellen eines Vorformlings durch Verpressen des Werkstoffs in eine erste Werkzeugform in einem ersten Verfahrensschritt
  • - die Erzeugung der eigenfaserverstärkenden Molekül­ struktur durch einen weiteren Preßvorgang in eine zweite Werkzeugform in einem zweiten Verfahrens­ schritt, wobei das Verhältnis der gewichteten Abmes­ sungen der zweiten Werkzeugform in einer ersten Rich­ tung zu den gewichteten Abmessungen in einer senk­ recht dazu stehenden Raumrichtung zugunsten der letztgenannten Raumrichtungen heraufgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erste Werkzeugform ei­ nen pellet- oder tablettenartigen Hohlraum aufweist.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Werkzeugform einen stiftartig langgestreckten Hohl­ raum aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum der zweiten Werkzeugform mindestens eine Anfor­ mung aufweist, welche der Rohform eines Schraubenkopfes oder des Kopfes eines Stiftes entspricht, wobei insbeson­ dere auch eine Ausnehmung innerhalb des Schraubenkopfes zur Erzeugung eines Innensechskants gleichzeitig mit ange­ formt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine endgültige Oberflächenformgebung in einem dritten Ver­ fahrensschritt mittels spanabhebender Bearbeitung erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die me­ chanische Belastung des Vorformlings und seine Temperatur derart gewählt sind, daß eine modifizierte Orientierung der Kunststoffmolekül-Ketten erzielt wird, ohne daß eine Reduzierung des Molekulargewichts und Degradierung des verwendeten Kunststoffs eintritt.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der er­ ste Verfahrensschritt einen Sintervorgang einschließt.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Verfahrensschritt ein formverändernde thermomecha­ nische Nachbehandlung durch Preßrecken einschließt.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die formverändernde Nachbehandlung der Vorformlinge erzeugte Formkörper nach dem zweiten Verfahrensschritt ge­ tempert wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vor­ formling bei der thermo-mechanischen Nachbehandlung auf eine Temperatur T mit der Bedingung Ts(kr) < T < Tm abge­ kühlt wird, wobei Ts(kr) der Kristalisationstemperatur und Tm der Schmelztemperatur entspricht.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die thermo-mechanische Nachbehandlung des Vorformlings mit ei­ ner Preßgeschwindigkeit Vp 50 mm/s erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das die Temperatur des Werkzeugs niedriger ist als die des Vorformlings.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dif­ ferenz der Temperatur des Werkzeugs Tw und der Temperatur des Vorformlings Tv im Bereich der Größe der Werkzeugtem­ peratur Tw liegt, wobei die Bedingung Tw < Ts(kr) < Tv unter der Voraussetzung 10°C < Tw < (Ts(kr) -20°C) einge­ halten ist.
14. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Tempern des nachbehan­ delten Vorformlings im Bereich der maximalen Kristalli­ sationgeschwindigkeit für eine Dauer von weniger als drei Minuten erfolgt.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Werk­ stoffe mit einem hohen Molekulargewicht verwendet werden und durch Begrenzung ihrer thermischen und mechanischen Belastung während des Verarbeitungsprozesses ein Minimum des Molekulargewichtsabbaus nicht unterschritten wird.
16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Werkstoff um einen Kunststoff, und zwar um ein α-Hydroxylsäure-Derivat; um ein aliphatisches, teilkri­ stallines Polyester, oder dessen Polymer und Copolymer; einen teilkristallinen Thermoplasten; ein Polyglycolid oder ein Copolymer der Glycolsäure; um ein Glycolid/L- Lactid Copolymer oder um ein Glycolid/Trimethylencarbonat- Copolymer; um ein Polylactid oder ein Stereocopolymer ei­ nes Polylactids; um ein Poly-L-Lactid, ein Poly-DL-Lactid oder ein L-Lactid/DL-Lactid-Copolymer, ein Polydioxan; ein Polyorthoester oder ein Poly-C-Capralacton handelt.
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