DE4440149A1 - Verfahren zur Herstellung von calciumoxidarmer Spongiosa-Knochenkeramik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von calciumoxidarmer Spongiosa-Knochenkeramik.

Es ist seit längerem bekannt, daß sich mineralisierter und zur Keramik gesinterter Knochen vorzüglich als Knochenersatzwerkstoff eignet. Bei Knochenkeramik liegt naturgemäß größte Übereinstimmung von chemi­ scher Zusammensetzung, strukturellem Aufbau und mechanischer Festig­ keit mit dem natürlichen Knochen vor. Spongiosa-Knochenkeramik erweist sich darüber hinaus als in besonderem Maße osteokonduktiv. Die offene, interkonnektierende, trabekuläre Struktur von spongiöser Knochenkeramik fördert das Auf- und Einwachsen neuer Knochenmatrix, so daß sich im Verlaufe der Einheilung eine intensive Durchbauung und damit Integration des Keramikimplantates ergibt. Knochenkeramiken hergestellt aus Knochen tierischer Herkunft werden daher vermehrt als Knochenersatz­ materialien bei der Osteosynthese und bei der Rekonstitution von krankheits- oder unfallbedingten Knochendefekten eingesetzt.

Die Herstellung von Knochenkeramik aus tierischem Knochen erfolgt in aller Regel in der Weise, daß man ausgewählte Knochen bzw. Knochenstücke zunächst mechanisch von allen anhaftenden Weichteilen befreit, diese anschließend durch Sägen zu Stücken geeigneter Form und Größe grob zurichtet, und diese dann durch Entfernung aller weiteren organischen Anteile mineralisiert. Der Mineralisierungsvorgang beginnt zunächst mit mehrmaligem Auskochen in Wasser. Die weitere Behandlung kann etwa mit fett- bzw. eiweißlösenden Lösungsmitteln und/oder mit Hilfe von Wasser­ stoffperoxid erfolgen, wie beispielsweise in EP 0 141 004 beschrieben. Als besonders einfach und effektiv haben sich pyrolytische Mineralisierungs­ verfahren erwiesen. Hierbei wird durch Hitzeeinwirkung der organische Anteil des Knochens zersetzt und der resultierende Kohlenstoff anschlie­ ßend im Sauerstoffüberschuß ausgebrannt. Für die Knochenpyrolyse sind Temperaturen zwischen 500 und 1000°C üblich. Nach der Mineralisierung des Knochens erfolgt die Sinterung zur Keramik, wobei Temperaturen zwischen 800 und 1400°C gebräuchlich sind. Durch die Sinterung erhält der Werkstoff erst die gewünschte endgültige Festigkeit. Bei den genannten Vorgängen ist besonders darauf zu achten, daß die poröse Struktur des ursprünglichen Knochens soweit als möglich erhalten bleibt. Bei der Um­ wandlung von spongiösem Knochenmaterial zu Spongiosa-Knochenkeramik kann vorzugsweise nach einem Verfahren gemäß DE 37 27 606 vorge­ gangen werden, in dem eine spezielle Führung von Temperatur und reduk­ tivem bzw. oxidativem Charakter der Atmosphäre eine besonders schonende Pyrolyse ermöglicht.

Es hat sich gezeigt,daß Knochenkeramik zu unkontrollierter Instabilität neigt, wenn neben der Hauptphase Hydroxylapatit nennenswerte Anteile an Calciumoxid vorliegen, welche etwa röntgenographisch nachgewiesen werden können. Dies ist der Fall bei Gehalten an Calciumoxid von mehr als 5%. Bei Zutritt von Wasser, etwa in Form von Luftfeuchtigkeit bei ungeschützter Lagerung oder im Organismus nach der Implantation, tritt eine sukzessive Umwandlung von Calciumoxid in Calciumhydroxid ein, mit der eine erhebliche Volumenzunahme einhergeht. Je nach mengen­ mäßigem Anteil kann es dabei bis hin zum vollständigen Zerfall der Keramik kommen. Der Anteil an Calciumoxid in der Knochenkeramik ist naturbedingt und kann nach Tierrasse und individueller Haltung schwanken. Das Calciumoxid entsteht dadurch, daß bei Pyrolyse und Sinterung das im Knochen natürlich vorhandene Calciumcarbonat in Calciumoxid umgewandelt wird.

In DE 40 28 683 ist vorgeschlagen worden, das mineralisierte Knochen­ material vor der Sinterung einer Behandlung mit einer wäßrigen Lösung einer organischen Säure, insbesondere Zitronensäure, zu unterziehen. Durch diesen Schritt gelingt es Calciumoxidanteile aus dem Material herauszulösen, so daß man nach der Sinterung eine Knochenkeramik erhält, die röntgenographisch zu mehr als 99% aus Hydroxylapatit besteht.

Obwohl diese Vorgehensweise sehr effektiv ist und zu einer gebrauchs­ fähigen stabilen Knochenkeramik führt, sind mit ihr doch Nachteile verbun­ den. Nachteile liegen zum einen im operativen Bereich der Verfahrens­ führung. So muß insbesondere bei pyrolytischer Mineralisierung das Material zunächst wieder auf Raumtemperatur abgekühlt werden, um die Säurebehandlung und die notwendigen Spülvorgänge durchführen zu können. Danach muß zur Sinterung von neuem von Grund auf aufgeheizt werden. Diese Vorgänge sind zeit- und energiezehrend. Darüber hinaus verteuern Herstellung und Verbrauch der Säurelösung sowie der Ver­ brauch an Spülwasser zum neutralwaschen des Materials die Herstell­ kosten. Zum anderen gestaltet sich die Steuerung und Überwachung des Schrittes der Säurebehandlung als nicht einfach. Einerseits muß hierbei gewährleistet sein, daß praktisch alles Calciumoxid herausgelöst wird, andererseits darf die Hydroxylapatit-Matrix nicht oder nur wenig durch die Säure angegriffen werden. Die spongiöse Feinstruktur ist an diesem Verfahrenspunkt noch nicht ausreichend verfestigt und daher sehr empfindlich.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile der bisherigen Verfahrensweise zu mindern.

Überraschend wurde nun gefunden, daß sich in mineralisierter Knochen­ matrix enthaltene Calciumoxidanteile ohne weiteres entfernen lassen, wenn man die Knochenmatrix einem Auswaschungsvorgang mit deminera­ lisiertem Wasser bei einer Temperatur von 10 bis 80°C und über einen Zeitraum von 4 Std. bis 7 Tage unterzieht. Das Herauslösen von Calcium­ oxid mittels Säure, wie insbesondere mit wäßriger Zitronensäurelösung, hat sich somit als nicht erforderlich erwiesen.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von calciumoxidarmer Spongiosa-Knochenkeramik, bei dem man in Stücken zugerichteten spongiösen Knochen durch Entfernung aller organischen Anteile mineralisiert und dann die mineralische Knochenmatrix zur Keramik sintert, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man zur Entfernung von Calciumoxidanteilen aus der mineralisierten Knochenmatrix diese einer Auswaschung mit demineralisiertem Wasser bei einer Temperatur von 10 bis 80°C über einen Zeitraum von 4 Std. bis 7 Tage unterzieht.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird praktisch in völliger Analogie zu dem aus DE 40 28 683 bekannten durchgeführt. Es wird hier lediglich der zwischen der Mineralisierung des Knochenmaterials und der Sinterung zur Keramik vorgesehene Schritt der Säurebehandlung durch eine Behand­ lung mit demineralisiertem Wasser ersetzt. Demineralisiertes Wasser ist als solches bekannt und ohne weiteres verfügbar. Es läßt sich nach allgemein bekannten Verfahren in beliebiger Menge aus natürlichem Wasser herstellen, beispielsweise durch ein- oder mehrfache Destillation und/oder Entzug der gelösten mineralischen Salze mittels Ionenaus­ tauschern. Demineralisiertes Wasser zeigt in aller Regel einen leicht sauren pH-Wert, der bei etwa 6,0 liegt. Es wird angenommen, daß dieser leicht saure Charakter des demineralisierten Wassers die Auswaschung von Calciumoxid aus der mineralisierten Knochenmatrix begünstigt.

Für den Auswaschungsvorgang genügt es, das stückig zugerichtete, mineralisierte Knochenmaterial in ein entsprechend dimensioniertes Bad von demineralisiertem Wasser zu verbringen und dort für eine als aus­ reichend und zweckmäßig erscheinende Zeit und bei entsprechender Temperatur zu belassen. Eine Umwälzung bzw. Bewegung des Wasser­ bades kann der Herauslösung der löslichen Bestandteile förderlich sein. Als ausreichend und zweckmäßig haben sich ein Verhältnis von 10 l Wasser pro 1 kg Knochenmaterial und eine Behandlungsdauer von 4 Std. bis 7 Tage bei einer Badtemperatur zwischen 10 und 80 °C erwiesen. Ein ein- oder mehrfacher Austausch des Waschwassers bzw. eine kontinuier­ liche Durchspülung mit frischem demineralisierten Wasser begünstigt das Ergebnis und kann die Behandlungszeit verkürzen. Durch die angegebene Vorgehensweise läßt sich praktisch der gesamte in der Knochenmatrix vorhandene bzw. erwartbare Anteil an Calciumoxid im wesentlichen rest­ los entfernen. In aller Regel bewegt sich der natürliche Anteil an Calcium­ oxid im Knochen zwischen 5 und 10%. Durch röntgenographische Unter­ suchung an der zum Schluß erhaltenen Keramik läßt sich feststellen, daß das Material zu mehr als 95% und in aller Regel zu 97-99% aus Hydro­ xylapatit besteht. Calciumoxid läßt sich, falls überhaupt, nur noch in Spuren nachweisen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich nicht unerhebliche Mengen an bislang für ein vergleichbares Ergebnis benötigter Säure einsparen. Darüber hinaus fallen vor allem Nachspülvorgänge, um das Material neutral zu waschen, weg, so daß auch hierdurch Kosten und Zeit gespart werden können. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich schonender, da die Hydroxylapatit-Matrix durch die Behand­ lung mit demineralisiertem Wasser nicht angegriffen wird.

Nach Abschluß des Auswaschvorganges werden die Stücke getrocknet und dann in üblicher Weise zur Keramik gesintert.

Beispiel

Rohe, von Weichteilen befreite Gelenkköpfe frisch geschlachteter Rinder werden mittels Säge in quaderförmige Stücke der Abmessungen von grob 30 × 30 × 100 mm zerteilt und diese dreimal ca. 1 Std. lang mit Wasser ausgekocht.

Die Knochenstücke werden dann 6 Std. lang bei 110°C getrocknet. Danach werden diese unter Stickstoffatmosphäre innerhalb von 9 Std. auf 450°C erhitzt. Während einer anschließenden 20stündigen Aufheizperio­ de von 450°C auf 600°C wird die Atmosphäre linear auf Luftsauerstoff umgestellt und danach innerhalb von 5 Std. auf 900°C erhitzt. Nach dem Abkühlen werden die Stücke in ein Bad von demineralisiertem Wasser (10 l pro 1 kg Knochenmaterial) verbracht und in dem bewegten Bad bei einer Temperatur von 20°C für einen Zeitraum von 48 Std. behandelt. Nach dieser Behandlung werden die Stücke 3 mal mit demineralisiertem Wasser nachgewaschen.

Zur Endsinterung werden die Stücke innerhalb von 21 Std. auf 1250°C erhitzt, 3 Std. auf dieser Temperatur gehalten und dann frei abgekühlt.

Die erhaltenen Knochenkeramikstücke zeigen die unveränderte poröse Struktur des ursprünglichen spongiösen Knochens. Röntgenographisch besteht die Keramik zu etwa 99% aus Hydroxylapatit.

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung von calciumoxidarmer Spongiosa-Knochen­ keramik, bei dem man in Stücken zugerichteten spongiösen Knochen durch Entfernung aller organischen Anteile mineralisiert und dann die mineralisierte Knochenmatrix zur Keramik sintert, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man zur Entfernung von Calciumoxidanteilen aus der mineralisierten Knochenmatrix, diese einer Auswaschung mit deminerali­ siertem Wasser bei Temperaturen von 10 bis 80°C über einen Zeitraum von 4 Std. bis 7 Tage unterzieht.