DE60004387T2

DE60004387T2 - Reparaturmaterial für hartes gewebe

Info

Publication number: DE60004387T2
Application number: DE60004387T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Kokubo; Masahiro Nawa
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-11-02
Filing date: 2000-10-31
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2020-11-01
Also published as: WO2001032228A1; US7611781B1; DE60004387D1; US7829196B2; JP3461818B2; US20090191280A1; JP2003512895A; EP1225927B1; ATE246523T1; EP1225927A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Reparaturmaterialien für hartes Gewebe und insbesondere auf eine Knochenreparatur, die beim Reparieren angewendet wird, wenn die Gelenkfunktion und/oder Knochenfunktion der Hände und Füße verloren gegangen ist. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Implantat, das als künstliche Zahnwurzel zum Wiederaufbau von Zähnen und Schneidezähnen verwendet werden kann, wenn die Zähne aufgrund von Alter oder Krankheit verloren wurden.
Stand der Technik
Im allgemeinen werden metallische Materialien, zum Beispiel Edelstahl und Titanmetall und Titanlegierungen, Keramikmaterialien, zum Beispiel Hydroxyapatit (HAP), bioaktives Glas, Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid als Biomaterialien im praktischen Gebrauch verwendet. Die metallischen Materialien weisen eine gute Festigkeit und gute Zähigkeit (Toleranz gegenüber einem lebensbedrohlichen Bruch) auf, weisen aber eine schlechte Korrosionsbeständigkeit bei der Verwendung im lebenden Körper auf. Wegen der Elution metallischer Materialien im lebenden Körper besteht die Gefahr einer Schädigung des lebenden Gewebes. Der Hydroxyapatit und das bioaktive Glas weisen die Eigenschaft des Bindens an einen lebenden Knochen (das heißt eine Bioaktivität) auf, so daß der Hydroxyapatit und das bioaktive Glas der praktischen Verwendung als Knochenausgleichsmaterialien, Wurzelfüllmaterialien, künstlicher Wirbelkörper und als irgendein Zwischenstück zugeführt werden. Diese Materialien weisen eine Festigkeit und eine Zähigkeit auf, die viel geringer als die eines lebenden Knochens ist, so daß diese Materialien nicht als Teile, die unter Bedingungen einer hohen Belastung stehen, z. B. ein Oberschenkelknochen und Schienbeinknochen und eine künstliche Zahnwurzel, verwendet wurden. Verglichen mit Hyroxyapatit und bioaktivem Glas weist Aluminiumoxid eine hohe Festigkeit und eine hohe Zähigkeit auf. Die Anwendung des Aluminiumoxids und des Zirkoniumoxids als Knochenreparaturmaterial ist jedoch wegen der nicht vorhandenen Bioaktivität eingeschränkt. Aluminiumoxid ist der praktischen Verwendung als künstliche Zahnwurzel zugeführt worden, jetzt wird das Aluminiumoxid aber wegen der den Keramikmaterialien eigenen Eigenschaft des Zerbrechens durch Titanmetall und Titanlegierung ersetzt.
Wie vorstehend beschrieben sind die metallischen Materialien, z. B. Titanmetall und Titanlegierungen, und die Keramikmaterialien, z. B. Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid, nicht-bioaktive Materialien, die nicht an den lebenden Knochen binden können. Vorzugsweise wird eine bioaktive Schicht, die die Eigenschaft eines guten Haftens an Knochen aufweist, gebildet und der Oberfläche der nicht-bioaktiven Materialien wird zum Verwenden der Materialien als Knochenreparaturmaterial und künstliche Zahnwurzel eine bioaktive Funktion verliehen. Mehrere Verfahren des Standes der Technik zum Bilden der bioaktiven Schicht auf den Materialien sind offenbart worden. Es wird zum Beispiel ein Verfahren des Bildens einer Schicht auf Grundmaterialien durch ein Sputter-Verfahren oder Verdampfungsverfahren offenbart. Die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 4-242659 offenbart ein Verfahren zum Bilden einer Schicht auf Grundmaterialien durch Plasmasprühen. Die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 1-203285 offenbart ein Verfahren zum Bilden des Gemisches aus Zirkoniumoxid und Apatit auf der Oberfläche eines Zirkoniumoxidgußkörpers durch Beschichten und Sintern, wobei das Grundmaterial im Hinblick auf die hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit auf Zirkoniumoxid beschränkt ist.
Es werden übrigens mehrere Verfahren des Standes der Technik zum Verleihen der bioaktiven Funktion an die Oberfläche von Grundmaterialien offenbart. Die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 6-23030 offenbart ein Verfahren zum Bilden einer Überzugsschicht aus Kieselgel oder Titanoxidgel auf der Oberfläche eines Grundmaterials. Die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 10-179718 offenbart ein Verfahren zum bioaktiven Verbessern der Oberfläche eines Grundmaterials aus Titanmetall und Titanlegierungen durch Tränken in einer alkalischen Flüssigkeit.
Die Sputter-, Verdampfungs- und Plasmasprühschicht weist zum Bilden der bioaktiven Schicht auf der Oberfläche der Grundmaterialien keine gute Kontaktfestigkeit zu den Grundmaterialien auf. Was die nach der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung Nr. 1-203285 gebildete Schicht betrifft, ist die Bioaktivität wegen der Zunahme des Zirkoniumoxidanteils in dem Gemisch aus dem Zirkoni umoxid und dem Apatit verschlechtert, während die Haftfestigkeit wegen der Zunahme des Apatitanteils in dem Gemisch verschlechtert ist. Die Schicht mit einer durch das Verfahren der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung Nr. 6-23030 gebildeten Hydroxygruppe ist eine Kieselgelschicht oder Titanoxidgelschicht auf der Oberfläche der Grundmaterialien. Ähnlich ist die durch das Verfahren der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung Nr. 10-179718 gebildete bioaktive Schicht eine Titanoxidphase, Titanoxidgelphase, Alkalititanatphase und Alkalititanatgelphase.
Offenbarung der Erfindung
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher das Bereitstellen eines Reparaturmaterials für hartes Gewebe mit guten mechanischen Eigenschaften und hoher Bioaktivität.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Reparaturmaterial für hartes Gewebe bereitgestellt, das Zirkoniumoxid als Grundmaterial enthält. Eine Oberfläche des Grundmaterials weist eine hydrophile Gruppe auf, die an ein Zirkoniumatom in dem Grundmaterial gebunden ist.
Das das Zirkoniumoxid enthaltende Grundmaterial bedeutet ein wenigstens Zirkoniumdioxid (ZrO₂) enthaltendes. Das Grundmaterial kann mit anderen Materialien, z. B. Aluminiumoxid, kombiniert sein. Das Grundmaterial kann ein Stabilisierungsmittel enthalten. Die hydrophile Gruppe auf der Oberfläche des Grundmaterials kann eine Hydroxygruppe, eine Carboxygruppe, Aminogruppe, Carbonatgruppe, Sulfonsäuregruppe und Phosphorsäuregruppe sein. Insbesondere ist die Hydroxygruppe als funktionelle Gruppe bevorzugt, die die Kernbildung von Hydroxyapatit (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂) auslösen kann.
Das Reparaturmaterial für hartes Gewebe gemäß dieser Erfindung weist wegen des Einschlusses des Zirkoniumoxids eine gute Festigkeit und eine gute Zähigkeit bei guten mechanischen Eigenschaften auf. Durch die hydrophile Gruppe auf der Oberfläche kann im lebenden Körper oder in der simulierten Körperflüssigkeit (hierin nachstehend "SBF" genannt) bei Ionenkonzentrationen, die denen menschlicher Körperflüssigkeit nahezu gleich sind, eine Apatitschicht auf der Oberfläche des Grundmaterials gebildet werden. Der Apatit (hierin nachstehend "knochenähnlicher Apatit" genannt) ist der Hydroxyapatit, der hinsichtlich der stöchiometrischen Zusammensetzung (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂) eine Carbonationen-(CO₃ ^2–) und niedrige Ca-Ionenkonzentration (Ca-Defizit) aufweist. Der knochenähnliche Apatit weist auch ein Ca/P-Verhältnis auf, das niedriger als die 1,67 des stöchiometrischen Hydroxyapatits ist. Der knochenähnliche Apatit weist eine Mehrzahl Gitterstörungen auf und wird durch feine Teilchen aufgebaut. Daher ist der knochenähnliche Apatit dem Knochenapatit des lebenden Knochens nahezu gleich. Der knochenähnliche Apatit wird auf der Oberfläche des Grundmaterials gebildet, so daß ein Osteoblast aktiv wächst, sich differenziert und Kollagen und Knochenapatit auf dem knochenähnlichen Apatit bildet. Das heißt, es wächst ein neues Knochengewebe von dem umgebenden, lebenden Knochen zur Oberfläche der knochenähnlichen Apatitschicht. Anschließend wird eine chemische Bindung zwischen dem Knochenapatit des lebenden Knochens und dem knochenähnlichen Apatit gebildet, so daß dieses Grundmaterial an den lebenden Knochen stark gebunden werden kann.
Damit die künstlichen Materialien an den lebenden Körper binden können ist es daher notwendig, daß der knochenähnliche Apatit auf der Oberfläche der künstlichen Materialien im lebenden Körper gebildet werden kann. Das Reparaturmaterial für hartes Gewebe dieser Erfindung weist auf der Oberfläche eine hydrophile Gruppe auf, die ohne eine Gelphase des Standes der Technik an ein Zirkoniumatom des Zirkoniumoxids in dem Grundmaterial gebunden ist, so daß die hydrophile Gruppe die Kernbildung eines knochenähnlichen Apatits auf der Oberfläche des Grundmaterials auslöst. Anschließend wird der knochenähnliche Apatit sowohl an das Grundmaterial als auch den lebenden Knochen gebunden, so daß sich zwischen dem Grundmaterial und dem lebenden Knochen eine hohe Haftfestigkeit ergeben kann.
Das Zirkoniumoxid in dem Grundmaterial stellt vorzugsweise tetragonale Zirkoniumoxid-Polykristalle mit hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit dar. Vorzugsweise enthält das Grundmaterial ein Stabilisierungsmittel, z. B. als die tetragonale Phase stabilisierendes Ceriumoxid und Yttriumoxid. In Gegenwart des Stabilisierungsmittels können die tetragonalen Zirkoniumoxid-Polykristalle eine hohe Festigkeit und eine hohe Zähigkeit aufweisen. Insbesondere weisen mit Ceriumoxid (Ce-TZP) stabilisierte, tetragonale Zirkoniumoxid-Polykristalle eine gute Phasen stabilität ohne einen Phasenübergang von tetragonal zu monoklin auf, so daß das Ce-TZP die tetragonale Phase ohne eine Verschlechterung der Eigenschaften im lebenden Körper und in aggressiver Atmosphäre, z. B. feuchte Atmosphäre mit Dampf, stabil halten kann. Daher enthält das Grundmaterial vorzugsweise wenigstens ein Ceriumoxid als Stabilisierungsmittel. Verglichen mit den mit Yttriumoxid (Y-TZP) stabilisierten, tetragonalen Zirkoniumoxid-Polykristallen weist das Ce-TZP eine sehr hohe Zähigkeit auf, besitzt aber eine geringere Festigkeit und eine geringere Härte als die des Y-TZP. Um diese mäßigen Eigenschaften auszugleichen werden daher die Zirkoniumoxid enthaltenden Grundmaterialien vorzugsweise in Verbundmaterialien mit einem Aluminiumoxid mit hoher Härte als sekundäre Phase aufgenommen. Bei vielen Verbundmaterialien zeigt ein Zirkoniumoxid/Aluminiumoxid-Nanoverbund mit Ceriumoxid, der innerhalb eines Zirkoniumoxid-Kristallteilchens eingeschlossene Aluminiumoxidteilchen in Nanometergröße aufweisen kann, viel ausgezeichnetere mechanische Eigenschaften als die des Y-TZP (siehe japanisches Patent Nr. 2703207 ). Daher wird der Zirkoniumoxid/Aluminiumoxid-Nanoverbund vorzugsweise als Grundmaterial dieser Erfindung verwendet. Wahlweise kann das Grundmaterial sowohl Ceriumoxid als auch Yttriumoxid als Stabilisierungsmittel enthalten.
Das in dem Grundmaterial enthaltene Zirkoniumoxid kann nicht nur tetragonale Zirkoniumoxid-Polykristalle, sondern auch teilweise stabilisiertes Zirkoniumoxid (PSZ) sein, das ein Magnesiumoxid oder ein Calciumoxid als Stabilisierungsmittel aufweist. Die tetragonalen Zirkoniumoxid-Polykristalle und das teilweise stabilisierte Zirkoniumoxid können eine kleine Menge Verunreinigungen wie etwa Hafniumoxid und Titanoxid enthalten.
Die hydrophile Gruppe auf der Oberfläche des Grundmaterials ist vorzugsweise eine Nydroxygruppe (OH-Gruppe). Die Zr-OH-Gruppe ist eine funktionelle Gruppe, die eine Apatit-Keimbildung auslösen kann, so daß sich die knochenartige Apatitschicht auf der Oberfläche der Grundmaterialien im lebenden Körper oder in der SBF bilden kann. Die menschliche Körperflüssigkeit weist Calciumionen (Ca²⁺) und Phosphationen (PO₄ ^3–) in Bezug auf Apatit stark übersättigt auf. Daher nimmt im lebenden Körper die Zr-OH-Gruppe auf der Oberfläche die Calciumionen auf, dann nimmt die Zr-OH-Gruppe die Phosphationen und die Carbonationen auf, so daß sich auf den Grundmaterialien eine Menge kugelförmiger Apatit kerne bildet. Die Apatitkerne wachsen und nehmen dabei die vorstehenden Ionen auf, so daß sich auf den Grundmaterialien spontan der knochenartige Apatit bilden kann. Auf diese Weise kann durch die als hydrophile Gruppe auf der Oberfläche der Zirkoniumoxid enthaltenden Grundmaterialien eingeführte hydrophile Gruppe den Grundmaterialien ohne Bioaktivität eine Bioaktivität verliehen werden, die zum Binden an einen lebenden Knochen durch eine chemische Bindung befähigt ist. Diese Hydroxygruppe ist an ein Zirkoniumatom des Zirkoniumoxids in dem Grundmaterial gebunden. Die Hydroxygruppe kann durch Modifizieren der Oberfläche des Zirkoniumoxids in dem Grundmaterial gebildet werden.
Das Grundmaterial kann in der Oberfläche wenigstens einen ionischen Bestandteil aufweisen, der aus der aus einem Calciumion, Natriumion, Kaliumion und Phosphationen bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Bei dem in der Oberfläche des Grundmaterials enthaltenen ionischen Bestandteil werden die ionischen Bestandteile Calciumion, Natriumion, Kaliumion und Phosphationen usw. aus der Oberfläche der Grundmaterialien in eine menschliche Körperflüssigkeit eines lebenden Körpers und in die simulierte Körperflüssigkeit eluiert. In der Zwischenzeit erhöhen die eluierten ionischen Bestandteile in der menschlichen Körperflüssigkeit die Ionenkonzentrationen wie etwa die Hydroxyionen und Calciumionen usw. Als Folge erhöht sich das ionische Aktivitätsprodukt von Apatit und kann die Bildung der knochenähnlichen Apatitschicht auf den Grundmaterialien in einer menschlichen Körperflüssigkeit eines lebenden Körpers oder in der simulierten Körperflüssigkeit beschleunigen. Falls sich die knochenartige Apatitschicht auf der Oberfläche des mit SBF durchtränkten Grundmaterials bildet, kann der Zeitraum des Bindens mit dem Grundmaterial und einem lebenden Knochen in einem lebenden Körper verkürzt werden. Es ist anzumerken, daß die Dicke dieser Schicht vorzugsweise 1–50 Mikrometer ist.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Reparaturmaterials für hartes Gewebe schließt das Herstellen eines Grundmaterials ein, das wenigstens ein an der Oberfläche des Grundmaterials freiliegendes Zirkoniumoxid aufweist und an der Oberfläche des Grundmaterials eine hydrophile Gruppe bildet.
Der Schritt des Bildens der hydrophilen Gruppe auf der Oberfläche des Grundmaterials kann das Durchtränken des Grundmaterials mit einer alkalischen, wäßrigen Lösung oder einer sauren, wäßrigen Lösung sein.
Die alkalische Lösung ist zum Beispiel eine Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid usw. enthaltende alkalische Lösung. Die saure wässrige Lösung ist zum Beispiel eine Salzsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure und Phosphorsäure enthaltende saure Lösung. Bezüglich der Durchtränkungsbedingungen des Grundmaterials in der alkalischen, wäßrigen Lösung oder der sauren, wäßrigen Lösung ist die Konzentration der alkalischen, wäßrigen Lösung oder der sauren, wäßrigen Lösung vorzugsweise 0,5–20 Mol/l, die Temperaturbedingungen sind bevorzugt 60–140°C.
Es wird angenommen, daß ein OH^–-Ion in alkalischer Lösung oder ein H₃O⁺-Ion in saurer Lösung eine Zr-O-Bindung des Zirkoniumoxids in dem Grundmaterial spalten kann, entsprechend dem Durchtränken des Grundmaterials mit Zirkoniumoxid auf der Oberfläche in der alkalischen, wäßrigen Lösung oder der sauren, wäßrigen Lösung. Anschließend kann eine Zr-OH-Gruppe, die an ein Zirkoniumatom gebunden ist, auf der Oberfläche des Grundmaterials gebildet werden. Das Zr-OH weist eine bioaktive Eigenschaft auf. Es ist eine neue Erkenntnis, daß Zirkoniumoxid, das nicht als amphoteres Oxid eingestuft wird, sowohl durch eine alkalische, wäßrige Lösung als auch eine saure, wäßrige Lösung verbessert werden kann. Es ist weiterhin ebenfalls eine neue Erkenntnis, daß die Hydroxygruppe auf der Oberfläche, die an ein Zirkoniumatom des Zirkoniumoxids in dem Grundmaterial gebunden ist, die Keimbildung von Hydroxyapatit auslösen kann. Eine auf einem Aluminiumoxidgel, das als amphoteres Oxid eingestuft wird, gebildete, hydrophile Gruppe kann die Apatitkeimbildung durch Tränken in SBF jedoch nicht auslösen (Journal of Biomedical Materials Research, 1994, Bd. 28, S. 7–15).
Es ist bekannt, daß eine OH-Gruppe auf einem Zirkoniumoxidgel, das durch das Sil-Gel-Verfahren hergestellt wurde, die Keimbildung von Apatit (Biomeramics, Band 11, hrsg. von R. Z. LeGros und J. P. LeGros, World Scientific (1998), S. 77–80) auslösen kann. Dieses Zirkoniumoxidgel ist eine amorphe Phase. Obschon verglichen mit der Zr-OH-Gruppe auf der Oberfläche von tetragonalem Zirkoniumoxid und monoklinem Zirkoniumoxid dieser Erfindung das Zr-OH auf dem Zirkoniumoxidgel einer amorphen Phase dieselbe Zr-OH-Grupppe ist, weist das Zr-OH dieser Erfindung ein hohes Auslösevermögen für die Keimbildung von Apatit auf. Es wird angenommen, daß der Apatit eher auf Zr-OH, das auf der Oberfläche mit einer Kristallstruktur gebildet wurde, als auf Zr-OH, das auf der Oberfläche ohne Kristallstruktur gebildet wurde, leicht wachsen kann, da die OH-Gruppe des Apatits eine Koordinierung mit einer Kristallrichtung des Zr-OH dieser Erfindung aufweist, wenn der Apatit gebildet wird.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt das Verfahren zum Herstellen eines Reparaturmaterials für hartes Gewebe weiter das Einarbeiten eines ionischen Bestandteils in die Oberfläche des Grundmaterials nach dem Durchtränken des Grundmaterials mit einer alkalischen, wäßrigen Lösung oder einer sauren, wäßrigen Lösung ein.
Das Einarbeiten des ionischen Bestandteils in die Oberfläche des Grundmaterials ist vorzugsweise ein Durchtränken des Grundmaterials mit einer Salzschmelze, die wenigstens einen ionischen Bestandteil enthält, der aus der aus Calciumionen, Natriumionen, Kaliumionen und Phosphationen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Bei diesem Verfahren wird die hydrophile Gruppe zuerst auf dem Grundmaterial gebildet und der ionische Bestandteil wird als zweites in das Grundmaterial eingearbeitet. Jede Kombination von Salzen, die aus der aus Nitrat, Acetat, zum Beispiel Calciumnitrat, Natriumnitrat und Kaliumnitrat und andere, Carbonat, Chlorid und Phosphat bestehenden Gruppe ausgewählt sind, kann als Salzschmelze verwendet werden. Vorzugsweise wird ein eutektisches Gemisch am eutektischen Punkt, bei dem der Schmelzpunkt am niedrigsten ist, für jede Salzkombination verwendet.
Das Einarbeiten des ionischen Bestandteils in die Oberfläche des Grundmaterials ist vorzugsweise das Durchtränken des Grundmaterials mit einer wäßrigen Lösung, die wenigstens einen ionischen Bestandteil enthält, der aus der aus Calciumionen, Natriumionen, Kaliumionen und Phosphationen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Bei diesem Verfahren wird der ionische Bestandteil zuerst in das Grundmaterial eingearbeitet, und als zweites wird die hydrophile Gruppe auf dem Grundmaterial gebildet. Die wäßrige Lösung ist eine ein Metallhydroxid, zum Beispiel Calciumhydroxid und Kaliumhydroxid, enthaltende Lösung und eine Lösung in verdünnter Salzsäure gelösten Calciumchlorids und eine Lösung in verdünnter Salpetersäure gelösten Natriumnitrids oder Kaliumnitrids. Die Konzentration der Lösung ist vorzugsweise 0,5–20 Mol/l und die Temperatur der Lösung ist vorzugsweise 60–140°C.
In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt das Verfahren zum Herstellen eines Reparaturmaterials für hartes Gewebe weiter das Einarbeiten eines ionischen Bestandteils in die Oberfläche des Grundmaterials und zuvor das Bilden der hydrophilen Gruppe auf der Oberfläche des Grundmaterials ein.
Das Einarbeiten des ionischen Bestandteils in die Oberfläche des Grundmaterials ist vorzugsweise das Durchtränken des Grundmaterials mit einer Salzschmelze, die wenigstens einen ionischen Bestandteil enthält, der aus der aus Calciumionen, Natriumionen, Kaliumionen und Phosphationen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Das Einarbeiten des ionischen Bestandteils in die Oberfläche des Grundmaterials ist vorzugsweise das Durchtränken des Grundmaterials mit einer wäßrigen Lösung, die wenigstens einen ionischen Bestandteil enthält, der aus der aus Calciumionen, Natriumionen, Kaliumionen und Phosphationen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt das Verfahren zum Herstellen eines Reparaturmaterials für hartes Gewebe weiter das Durchtränken des Grundmaterials mit der simulierten Körperflüssigkeit mit einer Ionenkonzentration nahezu gleich der menschlicher Körperflüssigkeit ein.
Es ist anzumerken, daß das Grundmaterial vorzugsweise wenigstens ein Grundmaterial mit auf der Oberfläche freiliegendem Zirkoniumoxid ist, bevor das Grundmaterial mit der simulierten Körperflüssigkeit durchtränkt wird. Das Grundmaterial weist vorzugsweise eine hydrophile Gruppe auf der Oberfläche auf. Weiterhin ist die hydrophile Gruppe vorzugsweise an ein Zirkoniumatom des Zirkoniumoxids in dem Grundmaterial gebunden. Bei diesem Verfahren kann die knochenartige Apatitschicht leicht auf der Oberfläche in der simulierten Körperflüssigkeit gebildet werden, entsprechend der hydrophilen Gruppe, die an ein Zirkoniumatom des Zirkoniumoxids in dem Grundmaterial gebunden ist.
Das Reparaturmaterial für hartes Gewebe gemäß dieser Erfindung weist eine hydrophile Gruppe auf, die an ein Zirkoniumatom des Zirkoniumoxids in dem Grundmaterial gebunden ist. So weist das Reparaturmaterial für hartes Gewebe eine hohe Härte, eine hohe Zähigkeit und die Eigenschaft einer guten Bioaktivität auf, was eine gute Bindung an einen lebenden Knochen anzeigt. Daher kann das Reparaturmaterial für hartes Gewebe bei der Knochenreparatur ohne eine Verstärkung, z. B. Metall oder Kunststoffe, verwendet werden. Es kann beim Oberschenkelknochen und Unterschenkelknochen verwendet werden, die eine große Belastung aufnehmen. Das Reparaturmaterial für hartes Gewebe kann eine Titanmetall-Schraubenprothese ersetzen, die verbreitet als künstliche Zahnwurzel verwendet wird, da das harte Gewebe ausreichende mechanische Eigenschaften und hohe bioaktive Eigenschaften aufweist. In diesem Fall der künstlichen Zahnwurzel braucht die Verwendung nicht auf den Schraubentyp eingeschränkt zu sein. Das Reparaturmaterial für hartes Gewebe kann das lebende Gewebe wegen der Keramikmaterialien nicht verletzen. Daher wird das Reparaturmaterial für hartes Gewebe aus Zirkoniumoxid-Keramikmaterialien dieser Erfindung in einem Knochenreparaturmaterial und einem Implantat, z. B. eine künstliche Zahnwurzel geeignet verwendet.
Beste Ausführungsweise der Erfindung
Ein Reparaturmaterial für hartes Gewebe schließt ein Zirkoniumoxid enthaltendes Grundmaterial ein. Das Grundmaterial weist eine hydrophile Gruppe auf der Oberfläche auf. Weiterhin ist die hydrophile Gruppe an ein Zirkoniumatom des Zirkoniumoxids in dem Grundmaterial gebunden. Die hydrophile Gruppe weist bioaktive Eigenschaften auf und kann so leicht die Keimbildung von Apatit auf der Oberfläche des Grundmaterials im lebenden Körper oder in der simulierten Körperflüssigkeit auslösen. Die tetragonalen Zirkoniumoxid-Polykristalle werden wegen ihrer guten mechanischen Eigenschaften verwendet. Das Grundmaterial kann ein Verbund mit guter Härte sein, in den ein Aluminiumoxid eingearbeitet ist.
Deshalb liefert das Reparaturmaterial für hartes Gewebe gute mechanische Eigenschaften und gute bioaktive Eigenschaften.
In der ersten Ausführungsform werden mehrere Scheiben (Durchmesser 11 mm, Dicke 1 mm) aus Zirkoniumoxid-Aluminiumoxid-Verbund als Grundmaterialien hergestellt. Der Zirkoniumoxid-Aluminiumoxid-Verbund enthält tetragonale Zirkoniumoxid-Polykristalle mit 10 Mol-% Ceriumoxid gegenüber Zirkoniumoxid als Stabilisierungsmittel und 30 Vol.-% Aluminiumoxidteilchen. In der Mikrostruktur dieser Verbundmaterialien weist eine Grundstruktur eine gemischte Morphologie aus Mikro- und Nanoverbundmaterialien auf, die Zirkoniumoxidteilchen und Aluminiumoxidteilchen in Submikrongröße aufweisen. Weiter ist ein Teil der Aluminiumoxidteilchen in Nanometergröße in den aus der Matrixphase bestehenden Zirkoniumoxid-Kristallteilchen eingeschlossen. Das Verfahren des Bildens der hydrophilen Gruppe auf der Oberfläche des Grundmaterials ist wie folgt.
Mehrere Grundmaterialien werden jeweils mit 5 ml konzentrierter Salzsäure, konzentrierter Phosphorsäure, 50 Vol.-% Phosphorsäure, konzentrierter Schwefelsäure, 50 Vol.-% Schwefelsäure und 15 Mol/l Natriumhydroxidlösung durchtränkt und 4 Tage bei 95°C gehalten. Anschließend wird das Grundmaterial mit destilliertem Wasser gewaschen und getrocknet. Das Durchtränkungsverfahren, bei dem die Grundmaterialien mit der sauren Lösung oder der alkalischen Lösung durchtränkt werden, wird hierin nachstehend "chemisches Verfahren" genannt.
Die Grundmaterialien, an denen das chemische Verfahren ausgeführt wurde, und die Grundmaterialien vor dem chemischen Verfahren werden mit 30 ml simulierter Körperflüssigkeit (hierin nachstehend "SBF" genannt) (Ionenkonzentrationen (mM): Na⁺ 142, K⁺ 5,0, Mg²⁺ 1,5, Ca²⁺ 2,5, Cl^– 148, HCO₃ ^– 4,2, HPO₄ ^2– 1,0, SO₄ ^2– 0,5) durchtränkt und mehrere Male bei pH 7,4 und 36,5°C gehalten. Die Oberfläche der Grundmaterialien wird vor dem chemischen Verfahren, nach dem chemischen Verfahren und nach dem Durchtränken mit SBF durch ein Dünnfilm-Röntgenbeugungsverfahren (TF-XRD) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) analysiert. Weiter werden die Oberflächen durch ein Scanningelektronenmikroskop (SEM) beobachtet. Die Elementaranalyse wird durch induktiv gekoppelte Plasma-Atomemissionsspektrometrie (ICPA) überwacht. Zur Gehaltsanalyse der Bestandteile wird die qualitative Analyse durch Fouriertransform-Infrarot spektroskopie (FT-IR) überwacht und die quantitative Analyse wird durch thermische Analyse überwacht. Bei der thermischen Analyse werden CO₂-Gas und H₂O-Gas im Verbrennungsgas nachgewiesen und so wird der Carbonatgehalt (CO₃ ^2–) bezüglich der Rückstände überwacht.
Als Ergebnis dieser Analyse und Überwachung bei den TF-XRD-Mustern und SEM-Bildern weisen die Grundmaterialien, an denen das chemische Verfahren ausgeführt und nicht ausgeführt wurde, vor dem Durchtränken mit der SBF keinen Unterschied auf. In der Oberfläche der 14 Tage mit SBF durchtränkten Grundmaterialien nach dem chemischen Verfahren ungeachtet der Lösung des chemischen Verfahrens werden jedoch durch SEM neue kugelförmige Ablagerungen beobachtet. Nach einem Apatit zugehörigen Peak der TF-XRD-Muster der mit SBF durchtränkten Grundmaterialien wurden die Ablagerungen als Apatit identifiziert. Der Apatit, der mit 50 Vol.-% Phosphorsäure durchtränkt wurde, weist ein Ca/P-Verhältnis auf, das durch ICPA zu 1,51 beobachtet wurde, und weist einen durch thermische Analyse beobachteten Carbonationengehalt auf, der 2,64 Gew.-% bezüglich Apatit ist. Daher dürfte der Apatit knochenähnlicher Apatit sein. Die Mengen der Abscheidungen je Fläche unterscheiden sich in Abhängigkeit von der Art der Lösung des chemischen Verfahrens. So ordnen sich die Apatitmengen in folgender Reihenfolge an: 50 Vol.-% Phosphorsäure > 50 Vol.-% Schwefelsäure > 15 Mol/l Natriumhydroxidlösung > konzentrierte Salzsäure > konzentrierte Schwefelsäure > konzentrierte Phosphorsäure. Es ist anzumerken, daß sich der Apatit nicht auf der Oberfläche der Grundmaterialien abgeschieden hatte, an denen das chemische Verfahren nicht ausgeführt worden war.
Das Spektrum des 1s-Orbitalelektrons des Oxids bei den XPS-Daten wird in Zr-OH, Al-OH und adsorbiertes Wasser (erste Gruppe), ZrO₂ und Al₂O₃ (zweite Gruppe) getrennt. Im Fall der Grundmaterialien, an denen das chemische Verfahren ausgeführt wurde, nimmt die spektrale Stärke der Zr-OH-Gruppe und der Al-OH-Gruppe ungeachtet der Art der Lösung des chemischen Verfahrens zu. Deshalb kann entsprechend dem chemischen Verfahren eine Zr-OH-Gruppe und Al-OH-Gruppe auf der Oberfläche der Grundmaterialien gebildet werden. Es wird angenommen, daß die Zr-OH-Gruppe die Apatitkeimbildung auslöst, da das Al-OH die Apatitkeimbildung nicht auslösen kann.
In der zweiten Ausführungsform werden die Grundmaterialien hergestellt, an denen das chemische Verfahren unter ähnlichen Bedingungen wie in der ersten Ausführungsform ausgeführt wurde. Die Grundmaterialien, an denen das chemische Verfahren ausgeführt wurde, werden mit der Salzschmelze durchtränkt, so daß ein Calciumion und ein Kaliumion in der Oberfläche der Grundmaterialien enthalten ist. Die Schritte des Durchtränkens mit der Salzschmelze werden wie folgt ausgeführt. Calciumcarbonat und Kaliumcarbonat werden in einem Mischungsverhältnis von 6:4 gemischt und dieses Gemisch wird bei 850°C geschmolzen, woraus sich eine Carbonatsalzschmelze ergibt. Die Grundmaterialien, die auf 750°C vorerhitzt wurden, werden eine Stunde durchtränkt. Anschließend werden die Grundmaterialien mit destilliertem Wasser gewaschen und getrocknet. Hierin nachstehend wird dieses Verfahrens des Durchtränkens mit einer Salzschmelze als "Salzschmelzeverfahren" bezeichnet. Gemäß der XPS-Analyse der Oberfläche der Grundmaterialien werden Calcium- und Kaliumpeaks festgestellt. Es ist daher sicher, daß die Grundmaterialien Calciumionen und Kaliumionen in der Oberfläche aufweisen.
Die Grundmaterialien, an denen in dieser Reihenfolge das chemische Verfahren und das Salzschmelzeverfahren ausgeführt wurde, werden 7 Tage bei pH 7,4 und 36,5°C mit der SBF durchtränkt. Auf der Oberfläche der Grundmaterialien bilden sich, wie durch SEM beobachtet, viele kugelförmige, knochenartige Apatitkristalle.
In der dritten Ausführungsform werden die Grundmaterialien hergestellt, an denen das chemische Verfahren unter zu der ersten Ausführungsform ähnlichen Bedingungen ausgeführt wurde. Die Grundmaterialien, an denen das chemische Verfahren ausgeführt wurde, werden mit der Salzschmelze, die von der zweiten Ausführungsform verschieden ist, durchtränkt, so daß in der Oberfläche der Grundmaterialien ein Calciumion und ein Natriumion enthalten ist. Die Schritte des Durchtränkens mit der Salzschmelze werden wie folgt ausgeführt. Calciumnitrat und Natriumnitrat werden in einem Mischungsverhältnis von 5:5 gemischt und dieses Gemisch wird bei 300°C geschmolzen, woraus sich eine Nitratsalzschmelze ergibt. Die Grundmaterialien, die auf 200°C vorerhitzt wurden, werden eine Stunde durchtränkt. Anschließend werden die Grundmaterialien mit destilliertem Wasser gewaschen und getrocknet. Gemäß der XPS-Analyse der Oberflä che der Grundmaterialien werden Calcium- und Natriumpeaks festgestellt. Es ist daher sicher, daß die Grundmaterialien Calciumionen und Natriumionen in der Oberfläche aufweisen.
Die Grundmaterialien, an denen in dieser Reihenfolge das chemische Verfahren und das Salzschmelzeverfahren ausgeführt wurde, werden 7 Tage bei pH 7,4 und 36,5°C mit der SBF durchtränkt. Auf der Oberfläche der Grundmaterialien bilden sich, wie durch SEM beobachtet, viele kugelförmige, knochenartige Apatitkristalle.
In der vierten Ausführungsform werden die Grundmaterialien hergestellt, an denen das chemische Verfahren unter zu der ersten Ausführungsform ähnlichen Bedingungen ausgeführt wurde. Die Grundmaterialien, an denen das chemische Verfahren ausgeführt wurde, werden mit der Salzschmelze, die von der zweiten und dritten Ausführungsform verschieden ist, so durchtränkt, daß in der Oberfläche der Grundmaterialien ein Calciumion und ein Natriumion enthalten ist. Die Schritte des Durchtränkens mit der Salzschmelze werden wie folgt ausgeführt. Calciumchlorid und Natriumchlorid werden in einem Mischungsverhältnis von 5:5 gemischt und dieses Gemisch wird bei 580°C geschmolzen, woraus sich eine Chloridsalzschmelze ergibt. Die Grundmaterialien, die auf 480°C vorerhitzt wurden, werden eine Stunde durchtränkt. Anschließend werden die Grundmaterialien mit destilliertem Wasser gewaschen und getrocknet. Gemäß der XPS-Analyse der Oberfläche der Grundmaterialien werden Calcium- und Natriumpeaks festgestellt. Es ist daher sicher, daß die Grundmaterialien Calciumionen und Natriumionen in der Oberfläche aufweisen.
Die Grundmaterialien, an denen in dieser Reihenfolge das chemische Verfahren und das Salzschmelzeverfahren ausgeführt wurde, werden 7 Tage mit der SBF bei pH 7,4 und 36,5°C durchtränkt. Wie durch SEM beobachtet bilden sich auf der Oberfläche der Grundmaterialien viele kugelförmige, knochenartige Apatitkristalle.
In der fünften Ausführungsform werden die Grundmaterialien (Scheibe mit 11 mm Durchmesser, 1 mm Dicke) des Zirkoniumoxid-Aluminiumoxid-Verbunds hergestellt. Die Grundmaterialien werden mit der Salzschmelze durchtränkt, so daß in der Oberfläche der Grundmaterialien ein Calciumion und ein Kaliumion enthalten sind. Die Schritte des Durchtränkens mit der Salzschmelze werden wie folgt ausgeführt. Calciumcarbonat und Kaliumcarbonat werden im Mischungsverhältnis 6:4 gemischt und dieses Gemisch wird bei 850°C geschmolzen, worauf sich eine Carbonatsalzschmelze ergibt. Die Grundmaterialien, die auf 750°C vorerhitzt wurden, werden eine Stunde durchtränkt. Anschließend werden die Grundmaterialien mit destilliertem Wasser gewaschen und getrocknet. Nach der XPS-Analyse der Oberfläche der Grundmaterialien werden Calcium- und Kaliumpeaks beobachtet. Es ist daher sicher, daß die Grundmaterialien Calciumionen und Kaliumionen in der Oberfläche aufweisen.
Mehrere Grundmaterialien werden jeweils mit 5 ml 50 Vol.-% Phosphorsäure und 15 Mol/l Natriumhydroxidlösung durchtränkt, wobei 4 Tage bei 95°C gehalten wird. Anschließend wird das Grundmaterial mit destilliertem Wasser gewaschen und getrocknet.
Die Grundmaterialien, an denen in dieser Reihenfolge das chemische Verfahren und das Salzschmelzeverfahren ausgeführt wurde, werden 7 Tage mit der SBF bei pH 7,4 und 36,5°C durchtränkt. Wie durch SEM beobachtet bilden sich auf der Oberfläche der Grundmaterialien viele kugelförmige, knochenartige Apatitkristalle. Der knochenähnliche Apatit weist ein Ca/P-Verhältnis auf, das zwischen 1,48 und 1,56 liegt, und weist einen Carbonatgehalt auf, der bezogen auf den knochenähnlichen Apatit zwischen 2,5 und 3,5 Gew.-% liegt. Es ist anzumerken, daß die knochenähnlichen Apatite in ähnlicher Weise auf diesen Grundmaterialien beobachtet werden, an denen das Salzschmelzeverfahren der dritten und vierten Ausführungsform und das chemische Verfahren in dieser Reihenfolge ausgeführt wurden.

Claims

Reparaturmaterial für hartes Gewebe, das Zirkoniumoxid als Grundmaterial umfaßt, wobei eine Oberfläche des Grundmaterials eine hydrophile Gruppe aufweist, die an ein Zirkoniumion in dem Grundmaterial gebunden ist.
Reparaturmaterial für hartes Gewebe gemäß Anspruch 1, wobei das Zirkoniumoxid als Grundmaterial tetragonale Zirkoniumoxid-Polykristalle darstellt.
Reparaturmaterial für hartes Gewebe gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Grundmaterial wenigstens ein Ceriumoxid als Stabilisierungsmittel einschließt.
Reparaturmaterial für hartes Gewebe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die hydrophile Gruppe eine Hydroxygruppe ist.
Reparaturmaterial für hartes Gewebe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Grundmaterial in der Oberfläche wenigstens einen ionischen Bestandteil enthält, der aus der aus einem Calciumion, Natriumion, Kaliumion und Phosphationen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Reparaturmaterial für hartes Gewebe umfassend Zirkoniumoxid als Grundmaterial und eine Schicht, die eine Apatitschicht als Hauptbestandteil enthält, die an einer an ein Zirkoniumatom in dem Grundmaterial gebundenen, hydrophilen Gruppe gebildet wird.
Verfahren zum Herstellen eines Reparaturmaterials für hartes Gewebe umfassend die Schritte des Herstellens eines Grundmaterials, das wenigstens ein an der Oberfläche des Grundmaterials freiliegendes Zirkoniumoxid aufweist, und Bildens einer hydrophilen Gruppe auf der Oberfläche des Grundmaterials.
Verfahren zum Herstellen eines Reparaturmaterials für hartes Gewebe gemäß Anspruch 7, wobei der Schritt des Bildens der hydrophilen Gruppe auf der Oberfläche des Grundmaterials der Schritt des Durchtränkens des Grundmaterials mit einer alkalischen, wäßrigen Lösung oder einer sauren, wäßrigen Lösung ist.
Verfahren zum Herstellen eines Reparaturmaterials für hartes Gewebe gemäß Anspruch 7 oder Anspruch 8, das weiter den Schritt des Einarbeitens eines ionischen Bestandteils in die Oberfläche des Grundmaterials nach dem Schritt des Durchtränkens des Grundmaterials mit einer alkalischen, wäßrigen Lösung oder einer sauren, wäßrigen Lösung umfaßt.
Verfahren zum Herstellen eines Reparaturmaterials für hartes Gewebe gemäß Anspruch 7 oder Anspruch 8, das weiter den Schritt des Einarbeitens eines ionischen Bestandteils in die Oberfläche des Grundmaterials vor dem Schritt des Bildens der hydrophilen Gruppe auf der Oberfläche des Grundmaterials umfaßt.
Verfahren zum Herstellen eines Reparaturmaterials für hartes Gewebe gemäß Anspruch 9 oder Anspruch 10, wobei der Schritt des Einarbeitens des ionischen Bestandteils in die Oberfläche des Grundmaterials der Schritt des Durchtränkens des Grundmaterials mit einer Salzschmelze ist, die wenigstens einen ionischen Bestandteil enthält, der aus der aus einem Calciumion, Natriumion, Kaliumion und Phosphationen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Reparaturmaterials für hartes Gewebe gemäß Anspruch 9 oder Anspruch 10, wobei der Schritt des Einarbeitens des ionischen Bestandteils in die Oberfläche des Grundmaterials der Schritt des Durchtränkens des Grundmaterials mit einer wäßrigen Lösung ist, die wenigstens einen ionischen Bestandteil enthält, der aus der aus einem Calciumion, Natriumion, Kaliumion und Phosphationen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Reparaturmaterials für hartes Gewebe gemäß Anspruch 7 bis 12, das weiter den letzten Schritt des Durchtränkens des Grundmaterials mit der simulierten Körperflüssigkeit mit Ionenkonzentrationen nahezu gleich denen menschlicher Körperflüssigkeit umfaßt.