DE602005002353T2

DE602005002353T2 - Metallimplantate

Info

Publication number: DE602005002353T2
Application number: DE602005002353T
Authority: DE
Inventors: Martin Edward Southampton PICKFORD; David Richard Abingdon LEWIS; Andrew Derek Abingdon TURNER
Original assignee: Accentus Medical PLC
Current assignee: Accentus Medical PLC
Priority date: 2004-03-13
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2025-03-04
Also published as: JP4690386B2; AU2005221862C1; ES2290888T3; CA2557029C; EP1725701B1; AU2005221862B2; US9011665B2; KR101089053B1; KR20070018879A; WO2005087982A1; US20070181221A1; JP2007529621A; CA2557029A1; DE602005002353D1; EP1725701A1; AU2005221862A1; GB0405680D0; WO2005087982A8; ATE372401T1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Metallimplantate zur Verwendung bei chirurgischen Behandlungen und insbesondere auf das Einführen eines biozidalen Materials in solche Implantate, um eine Infektion zu unterdrücken oder zu steuern.
Verschiedene chirurgische Vorgänge erfordern die Verwendung von Implantaten. Zum Beispiel kann von Krebs befallener Knochen bei der prothetischen Chirurgie entfernt und durch ein Metallimplantat ersetzt werden. Ein solches Implantat kann z.B. aus einer Titanlegierung bestehen, die sehr stabil und relativ leicht ist. Um eine verschleißfeste Oberfläche sicherzustellen, wurde das Vorsehen einer Titannitrid-Beschichtung vorgeschlagen. Es besteht ferner eine Gefahr des Einschleppens einer Infektion, wenn solche Metallimplantate eingepflanzt werden, und es wurde bereits vorgeschlagen, dass metallisches Silber auf Metallimplantate elektroplattiert werden könnte, wobei das Silber ein biozidales Material ist, das eine Infektion kontrollieren kann, ohne toxische Nebenwirkungen für den Patienten hervorzurufen. Solche Beschichtungen, ob aus Titannitrid oder Silber, können jedoch infolge von Korrosion aufgrund von Körperflüssigkeiten unterschnitten werden, so dass sich die Beschichtung vom Implantat lösen kann, was zu erhöhtem Verschleiß und Gewebeschaden führen kann.
WO 00/72777 (Nobel Biocare) beschreibt ein Titanimplantat zur Verwendung in der Zahnheilkunde, bei dem eine dicke und hochporöse Oxidschicht mit rauher Oberfläche durch anodische Hochspannungs-Oxidationsbehandlung erzeugt wird, um die Bindung an Knochen zu verbessern; die poröse Schicht kann außerdem eine Knochenwachstum stimulierende Substanz enthalten. WO 03/089023 (Accentus) beschreibt einen Weg zur Vorbehandlung eines Implantates durch Anodisierung bei 10 V, um eine Phosphatschicht zu bilden, und anschließendes Einbringen von biozidalen Silberionen in diese Schicht durch Ionenaustausch. Ein Weg zur Herstellung einer wesentlich verbesserten Schicht ist nun gefunden worden.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Behandlung eines Titanmetall-Implantates für die Verwendung bei einem chirurgischen Verfahren, um eine Oberflächenschicht zu bilden, die mit dem Metallsubstrat einstückig ist und die ein biozidales Material enthält, durch Anodisierung bzw. Eloxierung des Implantates, um eine Oberflächenschicht zu bilden, und anschließende Durchführung eines Ionenaustausches, um Ionen aus einem biozidalen Metall in die Oberflächenschicht einzubringen, wobei das Verfahren eine Anodisierung des Implantates bei einer Spannung oberhalb 50 V für eine Zeitdauer von mindestens 30 Minuten umfasst, um die Oberflächenschicht zu erzeugen, wobei die Stromdichte, die Elektrolytkonzentration, die Dauer der Anodisierung und die Höhe der Anodisierungsspannung so sind, dass die Anodisierung eine dichte harte Oberflächenschicht und außerdem flache Grübchen in der Oberflächenschicht erzeugt, die mit einem etwas weicherem und poröserem Material gefüllt werden.
Das biozidale Material sollte vorzugsweise für mindestens 6 Wochen effektiv sein, vorzugsweise für bis zu 6 Monaten nach chirurgischer Behandlung, und die Freigaberate sollte gering sein, um toxische Auswirkungen auf Körperzellen zu vermeiden. Ferner ist die Gesamtmenge an biozidalem Material vorzugsweise ebenfalls begrenzt, um jegliche toxischen Effekte zu minimieren. Die Durchführung der Anodisierung bei einer Spannung oberhalb 50 V hat zwei Effekte: Sie erzeugt anfänglich eine dichte harte Oberflächenschicht, deren Dicke primär durch die Spannung bestimmt wird, und sie erzeugt dann in der Oberfläche flache Grübchen, die mit einem etwas weicheren und poröserem Material gefüllt werden. Die Absorption von biozidalen Metallionen findet in erster Linie in das Material innerhalb der flachen Grübchen statt, so dass die Gesamtmenge an biozidalem Material und dessen Freigaberate durch Steuerung der Stärke der Anodisierungsspannung und deren Dauer geregelt werden kann, um so die Anzahl und Größe der flachen Grübchen zu steuern. Die Anodisierung kann ausgeführt werden bei einer Spannung bis zu 500 V oder 750 V, wird jedoch gewöhnlicher zwischen 50 V und 150 V durchgeführt. Die Dauer kann bis zu 24 Stunden betragen, aber vorzugsweise nicht mehr als 12 Stunden, z.B. 2 Stunden oder 6 Stunden.
Es ist außerdem erwünscht, dass die Oberfläche vor der Erzeugung der Oberflächenschicht hochglanzpoliert wird. Dies kann z.B. durch Elektropolieren erzielt werden. Ein Vorteil der Durchführung der Anodisierung bei einer Spannung in diesem bedeutend höheren Bereich besteht darin, dass die Oberflächenbeschaffenheit nicht ernsthaft beeinträchtigt wird; wenn die Oberfläche vor der Anodisierung poliert wird, um so glänzend zu sein, dann wird sie nach dem Hochspannungs-Anodisierungsschritt glänzend bleiben. Dies steht im Gegensatz zu dem Effekt einer Niedrigspannungs-Anodisierung, die eine milchige oder matte Erscheinung an der Oberfläche erzeugt.
Im Prinzip kann ein Bereich unterschiedlicher Materialien für das biozidale Material verwendet werden. Gold, Platin und Palladium würden möglicherweise geeignet sein, wenn auch kostspielig; Silber wird bevorzugt, da es nicht wesentlich in Körperflüssigkeiten löslich ist, und zwar infolge des Vorhandenseins von Chloridionen und der geringen Löslichkeit von Silberchlorid. Andere Elemente wie Kupfer, Zinn, Antimon, Blei, Wismut und Zink könnten als Ionen, kombiniert in die Oberflächenschicht, verwendet werden. Die Freigaberate würde in diesem Fall in erster Linie durch die Stärke der Absorption der Metallionen in der Schicht gesteuert werden.
Der Ausdruck Titanmetallimplantat bezieht sich auf ein Implantat aus Metall, das vorwiegend Titan, vorzugsweise mindestens 75 Gewichts-% Titan ist. Die Erfindung ist anwendbar für prothetische Implantate, die aus reinem Titan oder einer Titanlegierung hergestellt werden. Die Standardlegierung für diesen Zweck ist: Titan 90 % mit 6 % Aluminium und 4 % Vanadium (British Standard 7252).
Vorzugsweise wird das Implantat anfänglich poliert, um eine sehr glatte Oberfläche vorzusehen. Eine Titanlegierung kann elektropoliert bzw. blankgeätzt werden unter Anwendung von Essigsäure oder einem Gemisch aus Salpeter- und Fluorwasserstoffsäure. Alternativ könnten die Implantate auch einer Kombination aus anodischer Passivierung mit mechanischem Polieren unterworfen werden, was einem "Electrolinishing" zugeordnet werden kann, wobei dieser Prozess das Oxid beseitigt, das Oberflächenrauheit schützt, wobei die Oberfläche an dieser Stelle dann elektromechanisch repassiviert wird, so dass ein spiegelglatter Oberflächenzustand erzeugt wird. Verschiedene Elektrolyte sind für diesen Zweck geeignet, einschließlich Salpetersäure, gemischt mit Schwefelsäure, Natriumhydroxid, Natriumphosphat oder mit Natriumnitrat gemischtes Natriumhydroxid.
Nach dem Polieren der Oberfläche des Metalls kann eine Oberflächenumwandlung stattfinden. Eine Schicht aus Metalloxid oder Phosphat wird durch Anodisierung bzw. Eloxierung in einem geeigneten Elektrolyt gebildet, so dass die Oxid- oder Phosphatschicht sich an der Oberfläche des Metalls aufbaut, wie oben beschrieben. Biozidale Metallionen können dann aus einer wässrigen Salzlösung in die Oxid- oder Phosphatmatrix absorbiert werden, z.B. die Ionen Ag⁺ oder Cu⁺ ⁺. Kationen von Palladium, Platin oder sogar Ruthenium könnten in einer ähnlichen Weise absorbiert werden. Wenn erwünscht, könnte abgelagertes Silber, Platin oder Palladium dann innerhalb der Oxid- oder Phosphat-Oberflächenschicht zu Metall umgewandelt werden, wobei diese Reduktion chemisch oder elektrochemisch oder durch Licht durchgeführt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand von Zeichnungen beschrieben, die folgendes darstellen:
1 eine schematische Schnittansicht durch einen Teil der Oberfläche eines Implantates, das einer Niedrigspannungs-Anodisierungsbehandlung unterworfen wird;
2 eine entsprechende Schnittansicht eines Implantates, das einer Hochspannungs-Anodisierungsbehandlung nach der Erfindung unterworfen wird, und
3 das Oberflächen-Zusammensetzungsprofil eines wie nach 2 behandelten Probeobjekts, wobei das Profil durch neutrale Sekundärspektroskopie bestimmt wird.
Ein Hüftimplantat wird aus einer Titanlegierung (Ti/Al/V) hergestellt. Das Implantat wird durch Ultraschall gereinigt, wobei zunächst Azeton als flüssige Phase verwendet wird und dann eine 1 M wässrige Lösung von Natriumhydroxid, und anschließend wird das Implantat in entionisiertem Wasser gespült. Die Oberfläche ist anfänglich glänzend mit einer blassgrauen Farbe. Das gereinigte Implantat wird dann in eine 12%-ige (nach Gewicht) gerührte Lösung von Phosphorsäure eingetaucht und 2 Stunden lang bei einer Maximalspannung von 100 V und einem Maximalstrom von 10mA/cm² eloxiert bzw. anodisiert, um so eine Oberflächenbeschichtung aus Titanoxid und Phosphat zu bilden. In ein paar Minuten wird eine dichte dielektrische Schicht auf der Oberfläche gebildet, und der Strom nimmt dann einen stabilen niedrigen Wert für den Rest der Anodisierungsperiode an. Die Oberfläche bildet eine harte Oberflächenschicht, die verschiedene Farberscheinungen infolge optischer Interferenzeffekte haben kann; während der anfänglichen Stufe der Anodisierung variiert die Oberflächenfarbe von Purpur/blau, über blau, grün, gelb, orange und dann schließlich rot. Eine Andosierung bei 100 V erzeugt eine Filmdicke von etwa 0,14 μm (140 nm). Das anodisierte (eloxierte) Implantat wird dann wieder in deionisiertem Wasser gespült.
Das Implantat wird dann in eine umgerührte 0,1 M wässrige Lösung von Silbernitrat eingetaucht und 2 Stunden darin belassen. Als eine Folge von Ionenaustausch befindet sich einiges Silberphosphat in der Titanphosphat-Beschichtung. Das Implantat ist dann fertig, um implantiert zu werden. Während der Einwirkung von Körperflüssigkeiten findet ein langsames Auslaugen von Silberionen aus der Phosphatschicht statt, so dass jegliche Bakterien in unmittelbarer Nähe des Implantates abgetötet werden. Eine aus dem Implantat herrührende Infektion wird somit unterdrückt.
Bezugnehmend auf 1, wo eine Anodisierung bzw. Eloxierung eines Titan-Implantates 30 bei 10 V zwei Stunden lang durchgeführt wird, fällt der Strom ab auf einen niedrigen Wert über die ersten paar Minuten während der Anodisierung bzw. Eloxierung, aber der Strom steigt dann wieder an bei Bildung einer porösen Oberflächenschicht mit 20 μm Makroporen und 1 μm Mikroporen. Dies erzeugt eine poröse Hochglanzoberflächenschicht 32, die etwas 2 μm dick ist, aus wässrigem Titanoxid und Phosphat. Dies ist hochgradig effektiv bei der Absorbierung von Silberionen und kann eine anfängliche Silberkapazität von etwa 70-100 μg/cm² liefern; dies ist gut unterhalb des toxischen Pegels, doch mehr als ausreichend, um den erforderlichen Biozidaleffekt zu liefern.
Unter Bezugnahme auf 2, wo eine Anodisierung bzw. Eloxierung bei einer hohen Spannung von 100 V für 2 Stunden durchgeführt wird, fällt der Strom, wie vorstehend erwähnt, anfänglich auf einen niedrigen Wert ab und bleibt dann konstant. Die Oberfläche bildet eine harte anodisierte Oxidschicht 34 mit einer typischen Dicke von ungefähr 0,14 μm, in der Grübchen 36 typischerweise mit einem Durchmesser um 5 μm und einer Tiefe um 0,4 μm vorhanden sind, die mit Titanoxid gefüllt sind als Ergebnis einer Hydrolyse einer lokalisierten Titanlösung. Derartige Grübchen 36 sind in der Draufsicht annähernd kreisförmig und nehmen zwischen 15 und 20 % des Oberflächenbereichs ein. Oberflächenanalysetechniken haben bestätigt, dass nach einer Ionenaustauschbehandlung das absorbierte Silber mit der Titanoxid/Phosphatphase an der Oberfläche verbunden wird; dies trifft zu sowohl für die Niedrigspannungs- als auch für die Hochspannungs-Anodisierungs- bzw. Eloxierverfahren. Die unter Hochspannung anodisierte Oberfläche absorbiert Silber zu einem kleinen Anteil an der äußeren Oberfläche der harten Schicht 34 und zu einem größeren Anteil innerhalb des mehr porösen Materials in den Grübchen 36; insgesamt ist eine etwas geringere Anfangskapazität für Silber vorhanden, typischerweise um 9 μg/cm² Dies ist noch ausreichend, um den gewünschten biozidalen Effekt zu erzeugen.
Somit bestehen die Auswirkungen der Anodisierung bei 100 V für 2 Stunden darin, eine harte und kompakte Oxidschicht zu erzeugen, deren Dicke abhängig ist von der Spannung (wobei die Beziehung annähernd 1,4 nm pro Volt beträgt), wobei dieser Film eine farbige Erscheinung, bestimmt durch die Filmdicke, aufweist und die Oberflächen-Mikrostruktur (z.B. eine polierte Oberflächen-Beschaffenheit) beibehält. Ferner ist die Oberfläche narbig bzw. löcherig mit etwa 0,3 μm tiefen Narben bzw. Grübchen, gefüllt mit wässrigem Titandioxid, das etwas weniger als ein Fünftel der Oberfläche bedeckt. Diese kann mit Silber bei etwa 9 μg/cm² beladen werden.
Messungen der Oberflächen-Zusammensetzung bei unterschiedlichen Tiefen unterhalb der Oberfläche wurden durchgeführt unter Anwendung der neutralen Sekundärmassen-Spektroskopie an einem Titanlegierungs-Probestück, das wie oben beschrieben behandelt ist. Die Ergebnisse sind in 3 dargestellt, auf die nunmehr Bezug genommen wird. Es ist zu bemerken, dass in dem Oberflächenbereich bis runter auf etwa 0,14 μm (markiert durch die gestrichelte Linie) die Zusammensetzung etwa 73 % Sauerstoff und etwa 18 % Titan enthält mit Phosphor bei etwa 6 %; dies entspricht der harten Oberflächenschicht 34. Es gibt dann eine Zone, in der die Titankonzentration zunimmt und die Sauerstoffkonzentration abnimmt, und zwar bis etwa 0,4 μm; dies entspricht den Tiefen, bei denen sich Grübchen bzw. Narben 36 befinden, die Titanoxid enthalten. Bei größeren Tiefen besteht die Zusammensetzung offensichtlich aus einer Titan/Aluminium-Legierung.
Messungen des Verlustes von Silber aus der Oberfläche des eloxierten Implantats in eine Lauge, die über die Oberfläche (mit einer Lineargeschwindigkeit von etwa 0,7 ml cm^-2 h^-1) fließt, wurden ebenfalls durchgeführt. Die Anfangsgeschwindigkeit der Silberfreigabe über die ersten 24 Stunden beträgt etwa 0,1 μg cm^-2 h^-1, wobei die Freigabegeschwindigkeit dann allmählich über die nächsten 24 Stunden auf etwa den halben Wert abfällt und dann für weitere 48 Stunden beständig bleibt, bevor sie erneut abnimmt. Aber über die gesamte Zeitdauer hinweg war die Konzentration von Silber im Auslaugungsmittel ausreichend, um biozidal zu sein.
Die Silberkapazität kann auf dreierlei Weise geregelt werden. Sie kann durch Änderung der Anzahl von Grübchen geändert werden, und dies kanngeschehen entweder durch eine Änderung der Spannung oder durch eine Änderung der Konzentration von Grübchenbildungsmitteln (wie beispielsweise Chlorid- oder Fluoridionen), die als Verunreinigungen in dem Phosphatelektrolyt vorhanden sind. Zum Beispiel kann die Konzentration solcher einwertiger Ionen durch eine selektive Anionen-Austauschbehandlung herabgesetzt werden; oder ihre Konzentration könnte durch Zugabe passender Säuren erhöht werden. Zum Beispiel könnte die Konzentration von Chloridionen durch Zugabe von NaCl oder Chlorwasserstoffsäure zu dem Phosphorsäureelektrolyt erhöht werden, und zwar vorzugsweise so, dass die Chloridionen-Konzentration nicht mehr als 500 ppm, mehr bevorzugt nicht mehr als 50 ppm beträgt. Alternativ könnten die Grübchen auf größere Tiefen und Durchmesser gezüchtet werden; dies kann erzielt werden, indem die Eloxierung bzw. Anodisierung über eine längere Zeitdauer durchgeführt wird.
Es kann außerdem angemessen sein, die Stromdichte zu ändern.
Durch eine Eloxierung bzw. Anodisierung bei einer höheren Spannung kann die Dicke der harten Oxidschicht erhöht werden, beispielsweise auf etwa 0,7 μm bei 500 V. Ist einmal diese Schicht gebildet worden, wie durch Stromabfall angezeigt, so kann die Spannung geändert werden. Während dieser zweiten Stufe werden die Grübchen gebildet und diese Grübchen. wachsen allmählich in der Größe; dies kann ausgeführt werden bei einer niedrigeren Spannung.
Es versteht sich, dass die Erfindung auch anwendbar ist bei Implantaten, die zumindest teilweise aus porösem Titan hergestellt sind, da der Hochspannungs-Eloxierungsprozess bzw. Anodisierungsprozess innerhalb der Poren wirksam ist. Dies kann zu bedeutend höherer Beladung von Silber pro Volumeneinheit des Implantates führen, und zwar wegen des viel größeren Oberflächenbereiches.
Die elektrische Verbindung zum Implantat, damit die Eloxierung durchgeführt werden kann, kann zum Beispiel über einen Titandraht erfolgen, der an das Implantat punktgeschweißt wird. Alternativ kann eine Sackbohrung in das Implantat gebohrt werden und die elektrische Verbindung durch eine Verbindungsschraube in dieser Bohrung hergestellt werden, wobei ein Dichtungsmittel (zum Beispiel Silikon) einen Elektrolytzugang zum Kontaktbereich verhindert. Freiliegende Teile des Verbindungsteils können gegen die Eloxierung beispielsweise durch ein PTFE-Isolierband geschützt werden. Nach dem Eloxierungsprozess würde das Verbindungsteil entfernt, und das Loch könnte durch einen biokompatiblen Stopfen z.B. aus eloxiertem Titan oder aus einem Polymer ausgefüllt werden.

Claims

Verfahren zur Behandlung eines Titanmetall-Implantates zur Verwendung bei einem chirurgischen Vorgang, im eine Oberflächenschicht zu bilden, die mit dem Metallsubstrat einstückig ist und ein biozidales Material enthält, durch eine Eloxierung (Anodisierung) des Implantats, um eine Oberflächenschicht zu bilden, und eine anschließende Durchführung eines Ionenaustausches, um Ionen aus einem biozidalen Metall in die Oberflächenschicht einzubringen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eine Eloxierung des Implantates bei einer Spannung oberhalb 50 V über eine Zeitdauer von mindestens 30 Minuten umfasst, um die Oberflächenschicht zu erzeugen, wobei die Stromdichte, die Elektrolytkonzentration, die Dauer der Eloxierung und die Stärke der Eloxierungsspannung derart bemessen sind, dass die Eloxierung eine dicke harte Oberflächenschicht und außerdem flache Grübchen in der Oberflächenschicht erzeugt, die mit einem etwas weicherem und poröserem Material gefüllt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das biozidale Metall Silber ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Eloxierungsschritt ein Elektrolyt verwendet, das Phosphorsäure aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Phosphorsäure eine Konzentration zwischen 5 % und 20 % nach Gewicht aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem der Elektrolyt Chloridionen bei einer Konzentration von nicht mehr als 500 ppm enthält.