DE60202608T2

DE60202608T2 - Biomedizinische titanimplantate

Info

Publication number: DE60202608T2
Application number: DE60202608T
Authority: DE
Inventors: Rien Stroosnijder; Fabrizio Billi
Original assignee: European Community EC Belgium; European Community EC Luxemburg
Current assignee: European Community EC Belgium; European Community EC Luxemburg
Priority date: 2001-07-09
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2022-07-10
Also published as: US20040166139A1; CA2452960A1; GB0116725D0; EP1404389B1; WO2003006080A1; JP2004533906A; EP1404389A1; ATE286750T1; DE60202608D1; NO20035853L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet biomedizinischer Implantate und insbesondere ein Verfahren zur Bildung einer Oxidschicht auf der Oberfläche eines biomedizinischen Titan- oder titanbasierten Implantats.
Eine Anforderung bei der Verwendung von endostealen Implantaten, beispielsweise endostealen Zahnimplantaten, besteht darin, eine Osseointegration und/oder Biointegration des Implantats im Knochen zu erreichen.
Für biomedizinische Implantate wurden zahlreiche verschiedene Materialien eingesetzt, doch nur wenige erfüllen die Anforderungen der Osseointegration in genügendem Maße. Titan und Legierungen auf Titanbasis sind die bevorzugten Werkstoffe, die für solche Implantate verwendet werden. Die Beschaffenheit des natürlichen Oberflächenoxids von Titan scheint dabei der grundsätzliche Faktor für gute Osseointegration zu sein. Das Oberflächenoxid scheint die Anlagerung biologischer Moleküle zu fördern und die Auflösung der Mengenelemente einzuschränken. Man geht davon aus, dass diese Freisetzung die biologische Reaktion auf das Zahnimplantat bestimmt.
Obwohl osseointegrierte Titanimplantate eine lange und erfolgreiche Geschichte bei der Behandlung zahnloser Patienten mit normaler Knochensubstanz verzeichnen, sind die durch klinischen Eingriff erzielten Ergebnisse weniger gut, wenn die Knochenquantität und -qualität zu wünschen übrig lässt. In solchen Fällen ist eine bessere Osseointegration ein bedeutender Faktor bei der Herstellung eines erfolgreichen Implantats. Darüber hinaus kann eine bessere Osseointegration den Zeitraum bis zu einer adäquaten Belastbarkeit verringern, der derzeit beim Oberkiefer bis sechs Monate dauern kann. Die wichtige Rolle des Oberflächenzustands für die klinische Leistung von titanbasierten Materialien bedeutete, dass sich die Aktivitäten zur Verbesserung der Eigenschaften dieser Materialien nicht nur auf die Zusammensetzung der Legierungen konzentrierten, sondern auch auf den Einsatz von Oberflächenbehandlungen.
Neben endostealen Zahnimplantaten gelten bei zahlreichen anderen biomedizinischen Implantaten ähnliche Anforderungen für gute Osseointegration.
Es wurden verschiedene Oberflächenbehandlungen zur Verbesserung der Haftung von Zellen an biomedizinischen Implantaten eingesetzt, einschließlich des Sandstrahlens der Oberfläche mit Körnchen eines Oxids von Titan und der Anwendung von Keramikbeschichtungen. Das Auftragen von porösen Beschichtungen wie beispielsweise einer 50–100 μm dicken Schicht des Hydroxyapatit-Typs (HA) durch Plasmaspritzen ist seit den frühen 1980ern verbreitet. Es wurden jedoch manche klinische Fragen in Bezug auf die Wirksamkeit der Beschichtungen aufgeworfen, die unter anderem die geringe mechanische Festigkeit der Beschichtung-Substrat-Zwischenfläche und die schwierige Herstellung einer gleichmäßigen Schicht auf komplex geformten Implantaten umfassen. Ein anderes Problem hinsichtlich des Plasmaspritzens besteht darin, dass man damit keine Beschichtungen anlagern kann, die dünner als ungefähr 40 μm sind. Das Langzeitverhalten dieser Keramikbeschichtungen wird wegen der kontinuierlichen (und in nicht geeigneter Weise geregelten) Auflösung der Beschichtung beeinträchtigt. Die Kristallinität der Beschichtung ist ein wesentlicher Faktor für die Bestimmung von Auflösungsgeschwindigkeiten, wobei amorphe Beschichtungen mehr zu Biodegradation neigen als kristalline. Ein weitere Frage ist die mögliche Zunahme des Korrosionsrate sowohl wegen der größeren Oberfläche als auch wegen der durch Spaltkorrosion bedingten Wirkungen. Andere Keramikbeschichtungen wurden mit anderen Methoden wie u. a. elektrochemischen Behandlungen hergestellt, doch bis jetzt wurden damit noch keine großen Erfolge erzielt. Es wurde auch von der thermischen Behandlung in Luft als einer Methode berichtet, mit der man die Ionenabgabe von einer titanbasierten Legierung in physiologische Lösungen reduzieren kann. Die Ionenabgabe von der oxidierten Oberfläche des Metalls kann durch mehrere Faktoren beeinflusst werden, beispielsweise durch höhere Oxiddicke (normalerweise ≥ ~4 nm gegenüber ~2,5 nm für das natürliche Oxid) und eine modifizierte Oxidstruktur.
US-A-4.746.532 offenbart eine Methode zur Herstellung von endostealen Implantaten, bei der ein Keramikmaterial auf die Oberfläche eines metallischen Titankernmaterials gesprüht wird, das vorher einer Oberflächen-Oxidationsbehandlung unter Wärmeeinwirkung in Luft unterzogen wurde. US-A-4.746.532 offenbart keine Wirkung, die mit der Feuchtigkeit der während des Oxidationsverfahrens verwendeten Luft in Zusammenhang steht.
Die vorliegende Erfindung sieht folglich ein Verfahren zur Herstellung eines biomedizinischen Implantats mit einem Oxid von Titan auf einer Oberfläche davon vor, wobei das Verfahren umfasst:

a) Bereitstellung eines biomedizinischen Implantats, von dem zumindest eine Oberfläche Titan oder eine Legierung davon umfasst;
b) Exposition der Oberfläche des biomedizinischen Implantats in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre mit einem Taupunkt von ≤ 0°C; und
c) Erhitzung der Oberfläche des biomedizinischen Implantats in der Atmosphäre, wodurch ein Oxid von Titan zumindest auf der Oberfläche gebildet wird.

Der Taupunkt der sauerstoffhaltigen Atmosphäre liefert einen Hinweis auf die Feuchtigkeit der Atmosphäre. Die Atmosphäre hat im Allgemeinen einen Taupunkt von ≤ 0°C, vorzugsweise von –60°C bis 0°C, bevorzugter von –50°C bis –5°C, bevorzugter von –40°C bis –10°C, noch bevorzugter von –30°C bis –15°C.
Aus dem erfindungsgemäßen Verfahren resultierte eine Verbesserung der Osseointegration des biomedizinischen Implantats gegenüber Titan- und titanbasierten Implantaten, die dem Stand der Technik entsprechen. Insbesondere die Oberflächenmorphologie des in Atmosphären mit einem Taupunkt ab ≤ 0°C gebildeten Oxidbelags scheint homogener zu sein als die, die sich bei Oxidation in einer feuchteren Umgebung – d. h. einer Umgebung mit höherem Taupunkt – bildet. Unter Verwendung einer Atmosphäre mit dem angegebenen Taupunkt kann also ein weniger fehlerhafter und besser haftender Oxidbelag gebildet werden, der durch eine gleichmäßigere äußere Oberfläche gekennzeichnet ist.
Der Taupunkt der sauerstoffhaltigen Atmosphäre kann während des Erhitzungsschritts bei einem im wesentlichen konstanten Wert aufrechterhalten oder alternativ während des Erhitzungsschritts verändert werden. Letzterer Ansatz kann dazu genutzt werden, die chemische Beschaffenheit und/oder Mikrostruktur der Oxidschicht in Bezug auf die Tiefe zu verändern. Demgemäss kann man zwei oder mehrere thermische Behandlungen in Umgebungen mit unterschiedlichem Feuchtigkeitsgrad kombinieren, um eine besser abgestufte Oxidstruktur zu erhalten.
Die Erhitzung erfolgt typisch bei einer Temperatur im Bereich von 300 bis 900°C, typischer von 700 bis 900°C, und wird normalerweise in einem geeigneten Ofen durchgeführt, der mit einer Quelle eines oxidierenden Gases sowie einem Ein- und Auslass versehen ist. Nach dem Erhitzungsschritt kann man das Implantat abkühlen lassen (z. B. Abkühlung im Ofen) oder aktiv kühlen, indem man eine Kühlflüssigkeit über das Implantat strömen lässt. Anschließend können weitere Oberflächenbehandlungsschritte durchgeführt werden. Das Implantat wird normalerweise vor der Verwendung sterilisiert.
Die Oberfläche des biomedizinischen Implantats kann während des Erhitzungsschritts bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten werden. Alternativ kann man die Temperatur während des Erhitzungsschritts verändern. Letzterer Ansatz kann wiederum dazu verwendet werden, Veränderungen in der chemischen Beschaffenheit und/oder Mikrostruktur der Oxidschicht in Bezug auf die Tiefe zu erzielen. Während der Oxidationsbehandlung können Temperatunwechsel vorgenommen werden, um die Haftung des Oxidbelags zu verbessern. Es versteht sich, dass man nicht-isotherme Behandlungen oder Temperaturwechsel durchführen kann, während die Feuchtigkeit der oxidierenden Atmosphäre im wesentlichen konstant gehalten wird. Alternativ kann man sowohl die Temperatur als auch die Feuchtigkeit der oxidierenden Atmosphäre verändern.
Die Erhitzung erfolgt typischerweise bei einer Aufheizgeschwindigkeit von bis zu 100°C/min, typischer von 10 bis 70°C/min, noch typischer von 30 bis 50°C/min.
Die Erhitzung kann für irgendeinen geeigneten Zeitraum fortgeführt werden, um die gewünschte Oxidmorphologie und/oder -dicke zu erzielen. Beispielsweise kann die Erhitzung allgemein bis zu 200 Stunden, bis zu 150 Stunden, bis zu 100 Stunden, bis zu 50 Stunden, bis zu 10 Stunden oder bis zu 1 Stunde dauern.
Die oxidierende Atmosphäre kann Sauerstoffgas und/oder ein sauerstoffhaltiges molekulares Gas oder einen sauerstoffhaltigen Dampf umfassen bzw. daraus bestehen. Ein Beispiel für eine geeignete Atmosphäre ist Luft oder eine Gasmischung, die Sauerstoff und Stickstoff enthält. Der gewünschte Taupunkt der Atmosphäre, der ein Maß für deren Feuchtigkeit ist, kann dadurch erreicht werden, dass man einen Teil oder den Gesamtteil des bzw. der mehreren in der Atmosphäre enthaltenen Gase über Wasser strömen lässt. Die relative Feuchtigkeit der Atmosphäre beträgt vorzugsweise unter 10% bei 22°C, bevorzugter unter 5%, noch bevorzugter unter 1%. Der Wasser-Teildruck beträgt vorzugsweise unter 500 Pa, bevorzugter unter 200 Pa.
Die Oberfläche des biomedizinischen Implantats kann technisch reines Ti (cp Ti, Sorten 1, 2, 3 oder 4) oder die Legierung Ti6Al4V umfassen. Das biomedizinische Implantat kann teilweise oder ganz aus Titan oder einer Legierung davon gebildet werden. Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren an einem Teil des Implantats oder am ganzen Implantat durchgeführt werden kann.
Der hier verwendete Begriff Implantat soll alle Arten von biomedizinischen und dentalen Implantaten einschließlich Komponenten und Teilen davon umfassen.
Das auf der Oberfläche des biomedizinischen Implantats gebildete Oxid von Titan umfasst normalerweise eines oder mehrere von TiO₂, TiO und Ti₂O₃.
Das biomedizinische Implantat ist vorteilhafterweise ein endosteales Implantat, vorzugsweise ein endosteales Zahnimplantat, einschließlich Komponenten und Teilen davon.
Es versteht sich, dass vor oder nach der Oxidationsbehandlung zusätzliche Oberflächenveränderungen am biomedizinischen Implantat wie beispielsweise mechanische Behandlungen der Oberfläche (z. B. Kugelstrahlen), chemische Behandlungen (z. B. Ätzen) und physikalische Behandlungen (z. B. Ionenimplantation) durchgeführt werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf Wunsch ferner einen Sterilisationsschritt umfassen.
Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Methode zur Bildung einer Oxidschicht auf der Oberfläche eines aus Titan oder einer Legierung davon gebildeten biomedizinischen Implantats vor, wobei die Methode umfasst:

i) Exposition des biomedizinischen Implantats in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre mit einem Taupunkt von ≤ 0°C; und
ii) Erhitzung zumindest einer Oberfläche des biomedizinischen Implantats in der Atmosphäre, um darauf ein Oxid von Titan zu bilden.

Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Methode zur Verbesserung der Osseointegration eines aus Titan oder einer Legierung davon gebildeten biomedizinischen Implantats vor, wobei die Methode umfasst:

Um Zweifeln vorzubeugen, sind alle in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Merkmale gleich anwendbar, entweder einzeln oder in Kombination mit den hier beschriebenen Methoden.
Die vorliegende Erfindung sieht auch ein biomedizinisches Implantat vor, das durch ein hier beschriebenes Verfahren oder eine hier beschriebene Methode erhältlich ist oder wann immer dadurch hergestellt wurde.
Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft anhand der folgenden Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigen:
1(a): eine REM-Mikrofotografie, die die Oberflächenmorphologie von Titan darstellt, das bei 800°C 150 Stunden lang in trockener Luft (Taupunkt unter –40°C) exponiert war; und
1(b): eine REM-Mikrofotografie, die die Oberflächenmorphologie von Titan darstellt, das bei 800°C 150 Stunden lang in feuchter Luft (Taupunkt ungefähr 8°C) exponiert war.
Man sieht, dass die in der Mikrofotografie von 1(a) dargestellte erfindungsgemäße Titanprobe eine weitaus homogenere Struktur aufweist als die in 1(b) dargestellte nicht erfindungsgemäße Titanprobe.
Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Oberflächenveränderung eines Ti- oder Ti-basierten chirurgischen oder biomedizinischen Implantats durch eine thermische Behandlung in einer oxidierenden Umgebung wie beispielsweise Luft bewirkt. Die Feuchtigkeit der Atmosphäre wird auf einen Wert geregelt, der niedriger als der in normaler Laborluft ist. Mit anderen Worten: Die Luft ist getrocknet. Es wird davon ausgegangen, dass die Anwesenheit von Wasser die Oxidationsrate steigert.
Das Verfahren und die Methoden gemäß der vorliegenden Erfindung bieten mehrere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Erstens führt die vorliegende Erfindung zu einer besseren Osseointegration des biomedizinischen Implantats. Zweitens wird auch die Haftung des Oxidbelags auf dem darunter liegenden Basismaterial verbessert. Drittens ermöglicht die vorliegende Erfindung von ihrem Wesen her komplex geformte Implantate, deren Oberfläche im wesentlichen gleichmäßig zu behandeln ist. Viertens wurde festgestellt, dass das Verfahren und die Methoden gemäß der vorliegenden Erfindung auch zu einer Reinigungswirkung führen, durch die Verunreinigungen entfernt werden können.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines biomedizinischen Implantats mit einem Oxid von Titan auf einer Oberfläche davon, wobei das Verfahren umfasst: a) Bereitstellung eines biomedizinischen Implantats, von dem zumindest eine Oberfläche Titan oder eine Legierung davon umfasst; b) Exposition der Oberfläche des biomedizinischen Implantats in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre mit einem Taupunkt von ≤ 0°C; und c) Erhitzung der Oberfläche des biomedizinischen Implantats in der Atmosphäre, wodurch ein Oxid von Titan zumindest auf der Oberfläche gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die sauerstoffhaltige Atmosphäre einen Taupunkt von –60°C bis 0°C, vorzugsweise von –50°C bis –5°C, bevorzugter von –40°C bis –10°C, noch bevorzugter von –30°C bis –15°C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Taupunkt der sauerstoffhaltigen Atmosphäre während des Erhitzungsschritts bei einem im wesentlichen konstanten Wert aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Taupunkt der sauerstoffhaltigen Atmosphäre während des Erhitzungsschritts verändert wird.
Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Erhitzung der Oberfläche des biomedizinischen Implantats bei einer Temperatur im Bereich von 300 bis 900°C, vorzugsweise von 700 bis 900°C durchgeführt wird.
Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche des medizinischen Implantats während des Erhitzungsschritts bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Temperatur der Oberfläche des biomedizinischen Implantats während des Erhitzungsschritts verändert wird.
Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Erhitzung der Oberfläche des biomedizinischen Implantats bei einer Aufheizgeschwindigkeit von bis zu 100°C/min, vorzugsweise von 10 bis 70°C/min, bevorzugter von 30 bis 50°C/min durchgeführt wird.
Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die sauerstoffhaltige Atmosphäre Sauerstoffgas und/oder ein sauerstoffhaltiges molekulares Gas oder einen sauerstoffhaltigen Dampf umfasst oder daraus besteht.
Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche des biomedizinischen Implantats technisch reines Ti (cp Ti, Sorten 1, 2, 3 oder 4) oder die Legierung Ti6Al4V umfasst.
Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zumindest auf der Oberfläche des biomedizinischen Implantats gebildete Oxid von Titan eines oder mehrere von TiO₂, TiO und Ti₂O₃ umfasst.
Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei das biomedizinische Implantat ein endosteales Implantat, vorzugsweise ein endosteales Zahnimplantat ist.
Methode zur Bildung einer Oxidschicht auf der Oberfläche eines aus Titan oder einer Legierung davon gebildeten biomedizinischen Implantats, wobei die Methode umfasst: i) Exposition des biomedizinischen Implantats in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre mit einem Taupunkt von ≤ 0°C; und ii) Erhitzung zumindest einer Oberfläche des biomedizinischen Implantats in der Atmosphäre, um darauf ein Oxid von Titan zu bilden.
Methode zur Verbesserung der Osseointegration und/oder Biointegration eines aus Titan oder einer Legierung davon gebildeten biomedizinischen Implantats, wobei die Methode umfasst: i) Exposition des biomedizinischen Implantats in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre mit einem Taupunkt von ≤ 0°C; und ii) Erhitzung zumindest einer Oberfläche des biomedizinischen Implantats in der Atmosphäre, um darauf ein Oxid von Titan zu bilden.
Biomedizinisches Implantat, erhältlich durch ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12 oder eine Methode nach Anspruch 13 oder 14.