DE60216288T2

DE60216288T2 - Elektrostatisches sprühbeschichten (eds) von biokompatiblen beschichtungen auf metallische substrate

Info

Publication number: DE60216288T2
Application number: DE60216288T
Authority: DE
Inventors: Arnoldus Johannes JANSEN; Johannes Schoonman; Cornelis Sander LEEUWENBURGH
Original assignee: Stichting voor de Technische Wetenschappen STW
Current assignee: Stichting voor de Technische Wetenschappen STW
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2002-07-11
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: EP1275442A1; ATE345880T1; EP1417039A1; EP1417039B1; WO2003006180A1; US20040241613A1; DE60216288D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftrag einer Beschichtung auf ein Implantat zur Knochenimplantation. Ein spezielles Beispiel für ein solches Implantat ist ein Zahnimplantat.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Implantate haben eine Funktion als Fixierungselemente im Knochen oder dienen als Verankerungselemente von orthopädischen und Zahnprothesen. Damit Implantate ihre Funktion erfolgreich ausüben können, wurde bisher vorgeschlagen, eine Beschichtung aus biokompatiblem Material auf das Implantat aufzutragen, um die Fixierung des Implantats auf dem Knochen zu fördern. Ein geeignetes biokompatibles Material kann Calciumphosphat umfassen. Speziell können Implantate mit Hydroxyapatit (Ca₅(PO₄)₃OH) beschichtet werden, da dies der Hauptbestandteil von Knochen ist.
Verschiedene Verfahren zum Auftrag von Hydroxyapatit auf Implantate sind bekannt, einschließlich elektrophoretische Abscheidung, Tauchbeschichtung, heißisostatisches Pressen und Plasmaspritzen. Das Plasmaspritzen wird für biomedizinische Anwendungen am häufigsten verwendet. Die Nachteile des Plasmaspritzverfahrens sind, dass relativ dicke Schichten mit wenigstens 50 μm gebildet werden müssen. Folglich hat die beschichtete Oberfläche möglicherweise nicht dieselbe Oberflächengeometrie wie das darunter liegende Implantat. Darüber hinaus fehlt es der aufgespritzten Beschichtung möglicherweise an mechanischer Festigkeit. Die Schicht ist brüchig und kann leicht abfallen. In der DE 4332082 A1 wird eine 50-μm-Hydroxyapatitschicht, die zum Teil porös ist, in zwei Schichten auf Titanstäbe aufgetragen. In der US 5 344 457 wird eine nichtporöse Hydroxyapatitbeschichtung durch Plasmaspritzen auf die aufgeraute Oberfläche des darunter liegenden Implantats aus Titanlegierung aufgetragen.
Entwicklungen zur Behebung dieser Nachteile des Plasmaspritzverfahrens konzentrierten sich auf Sputterverfahren zur Abscheidung dünner Schichten von Beschichtungsmaterial auf Implantaten. Beispiele für solche Sputterverfahren sind das Ionenstrahlsputtern, wie es in der US 4 944 754 beschrieben ist, und das Plasmasputterverfahren, wie es in der US 5 543 019 beschrieben ist. Obwohl durch Anwendung dieser Verfahren erfolgreich dünne Hydroxyapatitbeschichtungen auf Implantaten aufgetragen wurden, gibt es in Verbindung mit den Sputterverfahren mehrere Nachteile. Zunächst sind beim Sputterverfahren komplizierte und kostspielige Apparaturen, wie z.B. Hochvakuumanlagen, erforderlich. Der bedeutendste Nachteil ist jedoch, dass beim Sputterverfahren die Morphologie der aufgetragenen Beschichtungen nicht gesteuert werden kann. Es ist nur möglich, vollkommen dichte Beschichtungen aufzutragen. Die erfolgreiche Integration eines beschichteten Implantats im Knochengewebe hängt nicht nur von der physikochemischen Beschaffenheit des beschichteten Materials ab. Sie hängt auch von der Mikrostruktur und von der Rauhigkeit der Beschichtungsoberfläche ab. In der US 5 478 237 wird ein Film, der Calcium und Phosphor enthält und der gegebenenfalls durch hydrothermische Behandlung in Hydroxyapatit umgewandelt werden kann, durch ein elektrolytisches Verfahren auf der Oberfläche eines Körpers aus Titan oder Titanlegierung gebildet. Der Film hat dieselbe Topographie wie der Körper, auf dem er gebildet wurde, die Morphologie des Films selbst ist jedoch dicht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Implantate mit verbesserten Beschichtungen zur erfolgreichen Integration in Knochengewebe zur Verfügung zu stellen.
Es wurde jetzt überraschenderweise entdeckt, dass mit Hilfe des Verfahrens der elektrostatischen Sprühbeschichtung (ESD) eine Beschichtung aus biokompatiblem Material für Knochen auf einem Implantat aufgetragen werden kann. Vorteilhafterweise kann die Morphologie der Beschichtung durch Variieren der Parameter des ESD-Verfahrens gesteuert werden.
Im Wesentlichen besteht das ESD-Verfahren darin, eine Flüssigkeit durch eine Kapillare zu pressen, die einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, so dass die Flüssigkeit die Kapillare in Form eines Sprühnebels verlässt, dessen Form durch das elektrische Feld bestimmt wird. Die Flüssigkeit ist eine Lösung aus einem oder mehreren Vorläufern, aus denen die Beschichtung auf einem Objekt gebildet werden soll. Durch Platzieren eines Objekts in den gebildeten Sprühnebel scheidet sich die Vorläuferlösung auf dem Objekt ab.
Daher betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Auftrag einer Beschichtung auf ein Implantat zur Knochenimplantation, umfassend die Schritte des Pressens einer Vorläuferlösung durch eine Kapillare, die einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, und Platzieren des Implantats im Bereich des Sprühnebels, der am Ausgang der Kapillare austritt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die elektrostatische Sprühbeschichtung ist ein relativ kürzlich entwickeltes Verfahren. Speziell wurde es für die Herstellung von Dünnfilmkomponenten für wiederaufladbare Lithiumionenbatterien und zur Beschichtung von Festoxid-Brennstoffzellen mit Verbund-Elektrolyt-Dünnfilmen entwickelt (Chen, 1998, PhD thesis Technical University Delft: Thin film components for lithium-ion batteries).
In kurzen Worten kann das Verfahren beschrieben werden als eine Flüssigkeit, die, üblicherweise mittels einer Pumpe, durch eine Kapillare in Form einer Metalldüse, die einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, gepresst wird. Dadurch wird die Flüssigkeit den Düsenaustritt als Sprühnebel mit einer speziellen Form verlassen, abhängig von dem zugrunde liegenden elektrohydrodynamischen Mechanismus. Wenn ein Objekt vor den Düseaustritt platziert wird, wird sich die aus der Düse austretende Flüssigkeit auf dem Objekt abscheiden.
Die Bildung eines Sprühnebels durch ein elektrisches Feld ist ein Verfahren, bei dem ein Flüssigkeitsstrahl unter dem Einfluss elektrischer Kräfte zu Tröpfchen aufbricht. In Abhängigkeit von der Stärke des elektrischen Feldes und der kinetischen Energie der aus der Düse austretenden Flüssigkeit werden verschiedene Formen von Sprühnebeln erhalten werden.
Bei den niedrigsten Flüssigkeitsfließgeschwindigkeiten und einem niedrigen elektrischen Feld tritt eine Mikrotröpfchenbildung auf. Das angelegte elektrische Feld erzeugt eine Oberflächenladung in dem Tropfen, was zu einer elektrischen Spannung führt, die die effektive Oberflächenspannung in der Tropfenoberfläche verringert. Ein kleines Tröpfchen wird ausgestoßen werden. Der große Tropfen an der Kapillare kehrt zu seiner ursprünglichen Form zurück. Er wird erneut zu wachsen beginnen, bis ein neues Tröpfchen ausgestoßen wird.
Bei einer höheren Flüssigkeitsfließgeschwindigkeit und bei einem höheren elektrischen Feld als bei der Mikrotröpfchenbildung tritt der Kegelstrahlmodus auf. Im Gegensatz zur diskontinuierlichen Tropfenbildung erzeugt der Kegelstrahl ein Aerosol mit einem kontinuierlichen Strom. Eine Erhöhung der angelegten Spannungsdifferenz wird zu einer höheren elektrischen Feldstärke um den Flüssigkeitskegel herum führen. An einem bestimmten Punkt entspannt sich der Flüssigkeitskegel nicht mehr zu einer Tropfenform, und die Tropfenbildung wird dauerhaft stabil. Dies ist der Kegelstrahlmodus. Mit steigender Spannungsdifferenz wird der Flüssigkeitskegel des Kegelstrahlmodus kleiner und kleiner. An einem bestimmten Punkt ist der Flüssigkeitskegel zu klein für die Kapillare. Der Kegel wandert von der Mitte der Kapillare zum Rand. Wenn die Spannungsdifferenz weiter steigt, wird ein zweiter Kegel auftreten; der so genannte Duostrahlmodus. Mit steigender Spannungsdifferenz werden immer mehr Kegel gebildet. Bei einem Mehrfachstrahlmodus sind die Böden dieser Kegel noch immer verbunden. Zusammen können diese Kegel als ein Tropfen mit mehreren Sprühpunkten betrachtet werden. Es kann auch eine große Zahl von sehr kleinen Kegeln in einer dünnen Schicht Flüssigkeit am Rand der Kapillare gebildet werden, dies wird als Randemissionsmodus bezeichnet.
Wenn die Flüssigkeitsfließgeschwindigkeit relativ hoch ist, dann kann die kinetische Energie der aus der Kapillare austretenden Flüssigkeit zur Bildung eines langen freien Strahls führen, der zu Tröpfchen aufbricht. Dies ist der Einfachstrahlmodus. Durch Erhöhen des elektrischen Feldes um diesen langen Strahl können kleine Strahlen seitlich aus der Oberfläche des Hauptstrahls austreten. Diese Strahlen brechen zu einem polydispersen Sprühnebel auf. Dieser Modus wird Verzweigtstrahlmodus bezeichnet.
Gemäß der Erfindung wurde vorzugsweise der Duostrahlmodus verwendet. Die Flüssigkeitskegel im Duostrahlmodus sind relativ klein, da eine relativ große Spannungsdifferenz über die Elektroden angelegt wird. Im Duostrahlmodus ist der Strom pro Sprühpunkt relativ groß, verglichen mit der Situation mit der gleichen Düse mit nur einem großen daran gebundenen Kegel. Dies bedeutet, dass die Größenverteilung eines im Duostrahlmodus erzeugten Sprühnebels höchstwahrscheinlich etwas breiter ist als bei einem im Kegelstrahlmodus bei Verwendung derselben Düse erzeugten Sprühnebels.
Für die Zwecke des ESD-Verfahrens ist die Flüssigkeit eine Lösung aus einer oder mehreren Komponenten, die die Beschichtung auf dem Objekt enthalten sollte. Letztere Komponenten werden als Vorläufer bezeichnet, und eine Lösung davon wird als Vorläu ferlösung bezeichnet. Wenn sie auf einem Objekt abgeschieden sind, wird beim Abdampfen der Lösungsmittelkomponente der Vorläuferlösung eine Beschichtung aus Vorläuferkomponente(n) der Flüssigkeit auf dem Objekt verbleiben. Wie in den Beispielen angegeben, spielen mehrere Parameter bei dem ESD-Verfahren eine Rolle und haben Einfluss auf das Endergebnis, d.h. die Beschichtung auf einem Objekt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass sich das elektrostatische Sprühbeschichtungsverfahren zum Auftrag einer Beschichtung auf Implantate zur Knochenimplantation eignet.
Verglichen mit bekannten Verfahren zum Auftrag von calcium- und phosphathaltigen Filmen ermöglicht das Verfahren der Erfindung vorteilhafterweise die Bildung anderer Morphologien als nur einer dichten Beschichtung. Speziell kann die Morphologie der aufgetragenen Beschichtung durch Auswahl der ESD-Parameter gesteuert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass, verglichen mit den dichten Beschichtungen, die gemäß des Stands der Technik aufgetragen werden können, die Erfindung den Auftrag von porösen Beschichtungen ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Topographie der Oberfläche des Objekts, das beschichtet wird, in der Beschichtungsmorphologie widerspiegelt. Dies ermöglicht die Herstellung von maßgefertigten Beschichtungen auf einer speziell hergestellten Oberfläche. Die Beispiele zeigen die stabile Anbindung von Zellen und das anschließende reichliche Zellwachstum an Beschichtungen, die durch das Verfahren der Erfindung abgeschieden wurden. Zusätzlich ist, insbesondere in 5, der Einfluss der Oberflächenmorphologie auf die Anbindung von Zellen gezeigt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Auftrag einer calcium- und phosphathaltigen Beschichtung bevorzugt, da die Beschichtung vorzugsweise biokompatibel mit Knochengewebe ist und Calcium und Phosphat die Hauptbestandteile von Knochengewebe sind. Die Beschichtung enthält zum Beispiel Calciumphosphat (CaHPO₄), Monocalciumphosphat (Ca(H₂PO₄)₂), Tricalciumphosphat (Ca₃(PO₄)₂), Tetracalciumphosphat (CaO·Ca₃(PO₄)₂) oder Octacalciumphosphat (Ca₈H₂(PO₄)₆·5H₂O). Die häufigste Form, in der Calcium und Phosphat im Knochengewebe vorhanden sind, ist in Form von Apatiten. Apatite haben die allgemeine Formel Ca₅(PO₄)₃X, wobei X ein geeignetes Anion ist, zum Beispiel OH, CO₃, F, Cl oder NO₃. Vorzugsweise ist X OH oder CO₃, was zu Apatiten führt, die Hydroxyapatit (Ca₅(PO₄)₃(OH)) bzw. Carbonatapatit (Ca₅(PO₄)_x(CO₃)_y) genannt werden.
Somit enthält gemäß der Erfindung die Vorläuferlösung Calcium und Phosphat. In diesem Zusammenhang bedeutet "calciumhaltig" Ca²⁺-Ionen enthaltend, und "phosphathaltig" bedeutet PO₄ ^3–-Ionen enthaltend, wobei H₃PO₄, H₂PO₄ ^– und HPO₄ ^2– umfasst sind.
Das Molverhältnis von Calcium zu Phosphat in der Vorläuferlösung bestimmt die Zusammensetzung der Beschichtung. Die Beschichtungen haben vorzugsweise ein Molverhältnis von Calcium zu Phosphat im Bereich von 0,5 bis 2,0. Ein Verhältnis von 1,5 entspricht Tricalciumphosphat, und ein Verhältnis von 2,0 entspricht Tetracalciumphosphat. Für eine Hydroxyapatit enthaltende Beschichtung wird ein Calcium-Phosphat-Verhältnis von 1,67 verwendet. Wenn ein höheres Verhältnis, insbesondere ein Verhältnis von 1,80, verwendet wird, ist die Bildung einer Carbonatapatit enthaltenden Beschichtung bevorzugt. Die relative Menge eines jeden Vorläufers, die in einer Vorläuferlösung nötig ist, kann vom Fachmann in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Beschichtung, die benötigt wird, ermittelt werden.
So liegt in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung das Molverhältnis von Calcium zu Phosphat in der Vorläuferlösung im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 2, vorzugsweise im Bereich von etwa 1,5 bis etwa 1,8, besonders bevorzugt im Bereich von etwa 1,67 bis etwa 1,8 und ganz besonders bevorzugt bei etwa 1,67.
Geeignete Vorläuferquellen für Calcium und Phosphat zur Herstellung einer Vorläuferlösung sind Calciumnitrat (Ca(NO₃)₂·4H₂O) und Phosphorsäure (H₃PO₄). Es fällt dem Fachmann nicht schwer, alternative Quellen für Calcium und Phosphat zu finden. Die absolute Konzentration von Vorläuferquellen hängt von der Löslichkeit der speziellen Vorläuferquelle in dem beim ESD-Verfahren verwendeten Lösungsmittel ab. Die Konzentration von Calciumnitrat liegt vorzugsweise im Bereich von 0,001-0,025 M. Folglich liegt die Konzentration von Phosphorsäure im Bereich von 0,0005-0,050 M.
In einer weiteren Ausführungsform enthält die Beschichtung glasbildende Komponenten. Solche Komponenten haben eine vorteilhafte Wirkung auf die Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem Implantat. Eine Beschichtung, die glasbildende Komponenten enthält, ist zum Beispiel 45S5 Bioglass^®, welches die folgende Zusammensetzung besitzt: SiO₂ 45,0 Gew.-%, P₂O₅ 6,0 Gew.-%, CaO 24,4 Gew.-% und Na₂O 24,5 Gew.-%. Der Fachmann wird in der Lage sein, verschiedene Zusammensetzungen zu ermitteln, die unter ESD-Bedingungen ein Glas bilden. Um eine Beschichtung, die glasbildende Komponenten enthält, mittels des ESD-Verfahrens aufzutragen, müssen neben Calcium und Phosphat geeignete Vorläufer für Silicium und Natrium verwendet werden. Geeignete Vorläufer sind zum Beispiel Tetramethylorthosilicat ((CH₃)₄O₄Si) und Natriumhydroxid (NaOH). In Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Komponenten in der Beschichtung wird der Fachmann die erforderlichen relativen Mengen an Vorläufern in einer Vorläuferlösung bestimmen können.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Vorläuferlösung Additive enthalten, wie z.B. Wasser (vorzugsweise 1-5 Vol.-%) oder Salpetersäure (HNO₃ 65% 0,25-1 Vol.-%), die die Morphologie der Beschichtung beeinflussen.
Das ESD-Verfahren ermöglicht auch den Auftrag von (Poly)peptiden oder Proteinen auf eine Substratoberfläche. In einer weiteren Ausführungsform kann die Vorläuferlösung auch Elemente enthalten, die das Zellwachstum fördern, wie zum Beispiel knochenwachstumsfördernde Proteine.
Der Vorläufer löst sich vorzugsweise gut in dem Lösungsmittel der Vorläuferlösung. Ein Niederschlag des Vorläufers in dem Lösungsmittel sollte vermieden werden, um das Verstopfen der Düse in der ESD-Apparatur zu verhindern. Der Siedepunkt des Lösungsmittels ist ein wichtiger Parameter zur Steuerung der Morphologie der Beschichtung.
Gemäß der Erfindung ist das Lösungsmittel vorzugsweise ein Alkohol. Typischerweise wird, abhängig von der erwünschten Morphologie, ein Alkohol mit einem niedrigen Siedepunkt oder ein Alkohol mit einem hohen Siedepunkt oder eine Mischung davon verwendet. Als Folge der Temperatur, auf die ein Implantat während des Beschichtungsverfahrens vorzugsweise erhitzt wird (siehe unten), hat das Lösungsmittel einen Siedpunkt von weniger als 450°C. Besonders bevorzugt liegt der Siedepunkt des Lösungsmittels im Bereich von 50°C-250°C. Ethanol, Siedpunkt 78°C, und Butylcarbitol (andere Namen für Butylcarbitol sind 2-(2-Butoxyethoxy)ethanol und Di(ethylenglycolbutylether), Siedepunkt 231°C, oder eine Mischung aus den beiden sind geeignete Lösungsmittel gemäß der Erfindung, es können jedoch genauso gut andere Alkohole oder Mischungen aus Alkoholen verwendet werden.
Damit das Implantat mittels des ESD-Verfahrens beschichtet werden kann, besteht das Implantat geeigneterweise aus Metall, oder wenigstens enthält die zu beschichtende Seite eine Metalloberfläche. In einer Ausführungsform gemäß der Erfindung sind geeignete Metalle für Implantate Niob, Tantal, Cobalt-Chrom-Legierungen, (Edel-) Stahl und insbesondere Titan und Titanlegierungen. Einige Metalle, wie zum Beispiel Titan, werden aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften und ihres natürlichen Vorkommens auf der Oberfläche eine Oxidschicht besitzen. Ein weiteres möglicherweise geeignetes zu beschichtendes Material ist Aluminiumoxid (Aluminiumoxid-Keramik; Al₂O₃).
Gemäß der Erfindung wird das zu beschichtende Implantat vorzugsweise erhitzt. Dies beeinflusst das Verdampfen des Lösungsmittels der Vorläuferlösung und beeinflusst folglich den Ausfällungsprozess, und somit wird letztlich die Morphologie der Beschichtung beeinflusst. In Abhängigkeit von der erwünschten Morphologie wird eine spezielle Heiztemperatur ausgewählt. Vorzugsweise wird das Implantat auf eine Temperatur im Bereich von 250°C bis 450°C erhitzt.
Wenn eine Beschichtung mittels des ESD-Verfahrens auf ein Implantat aufgetragen wird, kann das beschichtete Implantat einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Um eine Oxidation des Implantatmaterials zu vermeiden, sollte die Wärmebehandlung kurz sein, vorzugsweise 5-30 Sekunden dauern, und vorzugsweise mittels Infrarotstrahlung durchgeführt werden. Eine solche Wärmebehandlung beeinflusst die Kristallinität der Beschichtung. Eine Wärmebehandlung bei höherer Temperatur führt zu einer "kristallineren" Beschichtung, wohingegen eine niedrigere Temperatur zu einer "amorpheren" Beschichtung führt.
Die Wärmebehandlung beeinflusst auch die Zusammensetzung der Beschichtung, da sie die Bildung von Hydroxyapatit einleitet. Die Kristallinität und Zusammensetzung der Beschichtung beeinflussen die Bindung von Zellen an die Beschichtung. Je nach speziellem Zweck, wird der Fachmann in der Lage sein, eine spezielle Zusammensetzung und Kristallinität auszuwählen, um diesen Zweck zu erfüllen.
So umfasst in einer weiteren Ausführungsform das Verfahren gemäß der Erfindung den Schritt des Erhitzens des beschichteten Implantats auf eine Temperatur im Bereich von 450-1250°C, vorzugsweise durch Infrarotstrahlung 5-30 Sekunden lang.
Mit der ESD kann eine dünne Beschichtung, die weniger als 20 μm dick ist, vorzugsweise weniger als 15 μm dick ist und besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 10 μm dick ist, ganz besonders bevorzugt 1 bis 5 μm dick ist, aufgetragen werden. Ein Parameter, der die Dicke der Beschichtung beeinflusst, ist die Zeit, innerhalb der eine Beschichtung auf ein Implantat aufgetragen wird. Üblicherweise erfolgt die Beschichtung in weniger als 2 Stunden und länger als 7,5 Minuten. Eine geeignete Entfernung zwischen dem Düsenaustritt und dem Implantat liegt im Bereich von 1-5 cm, vorzugsweise 2,5-3,5 cm.
Verglichen mit der Apparatur, die benötigt wird, um plasmagesputterte Beschichtungen aufzutragen, ist die ESD-Apparatur einfach, preiswert und leicht zu handhaben. 1 zeigt schematisch die entsprechende Apparatur. In dieser Figur läuft die Apparatur in vertikaler Position und sprüht nach oben. Andere Positionen, zum Beispiel horizontal, können jedoch genauso gut verwendet werden. Es ist auch möglich, eine vertikale Anordnung mit nach unten gerichtetem Sprühnebel zu verwenden. Die Größe und Art der Düse hat eine Auswirkung auf den Sprühkegel und kann variiert werden.
Die Geometrie der Düse hat auch einen bedeutenden Einfluss auf die Form des Sprühnebels. Der Auslass der Düse kann flach sein, oder die Spitze der Düse kann in einem Winkel enden, was als schräger Auslass bezeichnet wird. Zum Beispiel können schräge Auslässe mit 15° oder 30° oder noch höheren Werfen verwendet werden. Auch kann der Durchmesser der Düse variiert werden. In dem in den Beispielen beschriebenen Aufbau besitzt die Düse einen schrägen Auslass von 30° und einen Innen- und einen Außendurchmesser von 0,6 mm bzw. 0,8 mm. Somit liegt der Durchmesser der Düse typischerweise im Millimeterbereich.
Wie in den Beispielen beschrieben, spielen innerhalb des Parametersatzes, der das ESD-Verfahren beeinflusst, die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit, die durch die Kapillare gepumpt wird, und das angelegte elektrische Feld eine bedeutende Rolle. Gemäß der Erfindung liegt die Fließgeschwindigkeit im Bereich von 0,2-5 ml/Stunde, vorzugsweise im Bereich von 1-3 ml/Stunde. Die Stärke des elektrischen Feldes liegt vorzugsweise im kV-Bereich, vorzugsweise im Bereich von 4-12 kV und besonders bevorzugt im Bereich von 6-9 kV. Wenn eine Düse mit einer Geometrie verwendet wird, die sich wesentlich von der in den Beispielen verwendeten Düse unterscheidet, müssen die oben angegebenen bevorzugten Werte für die Parameter möglicherweise angepasst werden. Wenn dies der Fall ist, ist der Fachmann leicht in der Lage, die richtigen Einstellungen zu ermitteln und zu einem geeigneten Wertebereich für alle Parameter zu gelangen.
Verglichen mit der Sputterbeschichtung hat die ESD einen hohen Abscheidungswirkungsgrad und das Verfahren ist relativ sauber. Zur Beschichtung größerer Objekte kann das Objekt in dem Sprühkegel von Position zu Position bewegt werden. Auch eine Anordnung mehrerer Düsen kann verwendet werden. Es ist auch möglich, ein größeres Objekt oder eine große Zahl von kleinen Objekten auf einem Förderband an einer Düse oder einer Anordnung von Düsen entlang zu führen.
Durch die richtige Auswahl der ESD-Parameter kann die Morphologie der Beschichtung gesteuert und von einer dichten Beschichtung zu einer granulösen Beschichtung, die in den Beispielen Brokkoli-Beschichtung genannt wird, sogar bis zu einer porösen Beschichtung mit netzförmiger zusammenhängender Porosität, die in den Beispielen Schwammbeschichtung genannt wird, variiert werden. Die poröse Beschaffenheit der Schwammbeschichtungen ist in den 2, 4, 5 und 7 veranschaulicht. Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) ist ein geeignetes Verfahren zur Untersuchung der Struktur und somit der Porosität der Beschichtung. Durch REM kann auch die Größe der Poren ermittelt werden.
Im Allgemeinen eignet sich ein beliebiges Implantat, von dem wenigstens ein Teil in Kontakt mit Knochengewebe steht, für die Beschichtung gemäß dem Verfahren der Erfindung. Beispiele für solche Implantate sind Stifte, Platten und Schrauben, die zur Fixierung im Falle von Knochenbrüchen oder anderen chirurgischen Verfahren verwendet werden, jedoch können auch Gelenke, wie z.B. Hüften und Knie, oder Teile von Gelenken, auf denen vorzugsweise Knochen ruhen sollen, geeignet gemäß dem Verfahren der Erfindung beschichtet werden. Von speziellem Interesse sind Zahnimplantate in Form von Schrauben zur Fixierung von Zahnprothesen, Kronen und Brücken.
Speziell weist die Schwammbeschichtung vorteilhafte Eigenschaften zur Anbindung von Zellen auf.
Vorzugsweise besitzt die Beschichtung Poren im Bereich von 0,1-25 μm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,5-15 μm und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,8-10 μm. Darüber hinaus ist die Beschichtung auf Implantaten zur Knochenimplantation eine poröse Beschichtung, die Calcium und Phosphat enthält, und die Beschichtung ist 0,5-20 μm dick, vorzugsweise ist die Beschichtung 0,5-15 μm dick, besonders bevorzugt ist sie 0,5-10 μm dick, ganz besonders bevorzugt ist sie 1-5 μm dick. Vorzugsweise besitzt die poröse Beschichtung Poren im Bereich von 0,1-25 μm, vorzugsweise im Bereich von 0,5-15 μm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,8-10 μm.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1: ESD-Aufbau in vertikaler Konfiguration.
2: Rasterelektronenaufnahme einer durch ESD erhaltenen Schwammbeschichtung.
3: Rasterelektronenaufnahme einer durch ESD erhaltenen Brokkoli-Beschichtung.
4: Rasterelektronenaufnahme, die den Einfluss der Substrattopographie auf die Morphologie einer durch ESD erhaltenen Schwammbeschichtung für ein maschinell bearbeitetes cp-Ti-Substrat zeigt.
5: Rasterelektronenaufnahme von RBM-Zellen, die nach 2-tägiger Kultur an Schwamm-ESD-Beschichtungen gebunden sind.
6: Rasterelektronenaufnahme von Brokkoli-ESD-Beschichtungen nach 7-tägiger RBM-Zellkultur.
7: Rasterelektronenaufnahme von Schwamm-ESD-Beschichtungen nach 7-tägiger RBM-Zellkultur.
BEISPIELE
ESD-Apparatur:
Bei dieser Untersuchung wurde zum Auftrag von anorganischen Beschichtungen ein vertikaler ESD-Aufbau (ESD-ACT-XY03, TU Delft) verwendet. 1 zeigt eine schematische Ansicht des Aufbaus, der in einer Abzugshaube betrieben wird.
Bei diesem Gerät ist der Sprühnebel von der Düse (1) nach oben zum Substrathalter (2) gerichtet. Der Aufbau besteht hauptsächlich aus den folgenden Teilen:

(i) Eine Elektrosprayeinheit mit einer Gleichstrom-Hochspannungs-Stromversorgung (3) (Fug, HCN14-20000), die Spannungen bis zu 20 kV liefern kann, eine Hohldüse (1) aus RVS-304-Edelstahl (< 0,08 Gew.-% C, 17,5-19,0 Gew.-% Cr, 9-11 Gew.-% Ni) mit einem Außendurchmesser, der kleiner als 1,00 mm ist, ein RVS-304-Substrathalter (2). Vorzugsweise wird der Substrathalter auf einem x-y-Tisch (nicht gezeigt), dessen Bewegung durch einen Computer gesteuert werden kann, montiert. Die Einheit kann eine Hochintensitäts-Halogenlampe (nicht gezeigt) umfassen, die die Sichtbarmachung des Sprühkegels (9) ermöglicht. Aus Sicherheitsgründen ist der Substrathalter vorzugsweise geerdet.
(ii) Eine Temperatursteuereinheit (Eurotherm Controls Model 2216), einschließlich eines Heizelements (4) und eines Temperaturreglers (5).
(iii) Ein Flüssigkeitszuführeinheit, verbunden mit einem Vorläuferflüssigkeitsspeicher (nicht gezeigt), die eine Spritzenpumpe (6) (Kd Scientific 100-3113), eine Spritze (7), vorzugsweise aus Glas mit einem Volumen zwischen 2,5 und 10 ml, und einen flexiblen Schlauch (8) aus einem chemisch resistenten Gummi, zum Beispiel Biopren/Marpren^®, mit einem Innen- und Außendurchmesser von 0,8 mm bzw. 4,0 mm, enthält.
(iv) Weitere Elemente, wie z.B. für den Hochspannungsbetrieb geeignete elektronische Verbindungskabel, ein digitales Abstandsmessgerät zur Messung des Abstands zwischen der Düse und dem Substrat, und ein Ablaufsammelbehälter (alle nicht gezeigt). Dieser Sammelbehälter ist bei der vertikalen, auf dem Kopf stehenden Sprühkonfiguration im Falle eines Flüssigkeitsüberlaufs in hohem Maße wünschenswert.

Auftrag von EDS-Beschichtungen
Der Sprühnebel geht in Richtung des erwärmten Substrathalters, welcher zum Beispiel ein technisch reines Ti-Substrat enthält. Für optimale Abscheidungsergebnisse sollten die Vorläuferlösungen klar sein und keine Ausfällungen enthalten, welche als Keimstellen für eine weitere Ausfällung dienen könnten. Für die reproduzierbare Erzeugung homogener Beschichtungen und zur Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Verfahrenssteuerung sollte eine vorzeitige Ausfällung der Vorläuferlösungen in der Glasspritze, dem Siliconschlauch oder der Metalldüse vor der Bildung des Sprühnebels vorzugsweise vermieden werden.
Daher werden für jeden Auftrag vorzugsweise frische und reine Vorläuferlösungen verwendet. Vor und nach eines jeden Beschichtungsdurchgangs werden die Spritze, der Siliconschlauch und die Düse mit reinem Ethanol gespült, um mögliche Ablagerungen zu entfernen. Zur gründlicheren Reinigung der Düse kann die Düse jeweils nach 5-stündiger Betriebszeit mit Ultraschall in 10-15 Vol-% HNO₃ in Ethanol gereinigt werden. Anorganisches und isolierendes Material, das auf dem Substrathalter neben den befestigten Substraten zurückbleibt, kann jeweils nach 5-stündiger Betriebszeit mit 10-15 Vol-% HNO₃ mit Ultraschall entfernt werden. Anschließend wird der Substrathalter mit reinem Ethanol gespült. Die Bildung einer Isolierschicht stört das homogene elektrische Feld zwischen der leitenden Düse und dem Substrathalter und somit das Sprühverfahren.
Das Substrat wird vor dem Auftrag mit Ultraschall in Aceton (15 Minuten) und Ethanol (15 Minuten) gereinigt.
Düsengeometrie
Die Geometrie der Düse beeinflusst den Sprühmodus. Zum Beispiel können Düsen mit einem flachen Auslass oder mit einem schrägen Auslass, d.h. die Spitze der Düse endet in einem Winkel von zum Beispiel 15° oder 30°, verwendet werden. Die hier nachstehend beschriebenen Ergebnisse wurden mit einer schrägen Düse mit einem Öffnungswinkel von 30° und einem Innen- und einem Aussendurchmesser von 0,6 bzw. 0,8 mm erhalten.
Vorläuferlösungen
Ca(NO₃)₂·4H₂O (Merck) und H₃PO₄ (85 Gew.-%, J.T. Baker) wurden als Vorläufer für Calcium bzw. Phosphat verwendet.
Calciumnitrat wurde aufgrund seiner höheren Löslichkeit, verglichen zum Beispiel mit Calciumacetat, verwendet. Bei der ESD werden apolare, alkoholische Lösungsmittel verwendet, in denen sich Salze nur schwer lösen. Darüber hinaus werden keine Nitrationen in kristalline ausgefällte Apatite eingebaut.
Phosphorsäure wurde anstelle des üblicherweise verwendeten Ammoniumphosphats (NH₄)₂HPO₄ ^2– mit zugesetztem NH₄OH als Quelle für Phosphationen verwendet. Dieser letztere Vorläufer scheint aufgrund der schnellen Niederschlagsbildung von Hydroxyapatit unter den stark alkalischen Reaktionsbedingungen ungeeignet. Die ESD basiert auf der Atomisierung von klaren Lösungen ohne jegliche Niederschlagsbildung vor der Erzeugung des Sprühnebels. Die Azidität der Vorläuferlösung sollte deshalb größer sein als die alkalischen Reaktionsbedingungen wässriger Ausfällungsverfahren.
In manchen Vorläuferlösungen wurde Wasser verwendet, um den Einbau von Hydroxylgruppen in die Apatitstruktur, falls eine solche stattfindet, zu untersuchen. Ebenso wurde manchmal HNO₃ (65%) zugegeben, um dessen Einfluss auf die Ausfällung gelöster Substanzen und die Sprüheigenschaften der Vorläuferlösungen zu untersuchen.
Lösungsmittel
Ethanol (ET, C₂H₆O) und Butylcarbitol (BC, C₈H₁₈O₃, 99%, Aldrich) wurden als niedrig- bzw. hochsiedende Lösungsmittel verwendet. Einige physikalische und chemische Daten sind nachstehend angegeben. Butylcarbitol wurde verwendet, um ein übermäßiges Verdampfen des Lösungsmittels während des Sprühvorgangs zu verhindern. Physikalische und chemische Daten der verwendeten Lösungsmittel
Bereich der Abscheidungsparameter
Um die Sprüheigenschaften, die Morphologie und die chemische Struktur der aufgetragenen dünnen Calciumphosphatfilme zu beeinflussen, können die folgenden Parameter variiert werden:

(i) Die angelegte Spannung V [kV]; die Spannungsdifferenz kann zwischen 4,0 und 12,0 kV für verschiedene Düsen variiert werden, um die Art und Weise des Elektrosprayverfahrens in qualitativer Weise zu beeinflussen.
(ii) Art der Düse; die Düse mit einem schrägen Auslass (Öffnungswinkel 30°) wurde zum Auftrag der Beschichtungen auf cp-Ti-Substrate verwendet.
(iii) Relative Vorläuferkonzentrationen, d.h. das Ca/P-Verhältnis; das molare Ca/P-Verhältnis der Vorläuferlösung wird sich in der Zusammensetzung der aufgetragenen Beschichtung widerspiegeln, zum Beispiel entspricht dem Ca/P-Verhältnis für Hydroxyapatit das Ca/P-Verhältnis der Vorläuferlösung von 1,67. Zum Beispiel kann ein Ca/P-Verhältnis von 1,80 dem Ca/P-Verhältnis eines CAp vom B-Typ entsprechen.
(iv) Absolute Vorläuferkonzentrationen; zum Beispiel kann die Ca²⁺-Konzentration zwischen 0,001 M und 0,025M variiert werden.
(v) Lösungsmittelzusammensetzung; zum Beispiel kann/können ein Alkohol mit einem niedrigen Siedepunkt (Ethanol; (ET)) oder ein Alkohol mit einem hohen Siedpunkt (Butylcarbitol (BC)) oder Mischungen davon verwendet werden.
(vi) Lösungsadditive; zum Beispiel kann Wasser (1-5 Vol-%) oder HNO₃ (65%ig) (0,25-1 Vol-%) zu den Vorläuferlösungen zugegeben werden.
(vii) Fließgeschwindigkeit Q [ml/h]; die Fließgeschwindigkeit der Vorläuferlösung kann zum Beispiel von 0,2 bis 5,0 ml/h variiert werden.
(viii) Substrattemperatur T [°C]; die Substrattemperatur kann variiert werden, und das Substrat kann auf eine Temperatur von zum Beispiel zwischen 250°C und 450°C erhitzt werden.
(ix) Düse-Substrat-Abstand d [cm]; d kann zum Beispiel von 2,5 cm bis 3,5 cm variiert werden.
(x) Abscheidungszeit; die Abscheidungszeit kann zum Beispiel von 7,5 Minuten bis 2 Stunden variiert werden.
(xi) Substrate; je nach Verwendung können Material und Form des Substrats variieren.

Auftrag von ESD-Beschichtungen mit definierten Morphologien
Netzförmige, schwammartige Beschichtungsmorphologien bilden sich unter feuchten Bedingungen mit nur mäßigen Abscheidungs- und Lösungsmittelabdampfgeschwindigkeiten, wohingegen sich brokkoliartige Beschichtungen als Folge einer beträchtlichen Lösungsmittelverdampfung und Ausfällung gelöster Stoffe bilden werden.
Um schwammartige Beschichtungsmorphologien zu synthetisieren, wurden relativ hohe Fließgeschwindigkeiten gewählt, wohingegen die Substrattemperatur und die Düse-Substrat-Abstände auf relativ niedrige Werte gesetzt wurden. BC wurde aufgrund seines hohen Siedepunkts als geeignetes Lösungsmittel gewählt, so dass ein verringerter Lösungsmittelverdampfungsgrad resultiert. Bei der Suche nach dieser einzigartigen Beschichtungsmorphologie wurden die folgenden Auftragsreihen durchgeführt, um den Einfluss der spezifischen Verfahrensparameter auf die Morphologie der erzeugten Beschichtungen zu untersuchen. In jeder Reihe wurden alle anderen Abscheidungsparameter konstant gehalten.

• Die Fließgeschwindigkeit Q: 0,5-1,0-1,5-2,0-2,5-3,0-4,0-5,0 ml/h
• Abscheidungszeit t: 7,5 Minuten-15 Minuten-22,5 Minuten-30 Minuten-1 Stunde-2 Stunden
• Substrattemperatur T: 300-325-350°C
• Substrattopographie: maschinell bearbeitete und polierte cp-Ti-Substrate
• HNO₃-Zugabe: 0 Vol-% und 0,5 Vol-% HNO₃ (65%)

Zur Bildung der brokkoliartigen Beschichtungsmorphologie wurden höhere Substrattemperaturen und größere Düse-Substrat-Abstände verwendet. Darüber hinaus wurde reines Ethanol aufgrund seines niedrigen Siedepunkts als Lösungsmittel verwendet. Es wurde jedoch auch versucht, brokkoliartige Morphologien mit reinem BC als Lösungsmittel zu synthetisieren.
Alle Beschichtungsmorphologien wurden mittels eines Rasterelektronenmikroskops (REM, JEOL JSM-35) untersucht.
Struktur der ESD-Beschichtungen: Wärmebehandlungen
Um einen Einblick in die Kristallstruktur und Molekularstruktur der abgeschiedenen Beschichtungen zu erhalten, wurden mehrere aufgetragene Beschichtungen Wärmebehandlungen unterworfen. Bei Verwendung herkömmlicher Wärmebehandlungen in einem elektrischen Ofen bei erhöhten Temperaturen und langer Dauer oxidierte das darunter liegende Ti-Substrat stark, wodurch eine ordnungsgemäße Charakterisierung der aufgetragenen CaP-Beschichtungen verhindert wurde. Daher wurden rasche Wärmebehandlungen mit einer Dauer von 5-30 Sekunden mit verschiedenen Intensitäten und Laufzeiten durch Infrarotstrahlung (Quad Ellipse Chamber, Modell E4-10-P, Research Inc.) durchgeführt. Es zeigte sich, dass Wärmebehandlungen bei niedrigen Temperaturen und mit kurzer Dauer die Oxidation von Titan und die Diffusion von Elementen, die die Bindung zwischen den Filmen und dem Titansubstrat beeinflussen, verringern konnten. Die Infrarotbestrahlung erfolgte unter Atmosphärenbedingungen. Die Maximaltemperatur der schnellen Wärmebehandlungen wurde mit einem nahe der Probe befindlichen Pt-PtRh-Thermoelement gemessen. Sowohl das Thermoelement als auch das beschichtete Substrat wurden auf flache, hitzebeständige Keramikplatten gelegt. Vor einer jeden schnellen Wärmebehandlung wurden die beschichteten Substrate mit einer niedrigen IR-Strahlungsintensität von bis zu ± 160°C vorgeheizt. Beim Erreichen dieser Temperatur wurde die tatsächliche Wärmebehandlung durchgeführt.
Obwohl dieses Verfahren ein sehr einfaches und schnelles Verfahren zur Durchführung von Wärmebehandlungen mit CaP-beschichteten Metallsubstraten ist, muss gesagt werden, dass die rasche Erwärmung keine Gleichgewichts-Wärmebehandlung ist. Langzeit-Diffusionseffekte, wie bei herkömmlichen Sinterbehandlungen, fehlen aufgrund der sehr kurzen effektiven Erwärmungsdauer. Auch stellt die beobachtete Temperatur, wie sie vom Thermoelement nach den beschichteten Substraten gemessen wird, nicht die tatsächliche Temperatur in der Keramikbeschichtung dar. Daher wurden die gemessenen Temperaturen als Anhaltspunkte anstatt als exakt gemessene Temperaturen betrachtet.
Nach den schnellen Wärmebehandlungen wurden die beschichteten Substrate einer Röntgenstrahlbeugung (XRD) und einer Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) unterworfen.
Zusammensetzung der ESD-Beschichtungen
Um die Zusammensetzung der aufgetragenen ESD-Beschichtungen zu charakterisieren, wurden einige Proben der Rutherford-Rückstreu-Spektroskopie (RBS) und der Energiedispersiven Spektroskopie (EDS) unterworfen.
Die RBS ist das einzige nichtdestruktive Verfahren, das gleichzeitig Informationen über Tiefe und Zusammensetzung liefert. Dieses Verfahren ist quantitativ bis zu einem Atomprozent nach "first principles" genau und benötigt keine Zusammensetzungs-Standards. Die Ortsauflösung, über die eine Analyse durchgeführt werden kann, beträgt ± 1 mm. Die Analysentiefe beträgt typischerweise wenige μm. Falls die RBS von CaP-Filmen ein Spektrum mit scharfen Ca- und P-Stufen ergibt, können Ca/P-Verhältnisse berechnet werden.
Die EDS wurde auch verwendet, um die elementare Zusammensetzung und Ca/P-Verhältnisse der aufgetragenen Beschichtungen zu charakterisieren. Reines stöchiometrisches Hydroxyapatit mit einem bekannten Ca/P-Verhältnis von 1,67 wurde als Referenzmaterial verwendet. Die EDS liefert jedoch nur halbquantitative Information, und die berechneten Ca/P-Verhältnisse sollten nur als ein Anhaltspunkt für das Ca/P-Verhältnis und nicht als exakter Wert aufgefasst werden.
Charakterisierungsverfahren
Rasterelektronenmikroskopie/Energiedispersive Spektroskopie
Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) wurde mittels eines JEOL-JSM 35-Mikroskop mit Beschleunigungsspannungen zwischen 10-20 kV durchgeführt. Alle erzeugten ESD-Beschichtungen wurden ohne Auftrag einer zusätzlichen Goldbeschichtung untersucht, da ihre porösen Morphologien einen ausreichenden Transport von Elektronen durch die Beschichtung ermöglichten, um ein Aufladen der Proben zu vermeiden. m Gegensatz dazu wurden alle spritzbeschichteten Proben und zellkultivierten Proben mit Gold sputterbeschichtet.
Das oben beschriebene Rasterelektronenmikroskop war mit einem energiedispersiven Röntgen-Mikroanalysator (Link ISI, Oxford Instruments Ltd.) ausgestattet. Die EDS wurde mit einer Vergrößerung von 500x bei einer Beschleunigungsspannung von 15 kV durch geführt. Stöchiometrischer Hydroxyapatit wurde als Standard zur Ermittlung von CaP-Verhältnissen verwendet.
Röntgenbeugung
CaP-Pulver, die durch Ausfällung von Vorläufern in BC hergestellt wurden, und alle CaP-Beschichtungen wurden der Röntgenbeugungs(XRD)-Analyse auf einem Dünnfilm-Philips-X-Ray-Diffraktormeter unter Verwendung von CuKα-Strahlung (PW 3710, 40 kV, 40 mA) unterworfen.
Pulver wurden in einem θ-2θ-Modus bei einem Abtastbereich von 2θ = 20° bis 2θ = 50° mit einer Schrittgröße von 0,02° 2θ, einer Abtastgeschwindigkeit von 0,01°2θ/s und einer Abtastzeit von 2 s/Schritt analysiert.
Beschichtungen wurden durch Fixieren der Probe in einer Position von 2,5° und Abtasten des Detektors zwischen 20° und 50° bei den gleichen Messbedingungen wie oben beschrieben analysiert.
Zellkulturproben wurden ebenfalls durch Dünnfilm-XRD analysiert, jedoch mit einem kürzeren Abtastbereich von 25° bis 40°2θ.
Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie
Die Infrarotspektren der Filme auf den Substraten wurden durch Reflektions-Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FTIR, Perkin-Elmer) erhalten, da die Infrarotstrahlung nicht durch das Titansubstrat dringen kann. Die Spektren wurden durch Berechnung des Mittels aus 30 Scans erhalten. Um die FTIR-Spektren der ausgefällten Pulver zu erhalten, wurde ein KBr-Verfahren angewandt: Das Probe/KBr-Gewichtsverhältnis betrug 1/250.
Rutherford-Rückstreu-Spektroskopie
Standard ⁴He⁺-Rutherford-Rückstreu-Spektroskopie (RBS) bei 2 oder 2,4 MeV mit Streuwinkeln von 170° und 120° wurde verwendet, um die Zusammensetzung der Beschichtungen zu ermitteln und Ca/P-Verhältnisse mit dem Computerprogramm RUMP zu berechnen.
Biologische Untersuchung von CaP-ESD-Beschichtungen
Unbeschichtete Titansubstrate
Unpolierte, maschinell bearbeitete technisch reine cp-Ti-Substrate (Durchmesser 12 mm, 1,5 mm dick) wurden in Aceton (15 Minuten) und Ethanol (15 Minuten) mit Ultraschall behandelt. Diese Scheiben wurden mittels des ESD-Verfahrens mit einer CaP-Beschichtung versehen.
ESD-CaP-Beschichtungen
Die Verfahrensbedingungen zur Abscheidung der durch ESD gewonnenen Schwamm- und Brokkoli-Beschichtungen waren wie folgt: ESD-Parameter für den Auftrag von Schwamm- und Brokkoli-Beschichtungen zur Zellkulturverwendung
Für beide ESD-Beschichtungsmorphologien wurde Butylcarbitol verwendet, obwohl angenommen wird, dass Ethanol aufgrund seiner niedrigeren Siedetemperatur bei der Synthese von brokkoliartigen Morphologien zu besseren Ergebnissen führen würde. Um jedoch die chemische Zusammensetzung sowohl der Brokkoli- als auch der Schwamm-Beschichtungen möglichst gleich zu halten, wurde Butylcarbitol auch zur Synthese der brokkoliartigen Beschichtungen verwendet.
Während des Auftrags der Reihe von Brokkoli-Beschichtungen verstopfte die Düse mit einem Öffnungswinkel von 30° aufgrund der Ausfällung von gelösten Stoffen, so dass eine spitzerer Düse mit einem Öffnungswinkel von 15° nötig war. Obwohl die Düsengeometrie das ESD-Verfahren für eine brokkoliartige Beschichtungsmorphologie beeinflussen kann, wird angenommen, dass die Abscheidungstemperatur über andere Abscheidungsparameter dominiert.
Nach dem Auftrag wurden die ESD-Beschichtungen durch IR-Strahlung wie zuvor beschrieben wärmebehandelt. Alle ESD-Beschichtungen wurden wenigstens einer schnellen Wärmebehandlung mit ± 500°C unterworfen, um Nitrat aus den Beschichtungen zu entfernen. Anschließend wurde die Hälfte der denitrierten Proben in zwei Schritten mit ± 570°C bzw. ± 600°C weiter wärmebehandelt. Diese letzteren Beschichtungen wurden "kristalline" Beschichtungen genannt (n=1). Die Beschichtungen, die nur bei ± 500°C denitriert worden waren, wurden "amorph" genannt (n=1). Röntgenbeugung und Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) wurden sowohl mit den amorphen als auch mit den kristallinen Brokkoli- und Schwammbeschichtungen durchgeführt, um ihre Kristall- und Molekularstruktur zu ermitteln.
Vor der Verwendung in den Zellkulturversuchen wurden alle beschichteten und unbeschichteten Proben in 70%igem Ethanol sterilisiert, zweimal in phosphatgepufferter Salzlösung (PBS) gewaschen, auf den Boden einer jeden Vertiefung einer 24-Well-Platte (Greiner B.V.) gegeben und 30 Minuten bei 37°C in Kulturmedium inkubiert.
Zellisolierung und -kultur
Für die biologische Untersuchung der Testmaterialien wurde ein Rattenknochenmark(RBM)-Zellkulturverfahren verwendet, wie es von Maniatopoulos et al., Cell Tiss. Res., 254, 1988, 317-330, beschrieben wurde. Zusammengefasst wurden beide Oberschenkelknochen von jungen erwachsenen Wistar-Ratten (Gewicht 100-120 g, Alter 40-43 Tage) entfernt und vier Mal mit α-Minimal Essential Medium (MEM, Gibco, Life Technologies), das 0,5 mg/ml Gentamycin (Gibco) und 3,0 μg/ml Fungizon (Gibco) enthielt, gewaschen. Anschließend wurden die Epiphysen abgeschnitten und die Diaphysen herausgespült, wobei α-MEM, angereichert mit 10% fötalem Kälberserum (FCS, Gibco, 50 μg/ml Ascorbinsäure (Sigma), 10 mM Na-β-Glycerophosphat (Sigma), 10^–8M Dexamethason (Sigma) und 50 μg/ml Gentamycin (Gibco), verwendet wurde. Schließlich wurden die Kulturen in einer angefeuchteten Atmosphäre aus 5% Luft, 5% CO₂ bei 37°C inkubiert. Nach 7 Tagen Primärkultur wurden die Zellen mittels Trypsin/EDTA (0,25% Gew./Vol.
Trypsin/0,02% EDTA, Ethylendiamintetraessigsäure) abgelöst, und die Zellen wurden in dem oben beschriebenen angereicherten Kulturmedium suspendiert.
Zellmorphologietest
RBM-Zellsuspension (1 ml pro Vertiefung, enthaltend 4 × 10⁴ Zellen) wurde zu den Testsubstraten zugegeben. Die Kulturen wurden 2, 7 und 14 Tage bei 37°C in 5% CO₂-Luft-Atmosphäre inkubiert. An den Inkubationstagen 1, 3, 6, 8, 10 und 13 wurde das Kulturmedium erneuert. Am Ende der verschiedenen Inkubationszeiträume (2, 7 und 14 Tage) wurden nichtgebundene Zellen durch Spülen mit PBS entfernt. Die gebundenen Zellen wurden mit 2% Vol./Vol. Glutaraldehyd in mit 0,1 M Natriumcacodylat gepufferter Lösung 15 Minuten fixiert, zweimal in 0,1 M mit Cacodylat gepufferter Lösung gespült und anschließend durch eine Ethanol-Gradientenreihe dehydratisiert. Anschließend wurden die Proben mit Tetramethylsilan (Merck) getrocknet. Schließlich wurden die Proben nach dem Sputterbeschichten mit Gold mittels eines Rasterelektronenmikroskops (REM, JEOL JSM-35) bei einer Beschleunigungsspannung von 15 kV untersucht. Die Röntgenbeugung wurde an denselben Proben durchgeführt, um die kristallographischen Eigenschaften der Beschichtungen nach der Kultur zu untersuchen.
Ergebnisse
Abscheidungsparameterbereich
Eine qualitative Beschreibung des Einflusses der verschiedenen Abscheidungsparameter, die oben angegeben wurden, auf die Sprüheigenschaften während der Beschichtungsbildung durch ESD wird angegeben.

(i) Bis zu elektrischen Feldstärken von etwa 2,4 kV/cm wurde der Kegelstrahl beobachtet. Die maximale Fließgeschwindigkeit im Kegelstrahlmodus für diese Vorläuferflüssigkeit betrug ± 0,5 ml/Stunde. Bei höheren Fließgeschwindigkeiten überflutete der Überschuss an Flüssigkeit einfach die Düse. Diese niedrige maximale Fließgeschwindigkeit hatte niedrige Abscheidungsgeschwindigkeiten und sehr lange Abscheidungszeiten zur Folge. Bei höheren Spannungen von mehr als ± 2,4 kV/cm wurde der Duostrahl-Elektrospraymodus beobachtet. Bei diesem Elektrospraymodus konnten aufgrund der höheren Beschleunigung der Flüssigkeit in den zwei Kegeln und Strahlen wesentlich höhere Fließgeschwindigkeiten von mehr als 5,0 ml/Stunde erzielt werden. Daher wurde zum Auftrag der Ca/P-Beschichtungen der Duostrahl-Sprühmodus gewählt. Mehrere Duostrahlmodi wurden im Hinblick auf die Homogenität der aufgetragenen Beschichtungen untersucht. Es wurde beobachtet, dass die Homogenität der Beschich tungen mit steigender Stabilität des Duostrahls abnahm. Gemischte Kegel- und Duostrahlmodi mit einem schnellen Wechsel zwischen den beiden Modi ergaben homogene Beschichtungen, wohingegen die Beschichtungen heterogen in zwei Teile aufgetrennt wurden, wenn ein stabilerer Duostrahl verwendet wurde. Dies konnte der Tatsache zugeschrieben werden, dass die zwei positiv geladenen Kegel in einem stabilen Duostrahl sich gegenseitig seitlich abstoßen. Als Folge davon existiert eine Trennung zwischen den zwei erzeugen positiv geladenen Sprühnebeln. Wenn das Substrat genau an der Stelle dieses Trennbereichs positioniert wird, welche eine sehr niedrige Sprühnebeltröpfchendichte aufweist, ist die Abscheidungsgeschwindigkeit lokal sehr niedrig, was zu heterogenen Beschichtungen führt. Im Gegensatz dazu ergaben die horizontalen Bewegungen der wechselnden Kegel in den gemischten Kegel/Duostrahl-Modi einen gemischten polydispersen Sprühnebel. Dies führte zu homogenen Sprühnebeltröpfchendichten und Beschichtungen.
(ii) Düsen mit schrägen Auslässen (Öffnungswinkel 15° oder 30°) wurden verwendet.
(iii) Die relativen Ca/P-Konzentrationen hatten einen indirekten Einfluss auf die Sprüheigenschaften. Lösungen mit einem Ca/P-Verhältnis von 1,80 (0,05M Ca(NO₃)₂·4H₂O + 0,028M H₃PO₄ in BC) bildeten innerhalb von 2 Stunden keinen Niederschlag. Im Gegensatz dazu enthielt das stöchiometrische Ca/P-Lösungsverhältnis von 1,67 (0,05M Ca(NO₃)₂·4H₂O + 0,03M H₃PO₄ in BC) eine etwas höhere H₃PO₄-Konzentration und begann nach ± 30 Minuten auszufallen. Da die meisten Abscheidungszeiten länger als 30 Minuten waren, konnte eine geringe Ausfällung während des Auftrags nicht verhindert werden. Niederschlagsbildende Vorläuferlösungen weisen eine Tendenz zu höheren Sprühmodi auf (Duo- und/oder Triostrahl, je nach Ausmaß der Niederschlagsbildung). Daher musste die angelegte Spannungsdifferenz während des Auftrags verringert werden, um im selben Duostrahl-Sprühmodus zu bleiben. Während des Auftrags fallen freie Ionen in der Flüssigkeit zu neutralen Verbindungen aus. Als Folge davon nimmt die Leitfähigkeit der Lösung ab, und der Strahldurchmesser steigt, wohingegen der Strom und die Oberflächenladungsdichte abnehmen. Folglich nimmt die kinetische Energie des Strahls ab. Es wird daher eine geringere elektrische Leistung (d.h. geringere Spannungsdifferenzen) benötigt, um in demselben Duostrahlmodus zu bleiben. In Anbetracht dessen ist die beobachtete Neigung hin zu höheren Sprühmodi eine logische Konsequenz, da die angelegte Spannungsdifferenz bei einem konstanten Wert gehalten wurde. Mit zunehmender Niederschlagsbildung und abnehmender Leitfähigkeit der Vorläuferlösungen wurde die angelegte Spannung tatsächlich zu hoch für den Duostrahlmodus.
(iv) Die absolute Vorläuferkonzentration beeinflusst direkt die Sprüheigenschaften in derselben Weise wie oben beschrieben. Die Verringerung der Ca²⁺-Vorläuferkonzentration von 0,005 auf 0,0025M Ca²⁺ in BC führte zu einer längeren (Duo)-Strahllänge und einer verringerten Spannungsdifferenz, die zur Aufrechterhaltung des Duostrahlmodus notwendig war. Wiederum entspricht die Verringerung der Vorläuferkonzentration einer niedrigeren Leitfähigkeit und folglich einer niedrigeren kinetischen Energie des Strahls. Daher wird eine geringere elektrische Leistung benötigt, um in demselben Duostrahl-Sprühmodus zu bleiben. Die längere Strahllänge wurde durch die verringerte Oberflächenladungsdichte im Strahl verursacht, welche von einer verringerten Schwingbewegung des Strahls begleitet war.
(v) Durch Verwendung von Butylcarbitol als Lösungsmittel wurden sehr klare und stabile Sprühnebel erhalten, was geeignete Sprüheigenschaften in Bezug auf die Leitfähigkeit und Oberflächenspannung widerspiegelt. Die hohe Siedetemperatur von BC ermöglichte eine klare Sichtbarmachung des Sprühverfahrens, da die Tröpfchenverdampfung unbedeutend war. Andererseits war die Leitfähigkeit der Vorläuferlösungen in Ethanol etwa um zwei Größenordnungen niedriger als bei Verwendung von Butylcarbitol als Lösungsmittel. Demzufolge war die beobachtete maximale Fließgeschwindigkeit in Ethanol-Vorläuferlösung viel niedriger, und die Abscheidungszeiten waren länger. Daher wurde BC als Standardlösungsmittel gewählt. Durch die niedrigere Dielektrizitätskonstante von BC, verglichen mit Ethanol, ist die Ausfällung von Vorläufer in BC allerdings leichter als in Ethanol.
(vi) Der Zugabe von Wasser folgte unmittelbar eine bedeutende Niederschlagsbildung, welche die Leitfähigkeit verringerte. Folglich stieg die Strahllänge an, und es wurde, wie bereits oben erwähnt, eine Neigung zum Triostrahlmodus beobachtet. Die Zugabe von HNO₃ führte zu einer höheren Leitfähigkeit. Als Folge davon wurde die Strahllänge aufgrund der abnehmenden Schwingbewegung des Strahls verringert. Darüber hinaus war aufgrund der höheren Leitfähigkeit mehr elektrische Leistung erforderlich, um einen stabilen Duostrahlmodus beizubehalten. Dies führt zu einer großen Oberflächenladungsdichte und einer höheren kinetischen Energie des Strahls. Demzufolge mussten höhere Spannungsdifferenzen angelegt werden.
(vii) Die Erhöhung der Fließgeschwindigkeit wurde von einer gleichzeitigen Erhöhung der Spannungsdifferenz begleitet, welche benötigt wurde, um ein Überlaufen der Vorläuferflüssigkeit zu verhindern. Wenn die Fließgeschwindigkeit ansteigt, steigt auch der Strom durch den Kegel an. Dieser Effekt tritt auf, da eine höhere Fließgeschwindigkeit mehr elektrische Leistung zur Beschleunigung der Flüssigkeit in dem Strahl erfordert. Die Erhöhung des Stroms führt auch zu einer gesteigerten Homogenität des Sprühnebels und der Beschichtung. Eine mögliche Erklärung dieses Phänomens ist die stärkere Schwingbewegung, die das Resultat eines höheren Stroms ist. Schwingen bedeutet ein Vermischen der Sprühnebeltröpfchen.
(viii) Die Substrattemperaturen hatten einen geringen Einfluss auf die Sprüheigenschaften. Bei Verwendung von Ethanol als Lösungsmittel bei hohen Substrattemperaturen und geringen Düse-Substrat-Abständen konnte kein stabiler Sprühnebel aufrechterhalten werden. Siedendes Ethanol in dem flüssigen Kegel destabilisierte die Sprühnebelbildung durch Bildung von Luftblasen. Ein zweiter, jedoch geringer Einfluss auf das Sprühnebelverhalten war die Beobachtung, dass das Verstopfen der Düse bei höheren Temperaturen aufgrund der Ausfällung von gelösten Stoffen im Inneren der Düse ein Problem wurde. Die Ausfällung schien von der hohen Temperatur der Düse ausgelöst zu werden. Dies steht im Einklang mit Gleichung 11, die theoretisch eine erhöhte Keimbildungsrate unter dem Einfluss einer hohen Ausfällungstemperatur vorhersagt. Bei hohen Substrattemperaturen ist aufgrund der hervorragenden Wärmeleitfähigkeit von Metallen im Allgemeinen auch die Temperatur der Metalldüse relativ hoch.
(ix) In Bezug auf den Einfluss der Temperatur auf das Verstopfungsverhalten der Düse führte auch ein kleiner Düse-Substrat-Abstand zu einem stärkeren Verstopfen der Düsen. Darüber hinaus wurde das Sieden von Ethanol in dem flüssigen Kegel bei kürzeren Abständen stärker.
(x) Die Abscheidungszeiten beeinflussten die Sprüheigenschaften indirekt. Längere Abscheidungszeiten von mehr als 45 Minuten führten unausweichlich zu einer vorzeitigen Ausfällung der Vorläuferlösung während des Auftrags, wenn übersättigte Lösungen mit einem Ca/P-Verhältnis von 1,67 verwendet wurden.

Auftrag von ESD-Beschichtungen mit definierten Morphologien
Verfahrensbedingungen
Optimierte Verfahrensbedingungen für den Auftrag von Schwamm- und Brokkoli-Beschichtungen mittels ESD waren wie folgt:
Schwammbeschichtungen (2) wurden durch Verwendung von relativ niedrigen Vorläuferkonzentrationen auch aufgrund der geringen Löslichkeit der Vorläufer in dem apolaren Lösungsmittel gebildet. Darüber hinaus entsprechen niedrige Vorläuferkonzentrationen niedrigen Leitfähigkeiten und großen Tröpfchengrößen. Der Duostrahl-Elektrospraymodus ermöglichte die Verwendung einer hohen Flüssigkeitsfließgeschwindigkeit, wobei man annimmt, dass diese zur Bildung von netzartigen zusammenhängenden Strukturen notwendig ist. Darüber hinaus ist die Substrattemperatur von 300°C nur 69°C höher als der Siedepunkt von Butylcarbitol. Folglich wird die Lösungsmittelverdampfung unbedeutend sein, da die sehr hohen Tröpfchengeschwindigkeiten von mehreren Zehntel m/s Flugzeiten in der Größenordnung von 0,1-1 ms entsprechen.
Im Gegensatz dazu können Brokkoli-Beschichtungen (3) durch Verwendung höherer Vorläuferkonzentrationen in Ethanol gebildet werden, was höheren Leitfähigkeiten und geringeren Tröpfchengrößen entspricht. Diese kleineren Tröpfchen unterliegen aufgrund einer höheren Substrattemperatur, eines größeren Düse-Substrat-Abstandes und eines Lösungsmittels, das viel schneller verdampft, einer höheren Lösungsmittelverdampfung. Auch führt die geringere elektrische Feldstärke des Kegelstrahls zu kürzeren Tröpfchenflugzeiten. Die maximale Fließgeschwindigkeit von Ethanollösungen im Kegelstrahlmodus war ziemlich niedrig. Ferner war die Abscheidungseffizienz aufgrund des großen Düse-Substrat-Abstandes geringer. Daher wurden längere Abscheidungszei ten benötigt, um Beschichtungen mit entsprechender Dicke, verglichen mit Schwammbeschichtungen, zu erhalten.
Einfluss von Abscheidungsparameter auf die Schwamm-Morphologien Fließgeschwindigkeit
Der Einfluss einer zunehmenden Flüssigkeitsfließgeschwindigkeit auf die Morphologie von durch ESD erzeugten Schwammbeschichtungen kann wie folgt zusammengefasst werden. Im Allgemeinen nahm die Porengröße ab, wohingegen die Porengrößenwandstärke aufgrund einer steigenden Menge an Abscheidungen von gelösten Stoffen pro Zeiteinheit anstieg.
Abscheidungszeit
Die ersten Eigenschaften der Schwammbeschichtungsmorphologie waren bereits nach 15-minütiger Abscheidungszeit zu erkennen.
Abscheidungstemperatur
Beim Wechsel der Substrattemperatur von 300°C auf 350°C ging die in einem anfänglichen Entwicklungsstadium ausgebildete Schwammbeschichtungsmorphologie in eine weniger zusammenhängende, brokkoliartige Morphologie über. Dies zeigt, dass die Substrattemperatur ein wesentlicher Parameter ist, der die Bildung der Schwammbeschichtung steuert.
Zugabe von HNO₃
Die Zugabe von 0,5 Vol-% HNO₃ führte zur Bildung von brokkoliartigen Beschichtungen anstatt Schwamm-Morphologien. Dies kann der erhöhten Leitfähigkeit der Vorläuferlösungen zugeschrieben werden, die kleineren Tröpfchengrößen entspricht. Folglich kommen die Tröpfchen an den Substraten in einem fast trockenen Zustand an.
Substrattopographie
2 zeigt den Einfluss der Substrattopographie auf die Morphologie der durch ESD erzeugten Schwammbeschichtungen für ein poliertes cp-Ti-Substrat. 2 zeigt, dass sich auf den polierten Substraten die Schwammbeschichtungsmorphologie ausbildet. Der Mechanismus der Bildung von Schwamm-Morphologien scheint nicht von der Gegenwart kleiner Rillen abzuhängen, obwohl die Orientierung der Schwamm-Morphologie durch kleine, von der maschinellen Bearbeitung stammende Mikrorillen gesteuert wurde. 4 zeigt den Einfluss der Substrattopographie auf die Schwammbeschichtungsmorphologie für ein maschinell bearbeitetes cp-Ti-Substrat. In 4 sind leicht die großen Rillen der maschinellen Bearbeitung zu erkennen, die sich in der Beschichtungsmorphologie als Folge der bevorzugten Landung geladener Sprühnebeltröpfchen auf Bereichen mit positiver Krümmung widerspiegeln. Schwamm-Morphologien ordneten sich entlang kleiner Maschinenbearbeitungsrillen an.
Einfluss der Substrattemperatur auf die Beschichtungsstruktur
Schwammbeschichtungen, die bei Substrattemperaturen unterhalb 350°C abgeschieden wurden, waren in Bezug auf CaP-Verbindungen ohne irgendeine (schnelle) Wärmebehandlung amorph. Im Gegensatz dazu wiesen unter Verwendung von Butylcarbitol als Lösungsmittel aufgetragene Brokkoli-Beschichtungen bereits einen breiten Apatit-Peak auf, was auf eine erste Kristallisation aufgrund der hohen Substrattemperatur von 450°C hinweist. Darüber hinaus wurden durch FTIR-Spektroskopie keine Nitratabsorptionen gefunden.
Einfluss der Zugabe von Wasser auf die Beschichtungsstruktur
Relevante Abscheidungsbedingungen zur Untersuchung des Einflusses der Zugabe von Wasser auf die Beschichtungsstruktur waren wie folgt. ESD-Parameter für den Auftrag einer Apatit-ESD-Beschichtung mittels wasserangereicherten Vorläuferlösungen.
Anhand der FTIR-Spektroskopie kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass Phosphat- und Carbonationen in unterschiedlicher Weise eingebaut werden, verglichen mit der kristallinen Carbonatapatitbeschichtung ohne zur Vorläuferlösung zugegebenes Wasser.
Was das XRD betrifft, so führte die Zugabe von 4 Vol-% Wasser zur Bildung von CaCO₃ in der Calcitmodifikation bei 500°C. Ferner wurde die Kristallinität der Apatitphase verringert, verglichen mit der kristallinen Carbonatapatitbeschichtung.
Einfluss der Niederschlagsbildung auf die Beschichtungsstruktur
Relevante Abscheidungsbedingungen einer ESD-Beschichtung, die mittels niederschlagsbildender Vorläuferlösungen ohne zugegebenes Wasser aufgetragen wurde, waren wie folgt. ESD-Parameter für den Auftrag von Apatit-ESD-Beschichtung mittels niederschlagsbildender Vorläuferlösungen.
Calcit wurde bereits auf der aufgetragenen Beschichtung gebildet. Mit zunehmender Heiztemperatur wurde der Calcit zersetzt. Die Niederschlagsbildung während der Abscheidung hatte einen starken Einfluss auf die Beschichtungsstruktur.
Biologische Untersuchung von CaP-ESD-Beschichtungen
Zellreaktionen: 2 Tage in Kultur
An brokkoliartige ESD-Beschichtungen gebundene RBM-Zellen. Neben normal gebundenen Zellen wurden bei allen Brokkoli-Beschichtungen Agglomerationen von RBM-Zellen zu abgeflachten Zellschichten beobachtet.
An ESD-Beschichtungen vom Schwamm-Typ gebundene RBM-Zellen. Die Zellen ordneten sich vorzugsweise entlang der Schwammstruktur an. Die Anordnung der Schwammstruktur resultiert aus der Substrattopographie des maschinell bearbeiteten technisch reinen Ti. Lange, gestreckte Zellen mit einer Länge von bis zu 100 μm und lange Filopodien wurden häufig beobachtet. Darüber hinaus schienen zytoplasmische Verlängerungen der gebundenen RBM-Zellen sofort mit den Porenwänden der Schwamm-Morphologie zu fusionieren, siehe 5.
Zellreaktionen: 7 Tage in vitro
Nach 7 Tagen wurde eine homogene und dicke Multischicht von osteoblastenartigen Zellen auf carbonathaltigen ESD-Beschichtungen mit einer brokkoliartigen Morphologie beobachtet, siehe 6.
Einige Kollagenbündel und kugelförmige Verwachsungen wurden beobachtet, was zeigt, dass die Bildung einer verkalkten extrazellulären Matrix eingeleitet wurde.
8 zeigt eine reiche Produktion von extrazellulärer Matrix auf ESD-Schwammbeschichtungen mit großen Mengen an Kollagenfasern und kugelförmigen Verwachsungen. Die Größe der Verkalkungen war im Vergleich zu Brokkoli-ESD-Beschichtungen größer, was auf eine höhere Mineralisierungsrate hinweist. Die Beschichtungskristallinität nimmt Einfluss auf die Beschichtungsstabilität und die nachfolgende Zellreaktion unter In-vivo-Verhältnissen. Eine aufgrund der Wärmebehandlung weniger kristalline Schwammbeschichtung wies nach 7-tägiger Inkubation in Zellkulturmedium eine dünne, heterogene Zellschicht auf, die die Reste der Schwammbeschichtung bedeckte.
Zellreaktionen: 14 Tage in vitro
Eine dicke Schicht aus reicher kollagenöser Matrix, ausgeschieden von osteoblastenartigen Zellen und verbunden mit kugelförmigen verkalkten Verwachsungen, ist auf ESD-Brokkoli-Beschichtungen zu beobachten.
Es wird eine reiche Produktion von Kollagenbündeln und kugelförmigen Verkalkungen auf ESD-Schwammbeschichtungen nach 14-tägiger Kultur beobachtet.
Zusammenfassend wurde mittels Rattenknochenmarkzellkulturen gezeigt, dass ESD-CaP-Beschichtungen die Fähigkeit besitzen, die Differenzierung und Expression von osteogenen Zellen zu aktivieren. REM-Untersuchungen zeigten einen von der Beschichtungsmorphologie diktierten Zellreaktionstyp für die durch ESD erzeugten Beschichtungen nach 2 und 7 Tagen in Kultur. Auch die Kristallstruktur und die chemische Zusammensetzung können eine Rolle spielen.

Claims

Verfahren zum Auftrag einer Beschichtung auf ein Implantat zur Knochenimplantation, umfassend die Schritte des Pressens einer Vorläuferlösung durch eine Kapillare, die einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, und Platzieren des Implantats im Bereich des Sprühnebels, der am Ausgang der Kapillare austritt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Vorläuferlösung Calcium und Phosphat enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem das Molverhältnis von Calcium zu Phosphat in der Vorläuferlösung im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 2 liegt, vorzugsweise im Bereich von etwa 1,5 bis etwa 1,8 liegt, besonders bevorzugt im Bereich von etwa 1,67 bis etwa 1,8 liegt, ganz besonders bevorzugt etwa 1,67 beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem die Vorläuferlösung Calciumnitrat und Phosphorsäure enthält.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Lösungsmittel in der Vorläuferlösung ein Alkohol ist, vorzugsweise Ethanol oder Butylcarbitol oder eine Mischung daraus.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorläuferlösung Additive, wie z.B. Wasser, vorzugsweise 1-5 Vol.-%, oder Salpetersäure, vorzugsweise 0,25-1 Vol.-% HNO₃ 65%, enthält.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorläuferlösung ferner Spurenelemente enthält, um das Zellwachstum zu fördern, wie z.B. knochenwachstumsstimulierende Proteine.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorläuferlösung ferner glasbildende Komponenten enthält, wie z.B. Tetramethylorthosilicat und Natriumhydroxid.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens die Oberfläche des Implantats Niob, Tantal, Aluminiumoxid, Cobalt-Chrom-Legierungen, (Edel-)stahl und insbesondere Titan und Titanlegierungen enthält.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Implantat erhitzt wird, vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich von 250°C bis 450°C.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner den Schritt des Erhitzens des beschichteten Implantats auf eine Temperatur im Bereich von 500-1250°C, vorzugsweise durch Infrarotstrahlung 5-30 Sekunden lang, umfasst.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Fließgeschwindigkeit, die zum Pressen der Vorläuferlösung durch die Kapillare eingesetzt wird, im Bereich von 0,2-5 ml/h, vorzugsweise im Bereich von 1-3 ml/h, liegt und das elektrische Feld, dem die Kapillare ausgesetzt wird, im Bereich von 4-12 kV, vorzugsweise im Bereich von 6-9 kV, liegt.