DE68909712T2

DE68909712T2 - Biomedizinisches Material und Verfahren zu seiner Herstellung.

Info

Publication number: DE68909712T2
Application number: DE89112220T
Authority: DE
Inventors: Tohru Nonami; Nobuo Yasui
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1988-07-04
Filing date: 1989-07-04
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2009-07-05
Also published as: US5032552A; EP0353476B1; DE68909712D1; EP0353476A2; EP0353476A3

Description

Die Erfindung betrifft ein biomedizinisches Material in Form eines faserverstärkten Sinterkörpers und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Insbesondere betrifft sie ein biomedizinisches Material zur Verwendung als künstliche Knochen und Zahnwurzel in Form eines auf Calciumphosphat basierenden und mit Fasern verstärkten Sinterkörpers mit biologischer Aktivität und Affinität sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Calciumphosphatmaterialien einschließlich Hydroxyapatit, Fluorapatit und Tricalciumphosphat sind weit verbreitet als Ersatz für lebendes Hartgewebe, wie künstliche Knochen und Zahnwurzeln, da ihre Sinterkörper nicht toxisch und geeignet sind, um sich mit den Knochen in einem lebenden System zu verbinden. Gesintertes Calciumphosphat ist jedoch nicht notwendigerweise ausreichend in der Praxis, da es weder mechanisch stark noch hart ist. Gesintertes Calciumphosphat hat den Hang zu brechen oder abzusplittern, wenn es in eine sich an die Mangelstelle in einem lebenden System anpassende Konfiguration geformt, angepaßt und eingebettet ist.
Eine Lösung ist die Verwendung eines Kerns, der mit Calciumphosphat beschichtet ist, wie er in der Japanischen Offenlegungsschrift 39533/1983 offenbart ist. Jedoch binden Calciumphosphatbeschichtungen nicht fest an dem Kern. Die Japanische Patentanmeldung 161971/1988 lehrt zum Erhöhen der Bindung zwischen einer Calciumphosphatbeschichtung und einem Kern die Einlagerung von keramischen Fasern, wobei ein Ende in dem Kern eingebettet ist und das andere Ende sich in die Beschichtung erstreckt. Nichtsdestoweniger sind die Stärke und die Zähigkeit der Calciumphosphatbeschichtungen an sich unzureichend.
Verschiedene Mischungen sind vorgeschlagen worden, um die Stärke des Calciumphosphats zu erhöhen. So beschreibt zum Beispiel die Japanische Offenlegungsschrift 40803/1982 ein Gemisch aus Apatit und zumindest einem Bestandteil von teilchenförmigem SiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3; oder dergleichen. Die Japanischen Patentanmeldungen 96359/1987 und 96360/1987 offenbaren ein Gemisch aus Tricalciumphosphat und teilchenförmigem amorphen Quarz. Die Japanische Patentanmeldung 297254/1987 offenbart ein Gemisch aus Calciumphosphat und teilchenförmigem keramischem Material. Diese Mischungen zeigen eine erhöhte Biegefestigkeit, sind jedoch unzureichend in der Zähigkeit.
Die Japanische Patentanmeldung 57971/1984 offenbart faserigen oder nadelförmigen Apatit, welcher mit Mineralfasern verstärkt ist. Diese Zusammensetzung ist jedoch unpraktisch, da die Herstellung von Apatit in Faser- oder Nadelform sehr schwierig ist und Mineralfasern mit einer Affinität dazu separat hergestellt werden müssen. Es ist eine beschwerliche Tätigkeit, Apatit in engem Kontakt mit Mineralfasern unter Druck bei einer relativ niederen Temperatur von weniger als 800ºC unter Bedingungen zu sintern, um ein wesentliches Entweichen von Feuchtigkeit zu vermeiden. Zusätzlich führt ein solches Niedertemperatursintern zu einer relativ niedrigen Dichte. Viele Schwierigkeiten müssen überwunden werden, bevor diese Zusammensetzung in der Praxis verwendet werden kann.
Die Japanische Patentanmeldung 162676/1987 offenbart ein Verbundapatitmaterial vom Faserverstärkungstyp, in welchem Mullitfasern simultan während des Sinterns des Apatits wachsen gelassen werden. Jedoch ist dieser Literaturstelle nichts hinsichtlich der Korngröße des Apatits und der Menge und der Dimensionen der Fasern zu entnehmen. Insbesondere wird gemäß dieser Druckschrift ein faserverstärktes Verbundmaterial durch Mischen von Calciumphosphatpulver und eines Gemisches aus pulverförmigem Siliciumdioxid und pulverförmigem Aluminiumdioxid als ein Mullit bildendes Material hergestellt und das erhaltene Gemisch bei 1300 bis 1350ºC gesintert. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben gefunden, daß, falls diese Mischung bei solchen Temperaturen gesintert wurde, die Fasern nur in einem Ausmaß präzipitierten, bei dem weniger als 0,1 Flächen-% des Querschnitts des gesinterten Körpers besetzt waren. Der Sinterkörper ist nicht hart genug, um ein Brechen und Absplittern nach Anwendung in einer Mangelstelle eines lebenden Systems zu verhindern.
Die Japanische Patentanmeldung 166772/1988 offenbart faserverstärkte Keramiken. Fasern aus SiC oder Si&sub3;N&sub4; werden in Keramiken dispergiert. Beispiele der darin beschriebenen Keramiken sind Si&sub3;N&sub4;, SiAlON, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid und Calciumphosphat. Die Japanische Patentanmeldung 151652/1988 offenbart ein biomedizinisches Implantationsmaterial, welches eine Calciumphosphatmatrix und 40 bis 85 Gew.-% des Materials an SiC-Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von 2 bis 10 um aufweist. Unerwünschterweise haben SiC- und Si&sub3;N&sub4;-Fasern eine geringe biologische Affinität.
In der EP-A3-0 104 640 wird ein Sinterkörper aus einem Apatitmineralfasermaterial beschrieben, in dem die Kristalle des gesinterten Apatits eine feine dichte kristalline Struktur aufweisen und miteinander verwickelt sind, um die mechanischen Eigenschaften des Sinterkörpers zu verbessern. Jedoch zeigt dieser für biokeramische Anwendungen nützliche bekannte Apatitkörper nicht die Merkmale der vorliegenden Erfindung.
Es besteht ein Bedarf, die vorstehend genannten Probleme der aus dem Stand der Technik bekannten gesinterten Calciumphosphatmaterialien zu überwinden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein neues und verbessertes biomedizinisches Material bereitzustellen, das eine biologische Aktivität und Affinität in Form eines Sinterkörpers vom Faserverstärkungstyp mit hoher Stärke und erhöhter Zähigkeit aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen biomedizinischen Materials bereitzustellen.
Bei den von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung vorgenommenen Anstrengungen bei der Suche nach einem Sinterkörper vom Faserverstärkungstyp mit hoher Stärke und Zähigkeit wurde gefunden, daß diese Aufgabe durch Verwendung einer kristallinen Calciumphosphatmatrix mit darin dispergierten Fasern gelöst wird, wenn die Korngröße der Matrix und die Menge, die Länge und das Aspektverhältnis der dispergierten Fasern in spezifischen Bereichen kontrolliert werden.
Erfindungsgemäß wird ein biomedizinisches Material in Form eines gesinterten Verbundkörpers enthaltend eine kristalline Calciumphosphatmatrix und darin dispergierte anorganische Fasern bereitgestellt. Die Fasern besetzen 0,5 bis 95 Flächen-% eines Querschnitts des Sinterkörpers. Die Fasern enthalten zumindest ein aus Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Calciumoxid und Magnesiumoxid ausgewähltes Oxid. Die Matrix hat eine Korngröße von 0,05 bis 30 um. Die Fasern haben eine Länge von 0,05 bis 30 um und ein Aspektverhältnis von 1,2/1 bis 100/1. Das Verhältnis der Matrixkorngröße zu der Faserlänge liegt in einem Bereich von 14/10 bis 2/10.
Ein vorstehend definiertes biomedizinisches Material wird durch Mischen eines Calciumphosphatmaterials und eines faserbildenden Materials und Sintern des Gemisches bei einer ausreichenden Temperatur von 800 bis 1600ºC für eine ausreichende Zeit hergestellt, um ein Wachsen der Fasern zu ermöglichen. Alternativ wird das biomedizinische Material durch Mischen eines Calciumphosphatmaterials und anorganischer Fasern, vorzugsweise mit einer Länge von 0,05 bis 30 um und einem Aspektverhältnis von 1/1 bis 100/1 und Sintern des Gemisches bei einer Temperatur von 800 bis 1600ºC hergestellt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In ihnen zeigen:
Figuren 1 und 2 mikrophotographische Aufnahmen unter einem Rasterelektronenmikroskop der biomedizinischen Materialproben Nr. 2 und 3 gemäß Beispiel 1;
Figuren 3 und 4 Darstellungen von Röntgenbeugungsanalysen der biomedizinischen Materialproben Nr. 2 und 3 gemäß Beispiel 1 und
Figur 5 eine Darstellung der Ergebnisse der Analyse eines biomedizinischen Materials unter einem Elektronenmikroskop, wobei die Atom-% von Si, P und Calcium in dem Diopsid-, Grenzbereich und den Hydroxyapatitphasen geplottet sind.
Die als Sintervorratsmaterial bei der Durchführung gemäß vorliegender Erfindung verwendeten Calciumphosphatmaterialien beinhalten eine Vielzahl von Calciumphosphatverbindungen, zum Beispiel Tricalciumphosphat Ca&sub3;(PO&sub4;)&sub2; und Calciumphosphate der Apatitserie Ca&sub1;&sub0;(PO&sub4;)&sub6;X&sub2;, in denen X OH, Halogen (zum Beispiel Fluor und Chlor), CO&sub3; oder dergleichen ist, wie Hydroxyapatit, Fluorapatit, Chlorapatit und carbonierter Apatit. Sie können allein oder in Mischungen von zwei oder mehreren verwendet werden.
Die bevorzugten Calciumphosphate sind die der Apatitserie, insbesondere Hydroxyapatit und Fluorapatit. Diese Apatite können entweder durch Trocken- und Naßverfahren hergestellte synthetische Apatite oder aus Knochen und Zähnen verschiedener Säugetiere gesammelte biotische Apatite sein. Ein typisches trockensynthetisches Verfahren ist die Umsetzung von Calciumphosphat mit überschüssigem CaO in einem Dampfstrom bei einer hohen Temperatur von 900 bis 1300ºC.
Die gemäß vorliegender Erfindung vorzugsweise verwendeten Calciumphosphatmaterialien sind Apatite, insbesondere Hydroxyapatite und Fluorapatite, mit einem atomaren Calcium/ Phosphor(Ca/P)-Verhältnis von 165/100 bis 175/100. Die Hydroxyapatite sind am bevorzugtesten.
Auch die Fluorapatite haben viele Vorteile. Sie wandeln sich beim Sintern nicht in β-Tricalciumphosphat oder α-Tricalciumphosphat um. Sie sind hochstabil, stark und zäh, da sie frei von Veränderungen in Abhängigkeit vom Schrumpfen oder Ausdehnen sind. Darüber hinaus sind sie beständig gegen Korrosion und Säure.
Wenn das Ca/P-Atomverhältnis weniger als 165/100 ist, ist es sehr wahrscheinlich, daß Teile der Fasern, des faserbildenden Materials oder der verstärkenden Zusätze (wie SiO, Al&sub2;O&sub3; und MgO) eine feste Lösung mit dem Apatit bilden würden, wobei eine Änderung in der Zusammensetzung der Fasern induziert wird. Als Ergebnis können die Fasern dann nicht voll präzipitieren. Im Fall von Hydroxyapatit kann ein Teil der Faserkomponenten eine feste Lösung mit dem Apatit bilden, um Tricalciumphosphat zu bilden, wobei Verformungen induziert und Stärke und biologische Affinität verloren werden.
Die Hydroxyapatite sind im allgemeinen mikroporös. Sie können Poren mit einem Durchmesser von 5 bis 200 um und eine Porosität von 20 bis 50% aufweisen.
Das hier bevorzugt verwendete Tricalciumphosphat ist α-Tricalciumphosphat, obwohl auch β-Tricalciumphosphat verwendet werden kann. Auch ein Gemisch aus porösem Hydroxyapatit und Tricalciumphosphat kann verwendet werden.
Diese Calciumphosphatmaterialien werden in Pulverform mit einer Teilchengröße von 0,1 bis 1000 um oder Teilchen mit einer Teilchengröße von 0,1 bis 3 mm verwendet. Die Pulver oder Teilchen haben vorzugsweise eine Oberfläche von etwa 0,01 bis 300 m²/g als BET-Wert.
Bei Durchführung der Erfindung sollten die vorstehend erwähnten Calciumphosphatmaterialien eventuell in kristallines Calciumphosphat mit einer Korngröße von 0,05 bis 30 um, volzugsweise 0,1 bis 20 um, insbesondere 0,1 bis 10 um, gesintert werden. Eine Korngröße kleiner als das untere Limit ist schwierig zu erreichen, während eine Korngröße größer als das obere Limit zu einer reduzierten Stärke führt.
Die anorganischen Fasern, präziser anorganischen Oxidfasern, enthalten zumindest ein aus Siliciumdioxid, Aluminiumdoxid, Calciumoxid und Magnesiumoxid ausgewähltes Oxid, da andere Fasern nur eine schlechte biologische Affinität zeigen. Eine bessere biologische Affinität und Aktivität ist erreichbar, wenn die anorganischen Oxidfasern zumindest zwei aus Siliciumdioxid, Aluminiumoxid und Calciumoxid ausgewählte Oxide enthalten und gegebenenfalls Magnesiumoxid, insbesondere wenn die anorganischen Oxidfasern i) Siliciumdioxid, ii) Calciumoxid und iii) Aluminiumoxid und/oder Magnesiumoxid enthalten.
Die anorganischen Fasern sind vorzugsweise aus Calciumsilikatfasern und Calciumsilikatmagnesiumfasern ausgewählt.
Wegen ihrer biologischen Aktivität und biologischen Affinität oder Kompatibilität sind Aluminiumoxidfasern, Aluminiumsilikatcalciumfasern wie Anorthitfasern (CaO 2SiO&sub2; Al&sub2;O&sub3;), Calciumsilikatmagnesiumfasern wie Diopsidfasern (CaO 2SiO&sub2; MgO) und Calciumsilikatfasern wie Wollastonitfasern (CaO SiO&sub2;) bevorzugt. Von diesen sind die Anorthitfasern und Diopsidfasern am bevorzugtesten, da sie eine außerordentlich hohe biologische Aktivität zeigen. Die Fasern können eine mehr oder weniger von der vorstehenden Stöchiometrie abweichende Zusammensetzung aufweisen.
Die anorganischen Fasern werden im allgemeinen in einer Menge von etwa 0,5 bis etwa 95 Gew.-%, vorzugsweise etwa 5 bis etwa 70 Gew. -%, insbesondere etwa 10 bis etwa 60 Gew. -%, pro 100 Gew.-Teile des Sinterkörpers verwendet. Falls anorganische Fasern in größerer Menge über diesen Bereich verwendet werden, werden die wünschenswerten Eigenschaften des Calciumphosphats, zum Beispiel die biologische Affinität des Apatits als künstlicher Knochen reduziert oder gehen verloren. Materialien, die geringere Mengen an anorganischen Fasern enthalten, führen zu Sinterkörpern mit niederer mechanischer Stärke (z.B. Biegefestigkeit) und Zähigkeit. Es ist verständlich, daß, falls vorgeformte Fasern verwendet werden, die Fasern in den erhaltenen Sinterkörpern annähernd dieselben Dimensionen wie das Original haben.
Faserbildende Materialien, d.h. Materialien, welche sich unter den Sinterbedingungen in Fasern umwandeln können, können ebenfalls verwendet werden, zum Beispiel Siliciumdioxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid und Aluminiumoxid, sowie diejenigen, die sich beim Sintern in diese Verbindungen umwandeln können, wie die entsprechenden Carbonate, Bicarbonate und Hydroxide. Diese Materialien können in Pulverform, Teilchen, Aufschlämmung und wäßrigen Lösungen verwendet werden. Die pulverförmigen oder teilchenförmigen Materialien haben vorzugsweise einen BET-Wert von etwa 0,01 bis etwa 300 m²/g.
Diese faserbildenden Materialien können in solchen Verhältnissen entsprechend der Zusammensetzung der gewünschten Fasern gemischt werden. Nützlich sind eine Mischung enthaltend eine Siliciumdioxidguelle in einer Menge von 0,05 bis 600 Gew.-Teilen an SiO&sub2; und eine Calciumoxidquelle in einer Menge von 0,05 bis 600 Gew.-Teilen an CaO oder eine Aluminiumoxidquelle in einer Menge von 0,05 bis 600 Gew.-Teilen an Al&sub2;O&sub3;; und eine Mischung enthaltend eine Siliciumdioxidquelle in einer Menge von 0,05 bis 800 Gew.-Teile an SiO&sub2;, eine Calciumoxidquelle in einer Menge von 0,05 bis 600 Gew.-Teilen an CaO und zumindest eine einer Aluminiumguelle in einer Menge von 0,05 bis 600 Gew.-Teilen an Al&sub2;O&sub3; und eine Magnesiumoxidquelle in einer Menge von 0,05 bis 600 Gew.-Teilen an MgO, wobei alle Teile sich auf 100 Gew.-Teile des Calciumphosphatmaterials beziehen. In letzterem Fall können die Quellen in solchen Verhältnissen gemischt werden, daß 0,5 bis 20 Mol Siliciumdioxid, 0,1 bis 20 Mol Aluminiumoxid und 0,1 bis 20 Mol Magnesiumoxid pro Mol Calciumoxid vorliegen.
Zusätzlich können eine oder mehrere Zirkonoxid-, Strontiumoxid- und Bariumoxidguellen in ausreichenden Mengen verwendet werden, um bis zu 20 Gew.-Teile ZrO&sub2;, SrO und BaO auf derselben Basis wie vorstehend bereitzustellen.
Wenn es gewünscht wird, Diopsidfasern wachsen zu lassen, können zum Beispiel die Quellen in solchen Verhältnissen gemischt werden, daß 0,15 bis 14 Mol, vorzugsweise 0,5 bis 5 Mol, insbesondere 0,8 bis 2,5 Mol, am bevorzugtesten 0,8 bis 1,2 Mol, Magnesiumoxid und 0,5 bis 10 Mol, vorzugweise 2 bis 5 Mol, insbesondere 2 bis 3 Mol, am bevorzugtesten 2 bis 2,5 Mol, Siliciumdioxid pro Mol Calciumoxid vorliegen.
Wenn es gewünscht wird, Anorthitfasern wachsen zu lassen, können zum Beispiel die Quellen in solchen Verhältnissen gemischt werden, daß 0,1 bis 20 Mol, vorzugsweise 0,2 bis 1,5 Mol, insbesondere 0,8 bis 1,2 Mol, Aluminiumoxid und 1 bis 10 Mol, vorzugsweise 2 bis 5 Mol, insbesondere 2 bis 3 Mol, am bevorzugtesten 2 bis 2,5 Mol, Siliciumdioxid pro Mol Calciumoxid vorliegen.
Diese Quellen können individuell der Calciumphosphatkomponente zugesetzt oder vorher in einem Verhältnis wie vorstehend beschrieben vermischt und bei 600 bis 1600ºC vor der Zugabe gesintert werden. Anstelle der individuellen Zugabe ist es auch möglich, eine zur Faserbildung fähige Komponente, zum Beispiel eine Diopsidkomponente entsprechend der Zusammensetzung CaO 2SiO&sub2; MgO und eine Anorthitkomponente entsprechend der Zusammensetzung CaO 2SiO&sub2; Al&sub2;O&sub3; zuzusetzen. Diese Komponenten können auch in Pulver- oder Teilchenform wie die Calciumphosphatkomponente verwendet werden. Die faserbildenden Komponenten in Pulverform haben vorzugsweise einen BET- Wert von etwa 0,01 bis etwa 300 m²/g.
Ein Gemisch aus zwei Typen des Ausgangsmaterials, eine calciumphosphatbildende Komponente und eine Faser- oder faserbildende Komponente, wie vorstehend beschrieben, wird in einen Sinterverbundkörper gesintert, der im wesentlichen aus 5 bis 95 Gew.-% kristallinem Calciumphosphat und 95 bis 5 Gew.-% Fasern (typischerweise Diopsid oder Anorthit) besteht. Das Auftreten einer während des Sinterns gebildeten Matrix und Faserbeiprodukten ist zulässig, solange die gewünschte Wirkung nicht beeinträchtigt wird. In den vorstehend beschriebenen Beispielen ist der Einschluß von solchen Nebenprodukten wie α-Tricalciumphosphat und anderen Oxiden wie Forsterit und Wallastonit im Fall der Diopsidfasern und Akermanit und Mullit im Fall der Anorthitfasern zulässig. Die Nebenprodukte liegen gewöhnlicherweise in der Matrix gleichzeitig vor.
Im Fall der Bildung von Fasern beim Sintern hat das faserbildende Material vorzugsweise eine um 50 bis 400ºC höhere Sintertemperatur als die Sintertemperatur des Calciumphosphatmaterials. Vorstehend beschriebene Quellenmaterialien können leicht gemischt werden, um solch eine Sintertemperatur zu ergeben. Die Sintertemperatur eines Materials kann leicht durch Messen der Zunahme des Schrumpffaktors unter Verwendung eines Thermodilatometers bestimmt werden.
In dem gesinterten Verbundkörper liegt das die Matrix bildende Calciumphosphat als Kristalle vor und die Fasern sind in der Matrix dispergiert.
Jede der Fasern hat eine Länge und einen Durchmesser. Die Faserlänge liegt im Bereich von 0,05 bis 30 um, vorzugsweise von 0,2 bis 30 um, insbesondere von 0,2 bis 15 um. Das Aspektverhältnis definiert als Länge geteilt durch Durchmesser liegt im Bereich von 1,2/1 bis 100/1, vorzugsweise von 1,5/1 bis 100/1, insbesondere von 2/1 bis 20/1, sehr bevorzugt von 3/1 bis 15/1. Kürzere Fasern außerhalb des Längenbereiches sind weniger wirksam, während längere Fasern zur Verformung neigen. Fasern mit einem Aspektverhältnis von weniger als 1 sind weniger wirksam, während Fasern mit einem Aspektverhältnis von mehr als 100 zur Verformung neigen.
Das Verhältnis der Matrixkorngröße zur Faserlänge liegt im Bereich von 14/10 bis 2/10, vorzugsweise von 1/1 bis 2/10. Falls das Verhältnis kleiner als 1/10 ist, werden Verformungen beim Sintern induziert, wobei Stärke verloren geht. Wenn das Verhältnis größer als 10/1 ist, üben die Fasern nicht vollständig ihre Funktion von zunehmender Stärke aus.
Die Fasern besetzen 0,5 bis 95 Flächen-%, vorzugsweise 5 bis 75 Flächen-%, insbesondere 10 bis 60 Flächen-%, eines Querschnitts des Sinterkörpers. Außerhalb des Bereiches haben weniger Fasergehalt aufweisende Sinterkörper eine geringere Härte, während Sinterkörper mit einer überschüssigen Menge an Fasern verringerte biologische Affinität zeigen. Die Prozentfläche, die die Fasern in einem Querschnitt des Sinterkörpers besetzen, kann unter Verwendung einer Mikrophotographie bestimmt werden. Insbesondere wird eine Sinterkörper-Probe geschnitten. Der Schnitt wird spiegelpoliert und dann chemisch mit wäßriger 1- bis 5-%-iger HCl oder thermisch bei einer Temperatur von mehr als 800ºC, aber niedriger als die faserbildende Temperatur, geätzt. Der Schnitt wird dann unter einem Rasterelektronenmikroskop beobachtet. Das Mikrophoto wird dann auf ein Schnittpapier, von dem die Prozentfläche der Fasern durch Zählen der entsprechenden Abschnitte berechnet wird, überführt. Das Verfahren kann zum Beispiel fünfmal wiederholt werden, wobei die Prozentfläche der Fasern bestimmt wird.
Die Herstellung des biomedizinischen Materials der vorliegenden Erfindung wird nun im Detail beschrieben. Das Ausgangsmaterial ist pulveriges Calciumphosphatmaterial. Eine vorherbestimmte Menge an Fasern oder faserbildenden Materialien in Pulverform wird dem pulverförmigen Calciumphosphat zusammen mit einem Dispergiermittel zugesetzt. Die faserbildenden Materialien sind Materialien, die unter den Sinterbedingungen in Fasern transformiert werden können, zum Beispiel Siliciumdioxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid und Aluminiumoxid, und können separat oder als Premix zugesetzt werden. Die Verwendung von Quellen, welche Materialien erzeugen, die zusammen Fasern unter den Sinterbedingungen bilden, ist ebenso beabsichtigt. Materialien mit Faserzusammensetzungen wie Anorthit- und Diopsid-Zusammensetzungen sind ebenfalls nützlich.
Das Dispergiermittel unterstützt die gleichförmige Verteilung der Fasern oder des faserbildenden Materials im pulverförmigen Calciumphosphatmaterial. Beispiele des Dispergiermittels beinhalten anionische oberflächenaktive Mittel wie Carboxylatsalze und Sulfonatsalze.
Die so hergestellte Pulvermischung wird mittels konventioneller Verfahren wie Preßformen und Schlickerguß in die gewünschte Form gebracht, getrocknet und anschließend bei einer Temperatur von 800 bis 1600ºC in Luft gesintert. Das Formen wird gewöhnlicherweise unter einem Druck von 1 bis 10000 kg/cm² durchgeführt.
Das Sintern wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 800 bis 1500ºC bewirkt, insbesondere wenn es gewünscht wird, Anorthitfasern zu bilden. Das Sintern wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 900 bis 1500ºC bewirkt, wenn es gewünscht ist, Diopsidfasern zu bilden. Wenn vorgeformte Fasern verwendet werden, kann das Sintern bei einer Temperatur von 800 bis 1600ºC bewirkt werden. Die Sinterzeit reicht im allgemeinen von etwa 5 Minuten bis etwa 15 Stunden in jedem Fall.
Das Sintern erzeugt die kristalline Calciumphosphatmatrix oder die kristalline Calciumphosphatmatrix und Fasern zu derselben Zeit, wenn das faserbildende Material verwendet wird. Es wird ein gesinterter Verbundkörper erhalten, in welchem die Fasern in der kristallinen Calciumphosphatmatrix dispergiert sind, wobei sowohl die Matrix und die Fasern den Dimensionalanforderungen genügen. Der gesinterte Verbundkörper ist all biomedizinisches Material nützlich.
Im Vergleich zur Zugabe vorgeformter Fasern ist es vorteilhaft, die Fasern gleichzeitig mit dem kristallinen Calciumphosphat als der Matrix zu bilden, da der erhaltene Sinterkörper eine erhöht Festigkeit und Stärke in Abhängigkeit zu erhöhten Bindung zwischen den Fasern und der Matrix zeigt.
Falls von Aluminiumoxid freie Diopsidfasern gebildet werden, kann die Materialmischung bei einer Temperatur in einem breiten Bereich von 900 bis 1500ºC ohne das Risiko der durch Aluminiumoxid katalysierten Umwandlung von Hydroxyapatit in Tricalciumphosphat oder β-Tricalciumphosphat in α-Calciumphosphat gesintert werden. Die Bildung von Anorthitfasern vermeidet ebenfalls solch ein Risiko, da sie bei einer Temperatur von weniger als 1300ºC gebildet werden können.
Falls die Sintertemperatur niedriger als 1300ºC in dem vorstehend genannten Bereich eingestellt wird, kann ein Sinterkörper mit guter biologischer Eigenschaft und mechanischer Stärke und Festigkeit erhalten werden, sogar aus einem durch Naßverfahren hergestelltem Hydroxyapatit ohne abnormales Kornwachstum erhalten werden.
Die Faserbildung während des Sinterns wird weiter im Detail beschrieben. Wenn das verwendete faserbildende Material oder Gemisch eine Sintertemperatur von mehr als 50 bis 400ºC als die Sintertemperatur des Calciumphosphatmaterials hat, wie vorstehend beschrieben, wird das Calciumphosphat in einer früheren Stufe gesintert, wo die Faserkomponente noch nicht aktiviert worden ist. Aus diesem Grund wird die Faserkomponente wahrscheinlich nicht in die Matrix in diesem Stadium diffundieren. Falls Diffusion in diesem Stadium auftritt, dann würden die entsprechenden Komponenten ihre Zusammensetzung ändern, mit der Möglichkeit, daß kleine Fasern oder Glas gebildet wird. So ein Risiko wird durch kontrollierte Diffusion der Faserkomponente in einer früheren Stufe vermieden. Fasern präzipitieren in einer späteren Stufe, wenn das Calciumphosphat bis zu einem gewissen Ausmaß gesintert worden ist. Eine praktisch zufriedenstellende Dichte wird ohne Probleme erreicht, daß Fasern mit darin eingeschlossener Matrixkomponente präzipitieren können und daß keine ausreichende Dichte erhältlich ist, da die Matrix nicht vollständig gesintert worden ist, wenn die Bildung der Fasern vollständig ist. Zusätzlich bestehen geringe Möglichkeiten, daß die Matrix früher als notwendig gesintert wird, und ein vorzeitiges Sintern der Matrix verhindert das Präzipitieren von Fasern oder die zu starke Streßaussetzung der präzipitierten Fasern.
Bessere Ergebnisse werden erhalten, wenn eine Zwischenschicht zwischen den Körnern der kristallinen Calciumphosphatmatrix und den anorganischen Fasern vorliegt. Die Zwischenschicht erstreckt sich teilweise oder vollständig entlang der dazwischen liegenden Grenzen. Die Zwischenschicht enthält zumindest eines der Elemente in entweder einer oder beiden der Fasern und der Matrix. Da einige Elemente wie Calcium sowohl den Fasern und der Matrix gemein sind, enthält die Zwischenschicht vorzugsweise das gemeinsame Element oder Elemente. Die Zwischenschicht hat einen kontinuierlichen oder stufenförmigen Konzentrationsgradienten zwischen den Fasern und den Matrixkörnern. Illustrativer, falls ein Element in der Faser enthalten ist, enthält die Zwischenschicht das Element in einer höheren Konzentration in Nachbarschaft zu der Faser und verringert graduell seine Konzentration in Richtung der Grenzfläche mit der Matrix.
Die Zwischenschicht hat im allgemeinen eine Dicke von bis zu 3 um, vorzugsweise von 0,005 bis 3 um, insbesondere von 0,01 bis 1,5 um, am bevorzugtesten von 0,05 bis 1,0 um.
Die Zwischenschicht kann durch langsames Abkühlen des Sinterkörpers von der Sintertemperatur über eine ausreichende Zeit gebildet werden. Das Abkühlen wird vorzugsweise mit einer niederen konstanten Geschwindigkeit von 0,2 bis 30ºC/min, insbesondere 0,5 bis 10ºC/min durchgeführt.
Die Bereitstellung einer Zwischenschicht zwischen den Fasern und den Körnern verhindert eine direkte Reaktion zwischen Fasern und Körnern, so daß die Fasern unter Beibehaltung einer ausreichenden Stärke nicht länger verändert werden, verbessert die Bindung zwischen den Fasern und den Körnern, wobei auch Stärke zugeordnet wird, und ermöglicht die leichte Steuerung der Grenzfläche zwischen Fasern und Körnern. Als ein Ergebnis ist der Sinterkörper dichter verstärkt, wobei mechanische Stärke wie Biegefestigkeit und Zähigkeit weiter verbessert werden.
Die Orientierung der Fasern in der Matrix ist möglich und wünschenswert, da die Stärke des biomedizinischen Materials verbessert wird. Vorzugsweise liegen die Fasern in der Matrix in einem Orientierungsgrad von zumindest 60%, insbesondere in zumindest 75%, am bevorzugtesten in zumindest 85%, vor.
Die Fasern können durch Zugabe eines Binders zu einer Mischung eines Calciumphosphatmaterials und Fasern und Mahlen des Gemisches orientiert werden. Der hier verwendete Binder kann aus den herkömmlich für biomedizinische Materialien verwendeten Bindern ausgewählt werden, zum Beispiel Kautschuk oder thermoplastische Harze. Der Binder kann dem Gemisch in üblicherweise für biomedizinische Materialien verwendeten Mengen zugesetzt werden, im allgemeinen in Mengen von 10 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 45 Gew.-% der Mischung. Geringere Mengen an Binder sind ineffektiv bei der Unterstützung der Orientierung, wohingegen größere Mengen an Binder zu einem porösen Sinterkörper führen, welcher eine niedere biologische Affinität und Dichte aufweist.
Als nächstes ist es notwendig, das Gemisch so zu bearbeiten, um einen kontrollierten Orientierungsgrad der Fasern von 60% oder höher zu erhalten. In der Praxis wird das Gemisch wiederholt gewalzt (gerollt), um den Orientierungsgrad zu kontrollieren. Das Roll- bzw. Walzverfahren macht die Fasern anisotrop. Eine ausreichende Orientierung kann durch mehrmaliges Wiederholen des Roll- bzw. Walzschrittes, zum Beispiel drei- bis zehnmal, erhalten werden. Das Rollverfahren beinhaltet Rolltechniken wie Kalendern, Pressen und Extrudieren. Rolltechniken sind bevorzugt. Der Druck, unter dem das Gemisch gewalzt wird, ist im allgemeinen im Bereich von 20 bis 300 kg/cm², vorzugsweise von 50 bis 150 kg/cm². Niederere Walzdrücke würden ineffektiv sein, um eine ausreichende Stärke bereitzustellen, während höhere Walzdrücke keinen weiteren Vorteil bringen.
Das Gemisch wird so in ein Platten- oder Folienmaterial gewalzt, welches in einen Sinterkörper mit oder ohne Nachbearbeitung wie Heißpressen vor dem Sintern gesintert wird.
Auf diese Weise wird ein biomedizinisches Material in Form eines Sinterkörpers einer kristallinen Calciumphosphatmatrix mit darin dispergierten Fasern erhalten. Das Verbundmaterial ist in vielfältiger Hinsicht verbessert, während die gewünschten Eigenschaften des Calciumphosphatmaterials, zum Beispiel die biologische Affinität des Apatits als Kunstknochen, beibehalten wird. Die Stärke des Verbundmaterials wird durch Steuerung der Korngröße der Matrix auf einen spezifischen Bereich erhöht. Das Auftreten von Verformungen während des Sinterns wird durch Steuerung der Faserdimensionen minimiert, d.h. die Länge und das Aspektverhältnis der Fasern und das Verhältnis der Maxtrixkorngröße zur Faserlänge auf spezifische Bereiche. Eine wünschenswerte Menge an Fasern kann in der Matrix längs der Korngrenzen oder in den Körnern ohne Lokalisierung verteilt werden, wobei ein Cracken verhindert wird. Das Faserwachstum kann bezüglich des Matrixsinterns verzögert werden, um einen Sinterkörper mit verbesserter Zähigkeit und Bruchenergie zu erzeugen.
Da der erfindungsgemäße Sinterkörper eine hohe Stärke und Festigkeit sowie biologische Affinität und Aktivität aufweist, kann er als künstlicher Knochen, Zahnwurzel und Verbindungsmaterialien zur Behandlung bei der orthopädischen Chirurgie, Zahn- und Mundchirurgie Verwendung finden.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß hohe Stärke und Zähigkeit leicht und wirksam dem biomedizinischen Material verliehen werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Wie in Tabelle 1 dargestellt, werden Hydroxyapatit (HAP) und faserbildendes Material mit einem Dispergiermittel in einer Kugelmühle während 1 Stunde gemahlen. Die Aufschlämmung wurde durch ein qualitatives Filterpapier gefiltert. Der gesammelte Kuchen wurde bei 120ºC während 5 Stunden getrocknet und eine 50-g-Portion des Kuchens wurde anschließend in einer Form von 40 mm auf 50 mm unter einem Druck von 300 kg/cm² geformt. Das geformte Material wurde bei der in Tabelle 1 gezeigten Temperatur während 2 Stunden gesintert, wobei ein als biomedizinisches Material nützlicher Sinterkörper herhalten wurde.
Die verwendeten Hydroxyapatite hatten ein atomares Calcium/Phosphor-(Ca/P)-Verhältnis von 1,67 und die in Tabelle 1 gezeigten BET-Werte.
Die verwendeten faserbildenden Materialien waren Anorthite und Diopside mit den in Tabelle l gezeigten BET-Werten. Die Menge an zugesetztem faserbildendem Material ist in Tabelle 1 in Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des HAP einschließlich faserbildendem Material, gezeigt. Die verwendeten faserbildenden Materialien sind nachfolgend aufgezählt:
Anorthit A: gesintertes CaO Al&sub2;O&sub3; 2SiO&sub2;
Anorthit B: Mischung von 61 Gew.-% SiO&sub2;, 17 Gew.-% Al&sub2;O&sub3; und 22 Gew.-% CaO
Anorthit C: Mischung von 50 Gew.-% SiO&sub2;, 30 Gew.-% Al&sub2;O&sub3; und 20 Gew.-% CaO
Diopsid A: gesintertes CaO MgO 2SiO&sub2;
Diopsid B: Mischung aus 61 Gew.-% SiO&sub2;, 12 Gew.-% MgO und 27 Gew.-% CaO
Diopsid C: Mischung aus 55 Gew.-% SiO&sub2;, 19 Gew.-% MgO und 26 Gew.-% CaO
Die BET-Werte der Anorthite B und C und der Diopside B und C sind diejenigen der Mischungen von notwendigen Bestandteilen.
Das Dispergiermittel war SN Dispersant 5045 (SAN NAPCO Limited) und wurde in einer Menge von 0,05 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht an HAP einschließlich faserbildendem Material, verwendet.
Die so erhaltenen biomedizinischen Materialien wurden geschnitten und unter einem Elektronenmikroskop beobachtet, um ihren Fasergehalt, die Matrixkorngröße (D), Faserlänge (L), das Faseraspektverhältnis und das Matrixkorngröße/Faserlängen-Verhältnis (D/L) zu bestimmen. Sie wurden auch auf relative Dichte, Biegefestigkeit (F.S.) und Zähigkeit (KIC) gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Die Bestimmung der relativen Dichte, der Biegefestigkeit und der Zähigkeit (KIC) wurden wie nachfolgend beschrieben durchgeführt.

Relative Dichte (Porosität)

Die Dichte einer gesinterten Probe wurde nach dem Archimedischen Prinzip bestimmt. Die gesinterte Probe wurde in Pulver mit einer Oberfläche von 5 m²/g pulverisiert, welche auf ihre wahre Dichte gemessen wurde. Die relative Dichte wurde aus der apparenten und der wahren Dichte berechnet.

Biegefestigkeit (F.S.)

Zehn Testproben von 3 x 4 x 40 mm wurden ausgeschnitten und spiegelpoliert. Sie wurden mittels des Dreipunktbindetests mit einer Spannweite von 36 mm und einer Traversgeschwindigkeit von 0,5 mm/min getestet.

Bruchzähigkeit (KIC)

Die Bruchzähigkeit wurde gemäß ASTM E399-83 bestimmt.
Vergleichsproben außerhalb des Bereiches der Erfindung sind ebenfalls in den Tabellen 1 und 2 gezeigt.
Die Figuren 1 und 2 zeigen Mikrophotos der Probe Nr. 2, welche Diopsidfasern enthält, und der Probe Nr. 3, welche Anorthitfasern enthält, beide unter einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen. Wie auf den Photos zu sehen, hat der Sinterkörper eine Struktur, in der Anorthit- oder Diopsidfasern zwischen den Hydroxyapatitkörnern dispergiert sind.
Die Figuren 3 und 4 zeigen Röntgendiffraktionsdiagramme der Proben Nr. 2 und 3, die zeigen, daß Diopsid- oder Anorthitfasern im Hydroxyapatit gebildet worden sind. Tabelle 1 Fasern Probe Nr. Material Menge (Gew.-%) Sintertemp. (ºC) Anorthit Diopsid * Vergleich Tabelle 2 Probe No. Fasergehalt (Flächen%) Matrixkorngröße (um) Faserlänge (um) Faseraspektverhältnis Relative Dichte (%) * Vergleich
Wie in den Tabellen 1 und 2 gezeigt, haben die erfindungsgemäßen Sinterkörper eine verbesserte Dichte, Festigkeit und Zähigkeit.
Die Proben Nr. 1 bis 101 die innerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches liegen, wurden auf ihre biologische Aktivität durch Eintauchen derselben in simulierte Körperflüssigkeit für einige Tage bestimmt und anschließend in Intervallen mittels rasterelektronenmikroskopischer Mikrophotographie und chemischer Analyse geprüft, um zu sehen, ob HAP auf der Probenoberfläche präzipitiert.
Eine HAP-Schicht präzipitierte auf der Oberfläche nach 3 Tagen in den Proben mit Diopsidfasern und nach 10 Tagen in den Proben unter Verwendung von Anorthitfasern, was darauf hindeutet, daß eine hohe biologische Aktivität vorliegt. Allgemein gilt, damit ein Implantat sich an den benachbarten Knochen in einem lebenden Körper bindet, ist es wesentlich, daß eine HAP-Schicht analog dem natürlichen Knochen auf der Oberfläche des Implantats gebildet wird. Aus diesem Grund zeigen die erfindungsgemäßen Proben gute biologische Aktivität in diesem Sinn.

Beispiel 2

Wie in Tabelle 3 gezeigt, wurden Hydroxyapatit(HAP)-Pulver und Aluminiumoxidfasern mit einem Dispergiermittel in einer Kugelmühle während 1 Stunde gemahlen. Die Aufschlämmung wurde durch ein qualitatives Filterpapier gefiltert. Der gesammelte Kuchen wurde bei 120ºC während 5 Stunden getrocknet und anschließend in einer Form von 40 mm auf 50 mm unter einem Druck von 200 kg/cm² geformt. Das geformte Material wurde bei einer Temperatur von 1350ºC während 2 Stunden gesintert, wobei ein als biomedizinisches Material nützlicher Sinterkörper erhalten wurde.
Das verwendete Hydroxyapatitpulver hatte einen BET-Wert von 7 m²/g. Die verwendeten Aluminiumoxidfasern hatten eine Länge von 2 um und ein Aspektverhältnis von 10. Das Dispergiermittel, SN Dispersant 5045 (SAN NAPCO Limited), wurde in einer Menge von 0,05 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht von HAP einschließlich Fasern, verwendet.
Die Sinterkörper wurden auf Biegefestigkeit (F.S.) und Bruchzähigkeit (KIC) gemäß Beispiel 1 gemessen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3 Faser Probe No. Dispersionsmittel (Gew.-%) Sintertemp. (ºC) Matrixkorngröße (um) Fasergehalt Material Länge (um) Aspektverhältnis (um) zugesetzte Menge (Gew.-%) Aluminiumoxid Matrixkorngröße/Faserlänge = 1,0 Relative Dichte = 99.0%

Beispiel 3

Sinterkörper wurden auf dieselbe Weise wie Probe Nr. 12 von Beispiel 2 hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Fasern durch die folgenden ersetzt wurden. Diese Sinterkörper wurden als äquivalent zur Probe Nr. 12 erachtet.

Faser A:

Material: Calciumsilikat CaO SiO&sub2;
Länge: 3 um
Aspektverhältnis: 5

Faser B:

Material: Aluminiumsilikat
Länge: 2 um
Aspektverhältnis: 5

Faser C:

Material: Calciumaluminat
Länge: 2 um
Aspektverhältnis: 15

Faser D:

Material: Magnesiumsilikat
Länge: 2 um
Aspektverhältnis: 8
Blöcke von 3 x 4 x 5 mm wurden aus den Proben der Beispiele 1 bis 3 hergestellt. In der unteren Ecke des Jochbeines erwachsener Kaninchen wurde ein Ausschnitt künstlich eingebracht. Jeder Block wurde in den Ausschnitt des Kaninchenjochbeins implantiert. Die Kaninchen wurden jede Woche nach dem Implantieren getötet. Polierte, aber nicht decalzifizierte Proben wurden aus dem implantierten Jochbein hergestellt. Eine rasterelektronenmikroskopische Mikrophotographie wurde an der Grenzfläche zwischen dem Implantat und dem neu gewachsenen Knochen aufgenommen.
Die Probe gemäß Beispiel 1 zeigte gute biologische Aktivität und Affinität, da eine direkte Bindung zwischen dem Knochen und dem HAP nach 2 Wochen, falls Diopsidfasern verwendet wurden, und nach 3 Wochen, falls Anorthitfasern verwendet wurden, beobachtet wurde. Die Proben gemäß den Beispielen 2 und 3 zeigten ebenfalls eine gute biologische Affinität, da der Knochen an dem HAP über ein dünnes weiches Gewebe verbunden war.

Beispiel 4

Wie in Tabelle 4 gezeigt, wurden Hydroxyapatit(HAP)-Pulver und ein faserbildendes Material mit einem Dispergiermittel in einer Kugelmühle während 1 Stunde gemahlen. Die Aufschlämmung wurde durch ein qualitatives Filterpapier gefiltert. Der gesammelte Kuchen wurde bei 120ºC während 5 Stunden getrocknet und eine 50-g-Portion des Kuchens wurde anschließend in einer Form von 40 mm auf 50 mm unter einem Druck von 300 kg/cm² geformt. Das geformte Material wurde bei der in Tabelle 4 gezeigten Temperatur während 2 Stunden gesintert, wobei ein als biomedizinisches Material nützlicher Sinterkörper erhalten wurde.
Die verwendeten Hydroxyapatite hatten verschiedene atomare Calcium/Phosphor (Ca/P)-Verhältnisse. Das faserbildende Material war das in Beispiel 1 verwendete Diopsid A. Das Dispergiermittel, SN Dispersant 5045, wurde in einer Menge von 0,05 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht an HAP und faserbildendem Material, verwendet.
Die so erhaltenen biomedizinischen Materialien wurden geschnitten und unter einem Elektronenmikroskop beobachtet, um ihren Fasergehalt, die Matrixkorngröße (D), die Faserlänge (L), das Faseraspektverhältnis und das Matrixkorngröße/Faserlänge-Verhältnis (D/L) zu bestimmen. Sie wurden ebenfalls auf ihre relative Dichte, Biegefestigkeit (F.S.) und Bruchzähigkeit (KIC) gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt. Tabelle 4 Faser Probe No. Sinter-Temp. (ºC) Dispersionsmittel (Gew.-%) Ca/P (Atomverhältn.) Material zugesetzte Menge (Gew.-%) Diopsid Tabelle 5 Fasergehalt (Flächen-%) Matrixkorngröße (um) Faserlänge (um) Aspektverhältnis Relative Dichte (%)
Wie aus Tabelle 5 entnehmbar ist, haben die Proben Nr. 21 und 22 unter Verwendung eines Hydroxyapatits mit einem Ca/P- Verhältnis von mehr als 1,65 eine höhere Biegefestigkeit und Bruchzähigkeit als Probe Nr. 21 unter Verwendung eines Hydroxyapatits mit einem Ca/P-Verhältnis von weniger als 1,65, da im Ersteren mehr Fasern präzipitierten.

Beispiel 5

Zu einem Calciumfluorphosphatpulver mit einer BET-Oberfläche von 20 m²/g wurden 5 Gew.-% pulverförmiges CaO, 7 Gew.-% pulverförmiges Al&sub2;O&sub3; und 12 Gew.-% teilchenförmiges SiO&sub2;, bezogen auf das Gewicht des Calciumphosphatpulvers, zugegeben.
Die Mischung wurde vollständig gemischt. Eine Vibrationsmühle wurde mit 100 g des Gemisches und 300 g Wasser zusammen mit 1 kg Zirkonoxidmahlmedium beladen und während 60 Minuten gemahlen. Die Inhalte wurden gefiltert und der gesammelte Kuchen bei 110ºC während 60 Minuten getrocknet. Die Mischung wurde durch ein 110-mesh-Sieb hindurchgeführt, in einen Formenhohlraum von 40 x 50 x 10 mm eingebracht und unter einem Druck von 300 kg/cm preßgeformt. Von jeweils zwei Formen wurde eine bei 1200ºC während 2 Stunden und die andere bei 1300ºC während 2 Stunden gesintert.
Testproben von 3 x 4 x 36 mm wurden aus diesen zwei anorthitfaserverstärkten Verbundsinterkörpern hergestellt. Sie wurden auf ihre Biegefestigkeit gemäß Beispiel 1 gemessen. Die bei 1200ºC gesinterte Probe zeigte eine Biegefestigkeit von 130 MPa und eine relative Dichte von 95%, während die andere bei 1300ºC gesinterte Probe eine Biegefestigkeit von 220 MPa und eine relative Dichte von 99,7% zeigte.
Getrennt davon wurden Proben hergestellt und auf ihre Biegefestigkeit gemäß demselben wie vorstehend beschriebenen Verfahren bestimmt, mit der Ausnahme, daß das Calciumfluorphosphat durch Hydroxyapatit ersetzt wurde. Die bei 1200ºC gesinterte Probe zeigte eine Biegefestigkeit von 100 MPa und eine relative Dichte von 96,0%, während die andere bei 1300ºC gesinterte Probe eine Biegefestigkeit von 150 MPa und eine relative Dichte von 99,5% zeigte.

Beispiel 6

Zu Calciumfluorphosphatpulver wurden 4 Gew.-% pulverförmiges CaO, 4 Gew.-% pulverförmiges MgO und 12 Gew.-% teilchenförmiges SiO&sub2;, bezogen auf das Gewicht des Calciumphosphatpulvers, zugegeben. Sinterkörper wurden aus diesem Gemisch gemäß Beispiel 5 hergestellt. Es waren Diopsid/Wallastonit-faserverstärkte Verbundsinterkörper.
Testproben von 3 x 4 x 36 mm wurden aus den zwei, bei verschiedenen Temperaturen gesinterten Körpern hergestellt und auf ihre Biegefestigkeit gemessen. Die bei 1200ºC gesinterte Probe zeigte eine Biegefestigkeit von 140 MPa und eine relative Dichte von 94,0%, während die andere bei 1300ºC gesinterte Probe eine Biegefestigkeit von 200 MPa und eine relative Dichte von 99,1% zeigte.
Getrennt davon wurden Proben hergestellt und auf ihre Biegefestigkeit gemäß demselben wie vorstehend beschriebenen Verfahren bestimmt, mit der Ausnahme, daß das Calciumfluorphosphat durch Hydroxyapatit ersetzt wurde. Die bei 1200ºC gesinterte Probe zeigte eine Biegefestigkeit von 130 MPa und eine relative Dichte von 94,0%, während die andere bei 1300ºC gesinterte Probe eine Biegefestigkeit von 180 MPa und eine relative Dichte von 99,0% zeigte.

Beispiel 7

Eine Serie von Sinterkörpern wurde gemäß Beispiel 1 hergestellt, während die Kühlgeschwindigkeit nach dem Sintern, wie in Tabelle 6 gezeigt, verändert wurde.
Die Proben wurden unter einem Rasterelektronenmikroskop beobachtet, um eine Korngrenzenglasphase mit der Dicke, wie in Tabelle 7 gezeigt, zu finden. Tabelle 6 Probe No. Fasermaterial Menge an zugesetztem Fasermaterial (Gew.-%) Sintertemp. (ºC) Kühlgeschwindigkeit (ºC/min) Diopsid Anorsit * Vergleich Tabelle 7 Probe No. Fasergehalt (Flächen-%) Matrixkorngröße (um) Faserlänge (um) Aspektverhältnis kongenzenviskose Phasenstärke (um) Relative Dichte Schrägstruktur * Vergleich
Probe Nr. 34 wurde mittels eines analytischen Transmissionselektronenmikroskops (ATEM) analysiert. Figur 5 zeigt die Profile der Si-, Ca- und P-Gehalte in Atom-%, bestimmt aus den Röntgenpeaks van Si, P und Ca. Es ist anzumerken, daß O und H aus der Berechnung der Atom-% von Si, Ca und P in dem Diagramm in der Darstellung gemäß Figur 5 ausgeschlossen sind. Aus Figur 5 ergibt sich, daß Ca, P und Si in der Korngrenzenglasphase enthalten sind und daß sie eine stufenweise Konzentration in der Grenzphase aufweisen.

Beispiel 8

Zu 80 Gew.-% eines Calciumphosphatmaterials einer Sintertemperatur von 1150ºC wurden 20 Gew.-% Diopsid mit einer Sintertemperatur von 1250ºC gegeben. Das Gemisch wurde bei 1300ºC während 2 Stunden gesintert, wobei ein diopsidfaserverstärkter Sinterkörper erhalten wurde. Der Sinterkörper zeigte einen gut gesinterten Zustand und hatte eine Biegefestigkeit von 130 kg/cm² und eine Bruchzähigkeit (KIC) von 1,40.

Beispiel 9

Sinterkörper wurden gemäß Beispiel 8 hergestellt, mit der Ausnahme, daß das verwendete HAP und faserbildende Material die in Tabelle 8 gezeigten Sintertemperaturen hatte. Nur bei Probe Nr. 51 wurde das Gemisch bei 1260ºC gesintert. Der Sinterzustand und die physikalischen Eigenschaften der Sinterkörper sind in Tabelle 8 gezeigt.
Die Sintertemperatur wurde durch Kompaktieren eines Materials auf eine Dichte von 1,4 g/cm³, Erwärmen des Kompakts bei einer Geschwindigkeit von 20ºC/min mittels eines Thermodilatometers Modell DL-1500 (Shinku Rikou K.K.) und Messen der Erwärmungstemperatur, bei welcher ein Schrumpffaktor von 5% erreicht war, bestimmt. Tabelle 8: Material Probe Nr. HAP sinterbare Temperatur (Tm) faserbildendes Material sinterbare Temperatur (Tw) Material Menge (Gew.-%) Sintertemperatur Diopsid Anorthit Tabelle 9: Sinterkörper Probe Nr. Fasergehalt (Flächen-%) Matrixkorngröße (um) Faserlänge (um) Faseraspektverhältnis Biegefestigkeit (MPa) Bruchzähigkeit (MPa m)
Wie aus den Tabellen 8 und 9 zu sehen ist, können bessere Ergebnisse erhalten werden, wenn der Unterschied in der sinterbaren Temperatur zwischen dem faserbildenden Material und dem Calciumphosphatmaterial (Tw - Tm) im Bereich von 50 bis 400ºC liegt.

Beispiel 10

Zu 100 Gew.-Teilen eines Hydroxyapatitpulvers wurden 50 Gew.- Teile Siliciumcarbidfasern mit einer Länge von 15 um und einem Aspektverhältnis von 15 gegeben. Zu 100 Gew.-Teilen der Mischung wurden 40 Gew.-Teile eines Kautschuks gegeben. Die Mischung wurde in einer Labor-Plastomühle 30 Minuten gemahlen und anschließend in eine Platte durch Walzen unter einem Druck von 100 kg/cm² gewalzt. Eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Abschnitts der Platte zeigte, daß die Siliciumcarbidfasern orientiert waren. Der Orientierungsgrad war 80%. Die gewalzte Platte wurde anschließend durch Heißpressen unter einem Druck von 200 kg/cm² geformt und bei 1300ºC gesintert, wobei ein Sinterkörper mit einem Orientierungsgrad von 80%, einer Biegefestigkeit von 90 MPa und einer Bruchzähigkeit von 1,7 MPa m erhalten wurde, welcher zur Verwendung als biomedizinisches Material geeignet war.
Es ist anzumerken, daß der Orientierungsgrad des geformten und gesinterten Gegenstandes durch Pulver-Röntgenbeugung gemessen wurde, wobei die Peakintensität in dem Beugungsdiagramm als I(001) /I (nkl) in Prozent ausgedrückt wurde.

Beispiel 11

Das Verfahren gemäß Beispiel 10 wurde wiederholt, um Sinterkörper herzustellen. Tricalciumphosphat-Sintermaterial, Aluminiumoxidfasern und Binder wurden in den in Tabelle 10 angegebenen Verhältnissen verwendet. Das Gemisch wurde gemahlen, gewalzt, preßgeformt und unter den in Tabelle 10 gezeigten Bedingungen gesintert. Der Orientierungsgrad, die Biegefestigkeit und die Bruchzähigkeit der Sinterkörper sind in Tabelle 11 gezeigt. Tabelle 10 Probe No. Sintermaterial ¹) (Gew.-T.) Fasern ²) (Gew.-T.) Bindemittel (Gew.-T.) Rolldruck (kg/cm²) Preßformdruck (kg/cm²) Sintertemp. (ºC) ¹) Tricalciumphosphat ²) Aluminiumoxidfasern Tabelle 11 Fasern Probe No. Fasergehalt (Flächen-%) Matrixkorngröße (um) Orientierungsgrad (%) Länge (um) Aspektverhältnis
Alle Proben der Beispiel 4 bis 11 zeigten gute biologische Aktivität und Affinität in einem Implantationstest.

Claims

1. Biomedizinisches Material in Form eines gesinterten Verbundkörpers, enthaltend eine kristalline Calciumphosphatmatrix und darin dispergierte anorganische Fasern, wobei die Fasern 0,5 bis 95 Flächen-% eines Querschnitts des Sinterkörpers belegen und zumindest ein aus der Gruppe Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Calciumoxid und Magnesiumoxid ausgewähltes Oxid enthalten, wobei die Matrix eine Korngröße von 0,05 bis 30 um und die Fasern eine Länge von 0,05 bis 30 um und ein durch das Längen/Durchmesser-Verhältnis bestimmtes Aspektverhältnis von 1,2/1 bis 100/1 aufweisen, wobei das Verhältnis der Matrixkorngröße zu der Faserlänge einen Bereich von 14/10 bis 2/10 umfaßt.

2. Biomedizinisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline Calciumphosphat Tricalciumphosphat ist.

3. Biomedizinisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline Calciumphosphat aus der Apatitreihe ist.

4. Biomedizinisches Material nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline Calciumphosphat Hydroxyapatit oder Fluorapatit mit einem Atomverhältnis von Calcium zu Phosphor (Ca/P) von 165/100 bis 175/100 ist.

5. Biomedizinisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganischen Fasern aus Calciumsilikat und Calciumsilikatmagnesium ausgewählt sind.

6. Biomedizinisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern zumindest zwei aus der Gruppe Siliciumoxid, Aluminiumoxid und Calciumoxid ausgewählte Oxide und gegebenenfalls Magnesiumoxid enthalten.

7. Biomedizinisches Material nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganischen Fasern aus der Gruppe Aluminiumsilikatcalcium- und Calciumsilikatmagnesium-Fasern ausgewählt sind.

8. Biomedizinisches Material nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganischen Fasern Anorthit- oder Diopsid-Fasern sind.

9. Biomedizinisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenschicht zwischen den Fasern und den Matrixkörnern vorliegt, wobei die Zwischenschicht Elemente in entweder den Fasern und der Matrix oder in beiden enthält.

10. Biomedizinisches Material nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht einen kontinuierlichen oder stufenförmigen Konzentrationsgradienten und eine Dicke von bis zu 3 um aufweist.

11. Biomedizinisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern einen Orientierungsgrad von zumindest 60% aufweisen.

12. Verfahren zur Herstellung eines biomedizinischen Materials nach Anspruch 1,

gekennzeichnet durch

- Mischen eines Calciumphosphatmaterials und eines faserbildenden Materials und

- Sintern der Mischung bei einer ausreichenden Temperatur von 800 bis 1600ºC für eine ausreichende Zeit, um ein Wachsen der Fasern zu ermöglichen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur, bei der das faserbildende Material Fasern bildet, um 50 bis 400ºC höher als die normwalerweise für das Sintern des Calciumphosphatmaterials erforderliche Temperatur ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als faserbildendes Material eine Mischung oder eine im wesentlichen aus (i) zumindest einem Bestandteil aus einer Aluminiumoxidquelle und einer Magnesiumoxidquelle, (ii) einer Siiiciumdioxidquelle und (iii) einer Calciumoxidquelle bestehende Verbindung eingesetzt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlen des gesinterten Materials bei einem ausreichend niederen Ausmaß von bis zu 30ºC/Minute erfolgt, um die Ausbildung einer Zwischenschicht zwischen den Matrixkörnern und den Fasern zu ermöglichen.

16. Verfahren zum Herstellen eines biomedizinischen Materials nach Anspruch 1,

gekennzeichnet durch

- Mischen eines Calciumphosphatmaterials und anorganischer Fasern mit einer Länge von 0,05 bis 30 um und einem durch das Längen/Durchmesser-Verhältnis definierten Aspektverhältnis von 1,2/1 bis 100/1 und

- Sintern des Gemisches bei einer Temperatur von 800 bis 1600ºC.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Calciumphosphat und anorganischen Fasern zur Faserorientierung vor dem Sintern des Gemisches gewalzt wird.