DE69124129T2

DE69124129T2 - Hydroxyapatitbeschichtung von Substraten

Info

Publication number: DE69124129T2
Application number: DE69124129T
Authority: DE
Inventors: Brent R Constantz
Original assignee: Norian Corp
Current assignee: Norian Corp
Priority date: 1990-04-05
Filing date: 1991-04-03
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2011-04-04
Also published as: DK0450939T3; ES2097791T3; EP0450939B1; ATE147640T1; CA2039815C; JPH04224747A; GR3022845T3; IE911123A1; EP0450939A3; EP0450939A2; US5164187A; US5279831A; CA2039815A1; JP3340447B2; DE69124129D1

Description

Das Gebiet der vorliegenden Erfindung betrifft mineralisierte Überzüge von Prothesenvorrichtungen und die Ausrüstung zur Herstellung solcher Überzüge. Genauer betrifft sie:
1. Ein hydroxylapatit-beschichtetes Substrat mit einer gleichförmigen und haftbeständigen Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Beschichtung eine Whisker- Kristalloberfläche besitzt, worin das beschichtete Substrat eine Oberfläche im Bereich von 1-25 m²/cm² besitzt und mindestens zwei Kristallschichten von aufeinanderfolgend größer werdenden Hydroxylapatit-Kristallen umfaßt.
2. Ein Verfahren zur Herstellung eines hydroxylapatit-beschichteten Substrates, das eine gleichförmige und haftbeständige Beschichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Beschichtung eine Whisker-Kristalloberfläche aufweist, worin das genannte beschichtete Substrat eine Oberfläche von 1- 25 m²/cm² aufweist, und mindestens zwei Kristallschichten von aufeinanderfolgend größer werdenden Hydroxylapatit-Kristallen umfaßt, wobei das Verfahren umfaßt:
Inkontaktbringen eines festen Substrates mit einer strömenden Lösung bei erhöhten Temperaturen, in die eine Quelle löslicher Calciumionen und eine Quelle löslicher Phosphationen eingeführt sind, die bei einer Konzentration vorliegen, die kolloidale Hydroxylapatit-Partikel liefert, die an das genannte Substrat haften, um eine Beschichtung zu bilden, Bereitstellung einer kontinuierlichen Akkretion von Hydroxylapatit, um das genannte Substrat zu beschichten;
worin stromabwärts des genannten Substrates die genannte Quelle der Calciumionen proximal zu dem genannten Substrat liegt, und die genannte Phosphatquelle distal zum genannten Substrat liegt.
3. Vorrichtung zur Herstellung eines Hydroxylapatit-beschichteten Substrates, das eine gleichförmige und haftbeständige Beschichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Beschichtung eine Whisker-Kristalloberfläche aufweist, worin das genannte beschichtete Substrat eine Oberfläche von 1-25 m²/cm² aufweist, und mindestens zwei Kristallschichten von aufeinanderfolgend größer werdenden Hydroxylapatit-Kristallen umfaßt, wobei die genannte Vorrichtung umfaßt:
eine Beschichtungswanne;
einen Verteilungstank;
einen Lösungsherstellungstank;
ein Mittel zur Zirkulation des Beschichtungsmediums in kontinuierlicher Weise in einem Kreislauf von der genannten Beschichtungswanne zu dem genannten Verteilungstank zu der genannten Beschichtungswanne;
Mittel zum Erwärmen und zur pH-Steuerung zur Steuerung der Temperatur und des pH des genannten Zirkulationsmediums;
Mittel als Quelle zur Zugabe des Phosphats, der neutralisierenden Base und des Calciums, wobei das Mittel als Calciumquelle in der Nähe des genannten Substrates, verglichen mit dem Mittel als Phosphatquelle und dem Mittel als Neutralisierungsbasenquelle liegt, die Neutralisierungsbasenquelle liegt stromabwärts vom genannten Substrat angeordnet; und
Die Verwendung von Prothesenvorrichtungen zur Behandlung von Knochenverletzungen/Erkrankungen weitet sich mit einer verstärkt aktiven und älterwerdenden Bevölkerung kontinuierlich aus. Die Verwendung von Knochenersatz für Knochenbrüche, die Entfernung von Knochen oder die Verwendung von Trägern für geschwächte Knochen erfordert, daß der künstliche Knochenersatz eine starke Verbindung oder Bindung mit dein natürlichen Knochen eingeht, um die Integrität der Struktur sicherzustellen. Der Knochen ist fähig in benachbarte Strukturen zu wachsen, insbesondere wenn die benachbarten Strukturen porös und mit dem Knochen kompatibel sind. Der Knochen muß jedoch nicht nur in der Lage sein in eine poröse Struktur zu wachsen, sondern es muß eine Bindung in Form eines mechanischen Ineinandergreifens in einer Weise stattfinden, die eine starke Bindung zwischen dem natürlichen hineingewachsenen Knochen und der Prothesenvorrichtung erlaubt.
Das Schlüsselerfordernis für die knochenartige Fixierung von Prothesenimplantaten besteht darin, daß Knochen auf und/ oder in die Implantatoberfläche hineinwächst. Eine Anzahl von Untersuchungen zeigten, daß eine Plasma-gesprühte Calciumphosphatbeschichtung auf Co-Cr und Ti-Legierungsimplantaten eine raschere knochenartige Anlagerung als bei Legierungen mit nackten Oberflächen allein begünstigt. Da die Alternative zum Erreichen der Implantatfixierung in der Einzementierung des Implantates mit PMMA besteht, was eine sofortige Fixierung ergibt, besteht der Wunsch eine raschere Fixierung durch Knochenanlagerung zu erzeugen, da während des Zeitraums des Hineinwachsens eine Bewegung zwischen dem Implantat und dem Knochen auftritt, die zu Schmerzen führt. Ungeachtet der Schmerzen wird die zementlose Technik ohnehin verwendet, da man annimmt, daß die direkte knochenartige Fixierung ein besseres Langzeitresultat als PMMA-Zement erzielt.
Eine Anzahl von Techniken wurde verwendet, um eine kompatible Oberfläche für ansonsten inkompatible aber strukturell akzeptable Prothesen bereitzustellen. Metalle wurden beschichtet mit Calciumphosphatkeramiken durch Plasmasprühen, Ionenimplantation und ähnliches. Metalle, Fasern oder wulstige poröse Einwachsoberflächen wurden durch die obigen Techniken beschichtet. Die Beschichtungen sind jedoch häufig dick und brüchig, besitzen Schatten an denen die Beschichtung nicht vorliegt, verstopfen die Poren innerhalb der porösen Beschichtungen und neigen zum Brechen. Weiterhin eignen sich diese Techniken nicht für einen einfachen Einschluß von Wachstumsfaktoren, die nützlich in der Unterstützung des Knocheneinwachstums und für seine Aufrechterhaltung sind.

Relevante Literatur

Das US-Patent Nr. 4.693.986 gibt eine Beschreibung des Stands der Technik über Apatitprodukte als Knochenersatzmaterialien. Okazakai, J., et al., Biomedical Materials Research (1982), 16:851-860; Okazakai, J., et al., Caries Res. (1984), 18:499-504; und Okazakai, J., et al., J. Dent. Res. (1981), 60:845-849, beschreibt die Darstellung von nadelartigen Hydroxylapatitkristallen. Calciumphosphatfasern sind in einer Anzahl von japanischen Patenten beschrieben, einschließlich: JP57/ 117621; JP53/111000; JP53/110999; JP61/201019; und JP58/054023. Die deutsche Veröffentlichung Nr. DE 33 39 996 beschreibt Calciumcarbonatnadeln und Partikel. Das US-Patent Nr. 3.959.192 beschreibt Calciumcarbonatpartikel-Füllstoffe. Napper und Smythe, J. Dent. Res. (1966), 45:1775-1783 beschreiben die Herstellung von Hydroxylapatitkristallen unter Verwendung von Calciumacetat. Für eine Übersicht über Calciumphosphatkeramiken als Hartgewebsprothesen siehe Jarcho, Clinical Orthopedics and Related Research (1981), 157:259-278. Die Diskussion von Octacalciumphosphat kann in Legeros et al., Scanning Electron Microscopy (1984) 4:1771-1777 und den darin zitierten Literaturstellen gefunden werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Es werden neue Verfahren und Zusammensetzungen bereitgestellt, die Hydroxylapatit insbesondere als Überzug auf porösen Substraten bereitstellen. Das Verfahren beinhaltet die Kombination einer löslichen Calciumquelle mit einer löslichen Phosphatquelle unter den Bedingungen der kontrollierten Kristallisationskeimbildung und des geregelten Kristallwachstums, um eine Hydroxylapatitbeschichtung auf einem Substrat mit einer kristallinen Whisker-Oberfläche zu bilden. Die stabilen, im wesentlichen gleichförmigen Beschichtungen werden auf porösen Strukturen erhalten, die das Knocheneinwachsen ermöglichen.
Eine Vorrichtung wird bereitgestellt zur Steuerung des gleichförmigen Wachstums einer Mehrzahl von Substraten, die eine Beschichtungskammer, Rückführmittel und Öffnungen zum Einlassen der Reaktanten in einer vorgeschriebenen Ordnung verwendet.

Kurze Beschreibung der Abbildungen

Fig. 1 ist eine schematische Seitenrißansicht der Vorrichtung entsprechend der Erfindung; und
Fig. 2 ist eine schematische Seitenrißansicht des Substrathalters und des Substrates.

Beschreibung der spezifischen Ausführungsformen

Verfahren, Zusammensetzung und Vorrichtungen werden bereitgestellt zur Herstellung von Hydroxylapatit, insbesondere als Beschichtungen von Substraten, z.B. Prothesenvorrichtungen, die mit dem Knochen wechselwirken oder für eine Knocheneinwachstum sorgen. Die Beschichtungen werden in einem Verfahren hergestellt, das für eine starkhaftende gleichförmige dünne Beschichtung von Hydroxylapatit auf einer Substratoberfläche sorgt, worin die Beschichtung lange Nadeln oder Whisker aufweist, die das Knocheneinwachstum und eine starke Bindung zwischen dem natürlichen Knochen und der Beschichtung via Knocheneinwachstum und die Anlagerung auf einem Poren umfassenden Implantat zu induzieren scheint.
Es wurde gefunden, daß die Beschichtungen eine hohe Ca&sub1;&sub0;(PO&sub4;)&sub6;(OH)&sub2;-Oberfläche infolge der faserartigen Hydroxylapatitkristalle Ca&sub1;&sub0;(PO&sub4;)&sub6;(OH)&sub2; aufweisen. Die Oberfläche liegt im allgemeinen bei ungefähr 1 - 25m²/cm² der Fläche. Die Beschichtungen können so dünn sein wie ungefähr 2 µm (µm = Mikron), bevorzugt mindestens ungefähr 5 µm und noch bevorzugter ungefähr 10 µm und können bis zu 40 µm Dicke oder mehr abhängig von der Verwendung reichen. Gewöhnlich wird eine relativ dünne Beschichtung angewendet, um dicke brüchige Keramikgrenzflächen zwischen dem Substrat und dem duktilen Knochen zu vermeiden.
Die Hydroxylapatit-Zusammensetzung kann auf einer Anzahl von Wegen durch Einführung anderer Ionen nach Bedarf modifiziert werden. Andere Ionen schließen Fluorid, Carbonat, Natrium, Chlorid, Wasserstoffionen, z.B. HPO&sub4;, HCO&sub3; etc. und ähnliche ein. Gewöhnlich werden weniger als ungefähr 50 %, gewöhnlicher weniger als ungefähr 20 % der gesamten Anzahl der Phosphat- und Hydroxid-Anionen und bis zu 50 % der Calciumkationen mit anderen Ionen substituiert. Diese Substitutionen beeinflussen das in vivo-Auflösungsverhalten der Beschichtung, die resorbierbar oder nicht resorbierbar sein kann.
Die Einkristalle oder der Whisker, die durch das Verfahren der Erfindung hergestellt werden, liegen im allgemeinen zwischen ungefähr 0,01 Mikron bis 20 Mikron im Durchmesser und ungefähr 1 bis 40 Mikron in der Länge. Die Zusammensetzung ist gewöhnlich im wesentlichen homogen 095 %), mineralogisch rein (die gleiche Kristallstruktur), 0 90 %) und im wesentlichen morphologisch homogen, im allgemeinen liegen die Abweichungen bei nicht mehr als ± 20 % vom Durchschnitt jeder Dimension.
Das Hydroxylapatit (HAP) besitzt netto eine positive Ladung bei einem physiologischen pH, was negativ geladene Proteine wie Collagen oder andere exogene oder endogene Proteine anzieht, die als Wachstumsfaktoren, chemotaktische Faktoren und ähnliches dienen können. Folglich kann das Beschichten für die Anwesenheit solcher Produkte auf der Oberfläche des Hydroxylapatits oder deren analoge Substanz oder als Teil der Struktur des Hydroxylapatits sorgen. Die außergewöhnlich hohe Oberfläche dieser Beschichtung stellt eine um Größenordnungen höhere Bindungsoberfläche als das unbeschichtete Implantat oder die konventionellen Calciumphosphatbeschichtungen bereit.
Diese Beschichtungen können auffeste Oberflächen, porösen Oberflächen, geätzten Oberflächen oder jeglicher Art von Oberflächen aufgebracht werden. Da die Beschichtung in einem flüssigen Medium aufgebracht wird, das fähig ist Kanäle, Poren, Vertiefungen und andere strukturelle Merkmale zu durchdringen, kann eine gleichförmige Beschichtung erhalten werden, die im wesentlichen die gesamte Oberfläche beschichten kann, ohne freie Bereiche zurückzulassen. Das Verfahren der Erfindung findet besondere Anwendungen bei Vorrichtungen, die feinperlige Schichten beinhalten, worin die Perlen bzw. Wulste zwei oder mehr Schichten darstellen, was erfordert, daß mindestens ungefähr zwei Schichten der Perlen bzw. Wulste durchdrungen und mit dem Hydroxylapatit oder dessen analoge Substanz beschichtet werden. Somit werden Durchdringungen in porösen Substraten, wie sie in Prothesenvorrichtungen verwendet werden, von mindestens 0,5 mm, gewöhnlicher mindestens ungefähr 1 mm erreicht.
Das Verfahren beinhaltet, daß man für die Bildung von kleinen haftfähigen Hydroxylapatit-Partikeln als kolloidale Suspension in der Nähe des zu beschichtenden Substrates sorgt. Die Partikel werden durch einen Strom mit einer Geschwindigkeit gerichtet, die zum Aufprall der Partikel auf der Oberfläche des Substrates und der Bindung der Partikel an die Oberfläche führt. Der weitere Anstieg in der Dicke der Beschichtung kann aus Partikeln und/oder löslichen Ionen durch Akkretion, wahrscheinlich durch Partikel, erfolgen. Die Oberfläche resultiert unter den Bedingungen des Beschichtungsverfahrens in einer Whisker-Kristalloberfläche des Hydroxylapatits.
Die Substrate können in einem Einzelbehälter beschichtet werden, worin das Medium durch Rühren bewegt wird und die Reaktanten und Reagentien kontinuierlich hinzugegeben werden, um die Reaktanten in der Gegenwart des Substrates in einem geeigneten Konzentrationsbereich und die Bedingungen auf geeigneten Niveaus zu halten.
Das Verfahren im Nicht-Rückführmodus beinhaltet das Auftragen von mindestens zwei Schichten, einer ersten Schicht von sehr kleinen Kristallen, die durch Bereitstellungen von Bedingungen erreicht wird, die zu einer hohen Dichte heterogener Kristallkeimbildungsstellen führt, so daß eine große Anzahl von Hydroxylapatit-Kristallisationskeimbildungsstellen auf dem Substrat vorliegen. Darauffolgt mindestens eine zusätzliche Beschichtung unter den Bedingungen, die für auf ein niedrigeres Niveau der Kristallisationskeimbildung eingestelltes Kristallwachstum sorgen, um wesentlich größere Kristalle herzustellen. Bevorzugt werden eine oder mehrere zusätzliche Beschichtungen bereitgestellt, worin die Bedingungen die gleichen sind oder bei noch niedrigeren Niveaus der Kristallisationskeimbildung als beim zweiten Beschichten, um, verglichen mit der zweiten Beschichtung, größere Kristalle zu bilden. Gewöhnlich sind es nicht mehr als fünf Beschichtungen, bevorzugt nicht mehr als drei Beschichtungen.
Die erste Schicht wird im allgemeinen von einer Dicke im Bereich von ungefähr 0,01 Mikron bis 20 Mikron mit einer Kristallänge im Bereich von ungefähr 0,01 Mikron bis 10 Mikron. Die zweite Beschichtung wird im allgemeinen von einer Dicke im Bereich von ungefähr 1 Mikron bis 40 Mikron mit einer Kristalllänge im Bereich von ungefähr 0,01 Mikron bis 20 Mikron sein. Die dritten und nachfolgenden Beschichtungen werden im allgemeinen bei jeder Schicht von einer Dicke im Bereich von ungefähr 1 Mikron bis 40 Mikron, bevorzugt ungefähr 5 Mikron bis 10 Mikron mit Kristallen mit einem Durchmesser von ungefähr 0,1 bis 2 Mikron und einer Länge von ungefähr 1 bis 10 Mikron, bevorzugt ungefähr 0,1 bis 1 Mikron im Durchmesser und einer Länge von ungefähr 2 Mikron bis 7 Mikron sein. Die Gesamtdicke der zweiten und nachfolgenden Beschichtung wird im allgemeinen im Bereich von 5 Mikron bis 20 Mikron sein.
Die verschiedenen Schichten können erhalten werden durch Variieren der Konzentration der Reaktanten, des phs, der Temperatur, der Art der Kombination der Reaktanten im Reaktor, der Natur des Flüssigkeitsstroms und ähnlichem. Bevorzugt werden die Reaktanten und das Substrat in Beziehung zueinander bewegt, so daß das Substrat kontinuierlich auf eine spezifische Reaktionsmischung trifft. Die Reaktionsmischung kann bequem am Substrat unter Verwendung einer laminaren oder turbulenten Strömung, bevorzugt turbulenten Strömung, unter Verwendung eines Mischers vorbeiströmen gelassen werden, worin der Anteil des zu beschichtenden Substrates an einer Stelle angeordnet wird, die vom Zentrum des Reaktors verschoben ist und die Reaktionsinischung kontinuierlich mit einem Strömungsfluß um die Wände oder ähnliches bewegt wird. Die spezifischen Bedingungen der Reaktionsmischung werden durch die Fließbedingungen bestimmt, die ihrerseits durch die Reaktantenkonzentration, die Geometrie der Kombination, dem Flüssigkeitsstromsystem, der Behältergeometrie und ähnliches bestimmt werden.
Vor Beginn der Beschichtung kann das Substrat gereinigt oder behandelt werden, um jegliche Oberflächenverunreinigungen zu entfernen oder eine andere Behandlung, um eine gute Adhäsion der Beschichtung zu fördern. Verschiedene Reinigungsverfahren können angewendet werden. Vor der Beschichtung kann das Substrat mit einem Entfettungsmittel z.B. Aceton, Isopropanol, Freon, etc. gespült werden und dann mit einer geeigneten Spüllösung, z.B. entionisiertem Wasser gespült werden. Mögliche Oberflächenbehandlungen beinhalten das Säureätzen, Ionenstrahlätzen, etc.
Die Reaktionsinischung wird hergestellt indem man eine wasserlösliche Calciumquelle und eine wasserlösliche Phosphatquelle bei erhöhten Temperaturen und bei schwach saurem oder schwach basischem pH zusammenbringt. Während der Zugabe der Calcium- und Phosphatquellen wird der pH durch Zugabe eines geeigneten sauren oder alkalischen Mediums, insbesondere eines alkalischen Mediums z.B. Ammoniumhydroxid aufrechterhalten. Abhängig von der besonderen beteiligten Beschichtung variiert die Konzentration der Lösungen, die durch die Calcium- und Phosphatquellen geliefert werden, so daß der Grad der Kristallisationskeimbildungsgeschwindigkeit und der Kristallisationswachstumseinstellung variiert.
Während die beiden Reaktanten gleichzeitig in benachbarter Stellung zugegeben werden können, wird die Calciumquelle an einer Stelle zugegeben, die proximaler bzw. mehr zur Körpermitte des Substrates hinliegt als die Phosphatquelle. Somit wird das Calcium in eine Lösung eingeführt, in der die Phosphatkonzentration wiederhergestellt wurde, und diese kombinierten Lösungen treffen direkt auf das Substrat nach einer spezifischen Vermischungsmenge, die entsprechend der Natur der gewünschten Beschichtung eingestellt wird. Gewöhnlich liegt die Zeit, in der die Calciumquelle und die wieder hergestellte Phosphatlösung aufeinandertreffen, bis zu der Zeit an der sie auf das Substrat treffen, bei weniger als ungefähr 1 Sekunde, bevorzugter weniger als ungefähr 10 msek. Mit dem kontinuierlichen Recycling wird das Endvolumen der Lösung im allgemeinen von ungefähr 1- bis 30fach größer sein als das Volumen der beiden zugegebenen Lösungen, gewöhnlich 1- bis 2fach größer.
Die Reaktantenlösungen und die Stammlösung können vorher erhitzt oder bei Raumtemperatur verwendet werden, im allgemeinen werden sie bei einer Temperatur im Bereich von mindestens 20ºC bis nicht mehr als 90ºC hinzugegeben. Die Reaktion kann bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 60 bis 90ºC, bevorzugt im Bereich von ungefähr 70 bis 85ºC gehalten werden. Der pH wird im Bereich von ungefähr 5 bis 8,5, bevorzugter 6 bis 8, bevorzugt ungefähr 6,5 bis 7,5 gehalten. Der pH der einzelnen Reaktanten und der Stammlösung kann einzeln eingestellt werden, um für spezifische Kristallisationskeimbildung- und Kristallwachstumsbedingungen zu sorgen.
Das molare Verhältnis der Lösungen ist im allgemeinen so, daß die Calciumquelle bei einem molaren Verhältnis von 1-2:1 zur Phosphatquelle, bevorzugter ungefähr 1,5-2:1 zur Phosphatquelle liegt. Die Molarität der am meisten verdünnten Konzentration der Calciumquelle wird im allgemeinen im Bereich von ungefähr 0,05 bis 5 M, bevorzugter ungefähr 0,1 bis 2,0 M liegen. Die Phosphatquelle wird im allgemeinen bei ungefähr 0,01 bis 1,0 M, bevorzugt ungefähr 0,05 bis 0,5 M liegen. Die konzentriertere Lösung wird im allgemeinen bei einer Konzentration von ungefähr mindestens 2- bis 10fach, gewöhnlicher von ungefähr 2- bis 8fach liegen. Die erste Reaktionsmischungslösung, die für die hohe Kristallisationskeimbildung sorgt, hat im allgemeinen eine Konzentration von ungefähr 1,5fach der verdünntesten verwendeten Reaktionsmischungslösung, gewöhnlich mindestens ungefähr 2fach und nicht mehr als ungefähr 10fach, gewöhnlich nicht mehr als ungefähr 7fach der am meisten verdünnten Reaktionsmischungslösung. Besonders bevorzugt ist eine Serie, worin die verschiedenen Lösungen ungefähr 5fach, dann ungefähr 3fach konzentrierter als die letzte und am meisten verdünnte Lösung sind. Die Calcium- und Phosphatquellen werden hinzugegeben, um ein im wesentlichen stöchiometrisches Verhältnis der Hydroxylapatit-Komponenten bereitzustellen.
Die Calciumquelle kann irgendein bequemes Gegenion verwenden, abhängig von dem Zweck des Endproduktes. Wenn das Endprodukt in einen Wirt eingeführt wird, werden gewöhnlich nur physiologisch verträgliche Gegenionen verwendet. Für das Calciumsalz können verschiedene organische und anorganische Anionen, die eine wasserlösliche Quelle bereitstellen, verwendet werden, wie Acetat, Succinat, Nitrat, Chlorid, Malonat, Maleat, Tatrat, Fumarat oder andere chelatisierende Anionen. Von besonderem Interesse sind Carboxylate von 2 bis 6, gewöhnlich 2 bis 4 Kohlenstoffatomen. Für das Phosphat werden Alkalimetall- oder Ammonium-Salze verwendet, insbesondere Natrium- oder Ammoniumsalze. Die Wahl der Gegenionen und Mischungen davon wird zu einem gewissen Ausmaß durch die Wechselwirkung der Gegenionen bestimmt, um irgendeine Fällung oder den Einbau der Gegenionen in der Kristallstruktur zu vermeiden.
Die Dauer für jede Beschichtung hängt ab vom besonderen Substrat, den Konzentrationen und verwendeten Bedingungen und ähnlichem. Im allgemeinen dauert jede Beschichtung mindestens ungefähr 5 Minuten, bevorzugter mindestens ungefähr 30 Minuten und nicht mehr als ungefähr 12 Stunden, bevorzugter nicht mehr als über 6 Stunden. Bevorzugt wird die Dauer der Beschichtung im Bereich von 1 bis 6 Stunden variiert.
Die Substrate werden in die Lösung eingeführt, worin das Substrat bevorzugt stromabwärts der eher proximal, d.h. in Richtung der Körpermitte angeordneten Calciumquelle liegt. Somit wird die Phosphatquelle bevorzugt stromabwärts bewegt, um mit dem Calciumstrom vor dem Auftreffen auf das zu beschichtende Substrat zu kombinieren. Diejenigen Bereiche, die nicht beschichtet werden sollen, können durch eine bequeme Schutzbeschichtung geschützt werden, oder die Beschichtung kann von diesen Bereichen, die nicht geschützt sind, nach Abschluß des Verfahrens entfernt werden. Änderungen der Konzentration der Reaktanten können erreicht werden entweder durch Verwendung von verdünnteren Lösungen für die Zugabe der Reaktanten oder durch Verwendung unterschiedlicher Volumenkonzentrationen der anfänglichen Stammlösung, in die das Substrat eingetaucht ist. Wenn die Reaktanten kontinuierlich zum Reaktionssystem gegeben werden, kann die Reaktion nach Abschluß der Zugabe fortgesetzt werden, wobei die zusätzliche Zeit gewöhnlich ungefähr 50 bis 400 %, gewöhnlich von ungefähr 75 bis 200 % der Gesamtzeit für jede einzelne Schichtbildung erfordert.
Nach jeder Beschichtung kann die Oberfläche durch sorgfältige Reinigung vorbereitet werden, um jegliche die Oberfläche verunreinigende Substanzen für die nächste Beschichtung zu entfernen. Verschiedene Verfahren zur Reinigung des Substrates können angewendet werden. Nach jeder Beschichtung können die Proben entfernt werden und vorsichtig mit einer geeigneten Sprühlösung z.B. entionisiertem Wasser gereinigt werden. Falls erforderlich, können die Proben getrocknet und untersucht werden durch Anwendung eines flüchtigen wasserlöslichen organischen Lösungsmittels z.B. Aceton, Spülen mit einem organischen Lösungsmittel gefolgt durch Lufttrocknen. Nach jeder einzelnen Beschichtung werden die Substrate bevorzugt 180º gedreht, um sicherzustellen, daß die Substrate gleichförmig beschichtet werden. Wenn die Beschichtung vervollständigt ist, werden die Proben dann untersucht, um ihre Gleichförmigkeit, die Adhäsion des Substrates, die Oberflächenvergrößerung und jegliche weitere geeignete Eigenschaft sicherzustellen.
Wenn ein Rückführsystem verwendet wird, so daß ein Strom kontinuierlich in den Beschichtungsreaktor eintritt und ihn verläßt, ist ein Einzelbeschichtungsschritt erforderlich, worin der Beschichtungsprozeß fortgesetzt wird, bis die gewünschte Dicke erhalten ist; im allgemeinen in weniger als ungefähr 120 Minuten, gewöhnlich mindestens ungefähr 10 Minuten. Der pH wird bei ungefähr 6,8 bis 8,0, bevorzugt ungefähr 714 gehalten. Die Temperatur des Substrates wird gewöhnlich im Bereich von ungefähr 70 bis 90ºC, bevorzugt ungefähr 80ºC gehalten. Das vorherige Erhitzen der Reaktanten kann vorteilhaft sein.
Die Lösung liegt im allgemeinen im Bereich von ungefähr 1 bis 2 M Ammoniumacetat (mit der Zeit ansteigend in Folge von der Verdampfung). Die Konzentration der Calciumquelle liegt im allgemeinen im Bereich von 0,1 bis 0,8 M, bevorzugt 0,3 bis 0,6 M, bevorzugter ungefähr 0,5 M, während die Phosphatquelle im Bereich von ungefähr 0,06 bis 0,5 M, bevorzugt ungefähr 0,2 bis 0,4 M, bevorzugter ungefähr 0,3 M liegt. Kern-Ammoniumhydroxid wird hinzugegeben, um den pH aufrechtzuerhalten. Das verwendete Wasser besitzt bevorzugt einen geringen Carbonatgehalt wie entionisiertes Wasser. Gewöhnlich übersteigt die Dicke der Beschichtung 20 µm, gewöhnlicher 10 µm nicht.
Die Zielbeschichtung kann mit einer Vielfalt von Materialien kombiniert werden wie Collagen, Knochenwachstumsfaktoren wie TGF-b, knochenmorphogenetische Faktoren, Kombinationen davon oder ähnliches. Die Wachstumsfaktoren können dazu dienen das Wachstum der Osteoblasten zu vergrößern, während die Wachstumsfaktoren und Collagen das knochenartige Einwachsen fördern können. Diese Faktoren können in der Reaktionsmischung oder in der Vorratslösung enthalten sein. Im allgemeinen sind die Wachstumsfaktoren in der Lösung in einer Menge von ungefähr 1 mg/ml bis 1 mg/ml vorhanden. Die beschichteten Vorrichtungen können in wäßrigen Medien transportiert werden, in denen eine oder mehrere Faktoren in der Lösung, in der die Beschichtung eintaucht, vorhanden sein können. Alternativ können diese Faktoren auf den beschichteten Substrate gefriergetrocknet werden und an diese binden und dann die Vorrichtung dehydratisiert und transportiert werden.
Verschiedene Implantatvorrichtungen z.B. die Oberschenkelkomponente einer vollständigen Hüftgelenksplastik kann verwendet werden, worin die Vorrichtungen aus einer Vielfalt von Materialien, insbesondere Metallen oder gehärteten Kunststoffen z.B. Co-Cr, Ti-Legierungsstähle, Polyethylen, Kohlefaser-verstärkte Harze etc. zusammengesetzt sein können.
Um eine große Anzahl von Proben in einer kontinuierlichen, vorsichtig gesteuerten und reproduzierbaren Weise durchzuführen, kann man für eine oder eine Mehrzahl von Beschichtungswannen sorgen, die jeweils eine Mehrzahl von Proben beherbergen, die einer im wesentlichen gleichförmigen Zusammensetzung gleichzeitig ausgesetzt werden. Das Gerät schließt Öffnungen zur Einführung der Calcium-, Phosphat- und Neutralisationsbasen-Quelle in einer vorgeschriebenen Reihenfolge in Beziehung zur Anordnung des zu beschichtenden Substrates mit der Neutralisierungsbase stromabwärts vom Substrat ein. Indem man für eine kontinuierliche Rückführung, pH- und Temperaturüberwachung sorgt, kann die Beschichtungslösung im wesentlichen hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und den Bedingungen konstant gehalten werden. Die zu beschichtenden Substrate können so befestigt sein, daß das Rotieren oder Schütteln des Substrates möglich ist, so daß sie gleichmäßig an allen Seiten beschichtet werden können.
Manchmal ist es wünschenswert nur bestimmte Teile des Implantates zu beschichten. Maskierungsvorrichtungen aus einer Vielzahl von Materialien können verwendet werden, um die Implantate zu maskieren. Die am meisten gebräuchliche Methode verwendet eine wiederverwendbare Form mit RTV-Silikon-Kautschuk, da diese hochflexibel und leicht erhältlich ist. Ein Einzelkomponentenmaterial ist bevorzugt. Ein weiteres Verfahren besteht im Eintauchen des Implantates in ein Material wie Plastisol, um eine dünne (Kunststoff- oder Kautschuk)-Maske zu bilden. Die Maske kann entweder wiederverwendet werden oder nach dem Abschälen verworfen werden. Eine dritte Möglichkeit besteht in einem Acrylband. Diese Materialien müssen dem verwendeten Lösungs-pH, der Temperatur widerstehen und chemisch kompatibel sein.
Für das weitere Verständnis der Apparatur sorgt Fig. 1. Die Vorrichtung 10 besitzt eine Wanne 12, in der die Substrate 14, gestützt durch den Halter 16, angeordnet sind. Es ist nur eine Wanne gezeigt, aber die Vorrichtung kann fünf oder mehrere Wannen aufnehmen. Die Wanne schließt eine Calciumeinlaßöffnung 18, eine Phosphateinlaßöffnung 20 und eine Hydroxideinlaßöffnung 22 ein. In dieser Weise wird die rückgeführte Lösung mit Calcium und Phosphat erneuert und der pH stromabwärts der Reaktantenöffnungen und des Substrates gesteuert.
Die Zirkulation des Mediums wird durch eine Saugpumpe 24 erzeugt, die die Lösung von der Öffnung 12 entfernt und die Lösung durch die Leitung 26 zum Verteilungstank 28 umpumpt. Der Verteilungstank wird verwendet, um die Lösung zu einer Mehrzahl von Wannen zu führen, wobei nur eine davon gezeigt ist. Ein Filter 30 kann in der Leitung 26 enthalten sein, um kleine Teilchen, die sich während der Reaktion gebildet haben, zu entfernen. Eine pH-Sonde 31 ist in dem Verteilungstank 28 angeordnet, um jegliche Anderungen des phs zu überwachen, und die Geschwindigkeit mit der das Hydroxid zur rückgeführten Lösung von der Hydroxidöffnung 22 hinzugegeben wird, zu steuern. Der Verteilungstank 28 teilt die Lösung in zwei Teile, einen ersten Teil, der kontinuierlich durch die Öffnung 12 durch die Leitung 32 zurückgefördert wird und einen zweiten Teil für den Überlauf aus dem Verteilungstank 28 durch die Leitung 34 zum Sumpf 38.
Ein Lösungsherstellungstank 36 wird bereitgestellt zur Herstellung des Anfangsmediums, um die Öffnung 12 zu füllen, und um das Medium auf die beschriebene Temperatur zu erhitzen. Ein Sumpf 38 ist ausgerüstet mit einer Heizvorrichtung 40 zur Aufrechterhaltung der Temperatur. Der Sumpf 38 teilt sich vom Überlaufeingang 41 durch die Trennvorrichtung 39. Wahlweise kann zusätzlich zu der Heizvorrichtung 40 zur Erwärmung des Mediums vor dem Füllen der Öffnung eine Heizvorrichtung im Lösungsherstellungstank gehalten werden.
Eine Abflußröhre 42 ist bereitgestellt zum Ableiten vom Sumpf 38 ebenso wie von dem Lösungsherstellungstank 36, mit dem sie mit dem Lösungsherstellungstank 36 durch die Leitung 44 verbunden ist. Ein Ventil 46 wird bereitgestellt zur Steuerung des Durchflusses durch die Leitung 44, und das Ventil 48 steuert den Durchfluß durch die Abflußleitung 42. Das Ventil 50 steuert den Fluß aus dem Sumpf 38.
Ein Halter 16 ist bereitgestellt, um das Substrat 14 in dem Beschichtungsmedium zu halten. Der Halter 16 besitzt einen Klammerkörper 16 (Fig. 2). Der Stab 62 erstreckt sich abwärts durch den Kragen 64 und die Rändelschlußknöpfe 66 und 68 und endet im Gehäuse 70, welches das Substrat 14 hält. Der gesamte Halter kann auf einer Schüttel orrichtung oder einer rotierenden Vorrichtung, die eine individuelle Bewegung erlaubt, befestigt sein, oder jeder Halter 1 kann individuell befestigt sein, um ein geeignetes Bewegungsmuster zu erzeugen.
Bevorzugt wird eine Schüttelvorrichtung verwendet, worin die Halter so befestigt sind, aß sie um einen zentralen Punkt um bis zu ungefähr 30º von der Senkrechten zur Fließrichtung drehbar sind.
Eine beispielhafte Vorrichtung kann ein Behältervolumen von 22 Liter mit einer maximalen Förderkapazität der verschiedenen Komponenten von ungefähr bis zu 2 Litern aufweisen. Der Lösungsherstellungstank in Verbindung mit den Öffnungen hat eine Kapazität von ungefähr 40 Litern. Die Kapazität des Verteilungstanks liegt bei ungefähr 50 Litern. Die 100-Rückführpumpe besitzt eine Kapazität von ungefähr 130 gph. Der Filter, falls vorhanden, würde Partike im Bereich von ungefähr 10 µm bis 350 µm entfernen.
Die folgenden Beispiele denen der Veranschaulichung aber nicht der Beschränkung.

Experimenteller Teil

Protokoll

Sorgfältig gereinigte Proben wurden in ein isoliertes 3 Liter-Becherglas, das 25,05 g ammoniumacetat in 250 ml entionisiertem Wasser (dH&sub2;O) enthielt, hineingegeben. Die Proben lagen stromabwärts der Calciumacetatzugabevorrichtung und ein rotierender motorgetriebener Rührpropeller wurde zentriert und rotierte bei 60 Upm. Das Becherglas wurde auf eine 9 inch Heiz- Rührplatte gegeben, und die Hitze auf 8.0 geschaltet. Das Becherglas wurde mit einem Schutzfilm bedeckt, um Verdampfungswärmeverluste zu reduzieren. Nachdem die Ammoniumacetatlösung auf 75ºC erwärmt worden war, wu de das pH-Meter eingestellt, und der pH überwacht, so daß die Lösung bei 80ºC und pH 7,4 gehalten wurde. Dann wurde mit der Zugabe der Reaktanten mit einer Geschwindigkeit, die für das gewünschte stöchiometrische Verhältnis sorgte, begonnen, wobei eine 0,5 M-Lösung von Calciumacetat und eine zweite Lösung von 0,3 M Ammoniumdihydrogenphosphat kontinuierlich hinzugegeben wurde, während der pH durch Zugabe von konzentriertem Ammoniumhydroxid aufrechterhalten wurde. Die Zugabe wurde über einen Zeitraum von zwei Stunden fortgesetzt, und danach wurde das Rühren und Erwärmen für weitere zwei Stunden fortgesetzt, um einen Gesaintzeitraum von ungefähr vier Stunden zu ergeben.
Das Probensubstrat wurde dann entfernt, gewaschen, getrocknet durch Waschen mit Aceton und an der Luft getrocknet, während das Substrat zwischen den Beschichtungen untersucht werden sollte.
Das obige Verfahren wurde wiederholt, ausgenommen, daß Lösungen verwendet wurden, die 60 % der ursprünglichen Konzentration aufwiesen. Eine dritte Beschichtung kann dann verwendet werden, worin die Reaktionslösung 20 % der ursprünglichen Konzentration aufweist.
Nach Beendigung der Beschichtungen werden die Beschichtungen durch Reiben mit dem nackten Finger oder Handschuh und durch Anordnen eines Stückes eines VWR-Laborbands auf der Oberfläche und Abziehen des Bandes untersucht, um festzustellen, ob sich die Beschichtungen ablösen. Wenn in beiden Fällen das Metall signifikant freigelegt wird, kann die Beschichtung entfernt und das Verfahren wiederholt werden.
Das oben beschriebene allgemeine Verfahren wurde wiederholt mit sechs Vitallium-porösen Implantatstäben von Howmedica Inc. (Rutherford, N.J.). Das System wurde wie beschrieben angeordnet, und die Beschichtung wurde, nachdem die Temperatur 80ºC erreicht hatte und die Lösung einen pH von 7,4 aufwies, begonnen. Der Durchlauf erforderte vier Stunden. Während dieser Zeit wurde die Temperatur von 79 auf 84ºC und der pH von ungefähr 7,39 auf 7,43 geändert. Ungefähr 160 ml konzentriertes Ammoniumhydroxid wurden verwendet, um den pH aufrecht zu erhalten. Nach ungefähr 20 Minuten wurden Polyethylenkugeln hinzugegeben, um die Verdampfung zu verringern. Die Stäbe wurden nach ungefähr 30 Minuten und einer Stunde gedreht, während die Stäbe im Uhrzeigersinn bei ungefähr 95 Minuten gedreht wurden und die Bechergläser bewegt wurden, um die räumliche Anordnung zwischen den Stäben und den Reagentienquellen beizubehalten. Die Zugabe der Reagentien war nach ungefähr 115 Minuten abgeschlossen.
Vorrichtungen, die Co-Cr wulstige Stäbe (Howmedica PCA Oberfläche) umfaßten, wurden wie oben beschrieben, für transmetaphysitäre Oberschenkelknochenimplantate mit einer 1 mm radialen Öffnung in 15 Hunden hergestellt.
Das Protokoll erlaubt die Bewertung der Sicherheit und Wirksamkeit einer biokeramischen Beschichtung, die auf das Vitallium-porös-beschichtete Implantat aufgebracht wird. Es testet auch die Fähigkeit der Beschichtung eine klinisch relevante 1 mm Knochen-Implantatöffnung zu überbrücken. Die Untersuchung verwendete Hunde als Tiermodell. Die lastfreie Trageuntersuchung dient dazu die Wirksamkeit der angewendeten biokeramischen Beschichtung auf der Implantatoberfläche zu zeigen. Die Wirksamkeit wird durch eine deutlich erhöhte Ausstoß-Festigkeit verglichen mit dem nicht-beschichteten Implantat belegt. Zusätzlich kann die Sicherheit der Beschichtung auf dem lastfreien Trageimplantat und die knochenleitende Fähigkeit der biokeramischen Beschichtung durch die histopathologische Bewertung der Implantationsstelle belegt werden.

Experimenteller Aufbau

Ein porös-beschichteter Vitallium-Stöpsel wurden chirurgisch trankondylär in den distalen Oberschenkelknochen von 15 erwachsenen Hunden implantiert. Die Stöpsel wurden beidseitig angeordnet, ein Oberschenkelknochen hatte einen Stöpsel, der mit biokeramischem Material beschichtet war, während der kontralaterale Oberschenkelknochen einen nicht biokeramisch beschichteten Stöpsel implantiert hatte. Die Knochenimplantatgrenzfläche wurde mechanisch bewertet, um die Scherkraft zu messen, die erforderlich war, das Implantat anfänglich zu entfernen. An repräsentativen gepaarten Proben wurde die nichtentkalkte Histologie durchgeführt, um die Art des Grenzflächenbruches und die skelettale Reaktion auf die biokeramische Beschichtung zu bestimmen.
Die 15 Hunden wurden in drei Gruppen geteilt. Gruppe I, II und III enthielt jeweils 5 Versuchstiere. Die jeweiligen Opferzeiten nach den Implantationen der beschichteten und unbeschichteten Stöpsel betrugen 3, 6 und 12 Wochen.

Versuchstiere

Dirofilariaimmitis-freie Hunde mit ausgewachsenem Skelett wurden als Versuchstiere verwendet. Die Tiere wurden auf jegliche Anzeichen von Erkrankungen untersucht. Das Ausgewachsensein des Skelettes und die Abwesenheit von vorherigen und gegenwärtigen Skeletterkrankungen wurde radiographisch bestätigt. Das minimale Körpergewicht betrug ungefähr 20 Kilogramm.
Die Rasse und das Geschlecht der verwendeten Hunde war abhängig von der Verfügbarkeit der Labortiere. Wenn möglich, wurden zweckgezüchtete Tiere bekannten Alters verwendet. Wenn zweckgezüchtete Tiere verwendet wurden, variierte das Alter der Hunde um nicht mehr als ein Jahr.

Tierhaltung

Die Teilnehmer wurden für eine geeignete Zeit vorbereitet. Nach der Quarantäne wurden die Tiere in Reihen entweder individuell oder als Paare abhängig von der Käfiggröße gehalten. Die Tierhaltungsbedingungen entsprachen den gültigen Gesetzen und Vorschriften für Labortiere, d.h. Animal Welfare Act, Public Law 89-544, geändert in Public Law 99-198, Federal Register 52:61, United States Department of Agriculture - Animal and Plant Health Inspection Service (USDS-APHIS), 1985 und Public Health Service Policy on Humane Care of Laboratory Animals, Office for Protection Against Research Risks/National Institutes of Health (OPRR/NIH), September 1986.

Implantatbeschreibung

Die porös-beschichtete Vitallium-Implantate besaßen zwei verschiedene Oberflächenzustände. Es sind dies die biokeramisch beschichteten und unbeschichteten Oberflächen. Die Dimensionen der Implantate betrugen ungefähr 6,4 mm im Durchmesser und jeweils 25 oder 30 mm in der Länge. Beide Enden waren gerade abgeschnitten, um die Anbringung eines 8,4 mm im Durchmesser und 3 mm dicken Teflon-Dichtungsring zu erlauben. Zwei Dichtungsringe, jeder am jeweiligen Ende des Stöpsels, wurden angebracht.
Die gesamten Implantate wurden durch Howmedica geliefert. Sie waren sterilisiert in einzelnen Verpackungen, die ein Paar von Teflon-Dichtungsringen enthielten.

Chirurgische Technik

Die chirurgische Implantationstechnik war für beide hinteren Glieder identisch. Die gesamten chirurgischen Eingriffe wurden unter strikt aseptischen Bedingungen durchgeführt. Penoperative Antibiotika und die Pre-Medikation blieben dem Chirurgen überlassen. Die Anästhesie wird durch ein ultrakurzwirkendes Barbiturat, gefolgt durch die endotracheale Intubation induziert. Das Versuchstier wird mit einer ausgewogenen Mischung von Sauerstoff und einem Inhalationsnarkotikum gehalten.
Der chirurgische Eingriff ist wie folgt. Ein gebogener seitlicher Hauteinschnitt wird distal ein Drittel des Oberschenkelknochens bis zum Schienbein gemacht. Die Haut wird stumpf präpariert und zurückgezogen, um einen lateralen parapatellaren Zugang in das Kniegelenk zu erlauben. Ein Schnitt wird parallel zur lateralen Grenze der Kniescheibe und des Kniescheibenbands gemacht. Dieser erstreckt sich von der lateralen Seite des Oberschenkelfaszie entlang des kranialen Rands des Bizeps und in das laterale Faszie des Kniegelenks.
Der Bizeps und das damit verbundene laterale Faszie werden zurückgezogen, um einen Schnitt in die Gelenkkapsel zu erlauben. Das Gelenk wird gedehnt, und die Kniescheibe in der Mitte verrenkt, wobei die Oberschenkelgelenkköpfe freigelegt werden.
Der gewünschte Bohrpunkt liegt von der Mitte der lateralen zu medialen Gelenkköpfe auf halben Weg zwischen der Fabella und dem kranialsten Teil des Trochleakamms. Die laterale Fabella wird identifiziert mit einer sterilen Nadel, um bei der Bestimmung des Bohrpunktes zu helfen. Ein Führungsbohrloch wird angebracht, nachdem die korrekte Ausrichtung gefunden wurde. Die Tiefe durch die Gelenkköpfe wird mit einem Tiefenmesser gemessen, um festzustellen, ob das 25 mm oder 30 mm lange Implantat verwendet werden sollte. Nachdem das gewünschte Implantat ausgewählt wurde, wird das Loch nach und nach vergrößert, bis ein 8,4 mm Bohrloch erreicht ist. Die äußere Knochenhaut um das laterale Bohrloch wird zurückgebogen, um beim Einbringen des Implantates nicht hineingezogen zu werden. Das Bohrloch wird von der lateralen zur medialen Richtung mit steriler Salzlösung gespühlt.
Der Stöpsel und die laterale Dichtungsbaueinheit wird in das Loch von der lateralen Seite angeordnet. Die mediale Dichtung wird dann am entgegengesetzten Ende des Stöpsels angebracht. Eine gleiche Menge des Implantates sollte vom lateralen und medialen Rand der Gelenkköpfe herausragen. Der Routineverschluß des Gelenks wird in drei oder vier Schichten unter Verwendung von geeigneten Nahtmaterial bewerkstelligt.
Die Verteilung der Implantate für jeden Hund in den drei Gruppen ist in den folgenden Tabellen, die die Ergebnisse enthalten, beschrieben.

Postoperativer Zeitraum

Falls möglich, wurden nach Abschluß des chirurgischen Eingriffs postoperative Röntgenaufnahmen der noch betäubten Tiere gemacht. Zwei Ansichten wurden aufgenommen, die laterale zur medialen und die kraniokaudale Ansicht. Sorgfalt muß walten gelassen werden, um sicherzustellen, daß die Ansichten parallel zur Ebene des Implantates liegen. Zu diesem Zeitpunkt wird das Anästhesiegas abgestellt, und der Sauerstofffluß wird für 5 Minuten aufrechterhalten. Das Versuchstier wird, nachdem die Röntgenaufnahmen aufgenommen wurden, in den Vorbereitungsraum zurückgeführt. Eine modifizierte Robert-Jones-Bandage wurde an jedem Bein angebracht. Die Endotrachealröhre wird gezogen, nachdem das Versuchstier einen Schluckreflex zeigt. Nach der Entfernung der Endotrachealröhre wird der Hund in den Käfig zurückgebracht, um sein Bewußtsein wiederzuerlangen. Postoperative Schmerzmittel werden verabreicht, wenn das Tier irgendwelche Anzeichen von Qualen oder Unbehagen zeigt.
Wenn das Tier fähig zum Laufen ist, wird es in die Aufbewahrungsquartiere zurückgebracht. Der Verband wird täglich untersucht. Nach 2 bis 5 Tagen werden die Verbände entfernt. Falls erforderlich können neue Verbände angelegt werden. Hautnähte werden, falls vorhanden, 10 bis 14 Tage nach der Operation entfernt. Alle Tiere werden täglich auf Anzeichen von Schmerzen oder Infektionen untersucht. Geeignete Maßnahmen werden ergriffen, wenn sie auftreten.
Die Versuchstiere werden für 3, 6 oder 12 Wochen nach der Implantation untergebracht. Während dieser Zeit ist eine normale Aktivität erlaubt. Röntgenaufnahmen werden zum Zeitpunkt der Tötung gemacht. Wie zuvor werden zwei Ansichten lateral zu medial und kraniokaudal aufgenommen. Die Anordnung ist die gleiche wie bei den vorherigen Filmen.

Fluoreszenzknochenmarkierung

Oxytetracyclin wird in einer Einzeldosis von 30 - 35 mg/kg intravenös verabreicht. Dies wird im allgemeinen 3 Tage vor der Tötung getan.

Euthanasie

Die Tiere wurden schmerzlos am Ende der Untersuchung in humaner Weise entsprechend den Richtlinien des AVMA Ausschuß für Euthanasie (JAVMA, Januar, 1986) getötet.

Probensammlung und Behandlung

Unmittelbar nach der Tötung wurden die hinteren Beine an den hüft- und patellofemoralen Gelenken abgetrennt. Alle Weichgewebe wurden entfernt. Kniekehl- und Leistenlymphknoten wurden isoliert und in Formalin für die späteren Bewertung fixiert. Die Oberschenkelpaare wurden gekennzeichnet und eingefroren. Für den Transport zur Bewertung wurden die Proben in Trockeneis gefroren.

Mechanische Untersuchung und Histologie

Um die Knochenimplantatgrenzflächenstärke zu bewerten, wurde ein Ausziehtest durchgeführt. Jeder Oberschenkelgelenkkopf wurde durch die laterale und mediale Rindenwand jedes Gelenkkopfes auf die innere Oberfläche der Teflon-Dichtungsstücke orthogonal zur Ebene des Implantats mit einer Niedrigdeformationsdrahtsäge geschnitten. Die Richtung der angewendeten Kraft geht von medial zu lateral entgegengesetzt zur Richtung des Einsatzes. Die Kopfplattengeschwindigkeit der Testmaschine betrug 0,5 mm pro Minute. Die Untersuchung wurde beendet, wenn die Kraft zum Ausziehen des Implantats abzunehmen begann.
Die untersuchten Proben wurden nach und nach in steigenden Konzentrationen von Ethanol dehydratisiert. Sie wurden in Methacrylat eingebettet, entweder sagittal oder orthogonal zum Implantat geschnitten und Mikroradiogramme aufgenommen. Dies wurde gefolgt durch Abschleifen auf eine gewünschte Dicke und Differentialfärbung. Die hergestellten Abschnitte wurden mit Licht- und Ultraviolettmikroskopie bewertet, um die Art des Knochenimplantatbruches zu bestimmen und die Skelettreaktion auf die unbeschichteten und beschichteten Oberflächen zu bewerten.
Die folgende Tabelle stellt die Resultate des Tests mit dem porös-beschichteten Vitallium-Stöpsel der gemäß der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben beschichtet worden war, dar. Tieruntersuchung

Statistische Untersuchung

Student-Paartest

3 Wochen-Gruppe 0,05 < p < 0,02 n = 5
6 Wochen-Gruppe 0,10 < p < 0,05 n = 4
12 Wochen-Gruppe 0,01 < p < 0,001 n = 5
Auch die Histomorphometrie zeigt, daß die erfindungsgemäße Beschichtung zu einer Auffüllung der Lücke führt und statistisch die Zeit, in der die Lücke gefüllt wird, abnimmt. Die erfindungsgemäßen Beschichtungen sind biomechanisch funktionstüchtig.
Aus den obigen Ergebnissen ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren für stark haftende Beschichtungen sorgt, die nicht leicht brechen und das Einwachsen des natürlichen Knochens fördern. Das Verfahren sorgt für die Beschichtung der gesamten Oberflächen, selbst versteckter Oberflächen, welches ein deutlicher Vorteil, verglichen mit anderen Techniken zur Beschichtung poröser Anteile von Prothesen darstellt. Zusätzlich erlauben die Oberflächen die Bindung einer weiten Anzahl von Proteinen und können in einem Zustand transportiert werden, bei dem die Lösung die verschiedenen Additive erhalten werden, die bei der Wechselwirkung zwischen dem lativen Knochen und der Prothese helfen können. Das Beschichtungsverfahren ist im wesentlichen reproduzierbar und erlaubt die Gleichförmigkeit und Homogenität der Beschichtungszusammensetzung. Man findet, daß die Bindung zum Substrat stark ist, so daß die beschichtete Oberfläche einen vernünftigen Abrieb und der Handhabung unterworfen werden kann, ohne die Beschichtung zu beeinträchtigen. Die erfindungsgemäße Calcium-Phosphat-Beschichtung begünstigt das rasche knochenartige Einwachsen infolge ihrer Hochpeptidbindungsoberfläche die die Osteogenese stimuliert. Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen stellen eine Knochenwachstumsfaktor-abgebende Oberflächenbeschichtung bereit. Die erfindungsgemäße Apparatur erlaubt die gleichzeitig kontrollierte produzierbare Beschichtung einer Mehrzahl von Substraten.
Alle Veröffentlichungen und Patentanmeldungen, die in dieser Beschreibung zitiert wurden, sind hiermit als Referenz enthalten, als wenn jede einzelne der Publikationen und Patentanmeldungen spezifisch und individuell durch Referenz enthalten wäre.
Obwohl die zuvor beschriebene Erfindung durch die Illustration und die Beispiele zum Zwecke des besseren Verständnisses detailliert erläutert wurde, ist es für den Fachmann im Lichte der Lehre dieser Erfindung leicht ersichtlich, daß bestimmte Veränderungen und Modifizierungen durchgeführt werden, ohne den Geist der anhängenden Patentansprüche zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Hydroxylapatit-beschichteten Substrates, das eine gleichförmige und haftbeständige Beschichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Beschichtung eine Whisker-Kristalloberfläche aufweist, worin das genannte beschichtete Substrat eine Oberfläche von 1-25 m²/cm² aufweist, und mindestens zwei Kristallschichten von aufeinanderfolgend größer werdenden Hydroxylapatit-Kristallen umfaßt, wobei das Verfahren umfaßt:

Inkontaktbringen eines festen Substrates mit einer strömenden Lösung bei erhöhten Temperaturen, in die eine Quelle löslicher Calciumionen und eine Quelle löslicher Phosphationen eingeführt sind, die bei einer Konzentration vorliegen, die kolloidale Hydroxylapatit-Partikel liefert, die an das genannte Substrat haften, um eine Beschichtung zu bilden, Bereitstellung einer kontinuierlichen Akkretion von Hydroxylapatit, um das genannte Substrat zu beschichten;

worin stromabwärts des genannten Substrates die genannte Quelle der Calciumionen proximal zu dem genannten Substrat liegt, und die genannte Phosphatquelle distal zum genannten Substrat liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin eine Basenquelle bereitgestellt wird, um den pH im Bereich von 6,8 - 8 zu halten, wobei die Basenquelle stromabwärts vom genannten Substrat angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2, worin die genannten Calciumionen- und Phosphationenquellen bei Konzentrationen vorliegen, die im wesentlichen stöchiometrisch für Hydroxylapatit sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, worin mindestens ein zusätzliches Ion, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Carbonat, Fluorid, Bicarbonat, Wasserstoffion oder Hydrogenphosphat besteht, in der genannten Hydroxylapatit-Beschichtung vorhanden ist.

5. Verfahren zur Herstellung eines Hydroxylapatit-beschichteten Substrates, das eine gleichförmige und haftbeständige Beschichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Beschichtung eine Whisker-Kristalloberfläche aufweist, worin das genannte beschichtete Substrat eine Oberfläche von 1-25 m²/cm² aufweist, und mindestens zwei Kristallschichten von aufeinanderfolgend größer werdenden Hydroxylapatit-Kristallen umfaßt, wobei das Verfahren umfaßt:

Inkontaktbringen eines festen Substrates mit einem Lösungsstrom, der eine Quelle löslicher Calciumionen und eine Quelle löslicher Phosphationen umfaßt, bei einer Temperatur im Bereich von 60 bis 90ºC, einem pH im Bereich von ungefähr 5 bis 8,5ºC, und Bilden einer ersten Beschichtung auf dem genannten festen Substrat bei einer Konzentration, die für die Bildung kleiner Kristalle sorgt, worin die genannte Calciumionenquelle in den genannten Strom proximal zu dem genannten festen Substrat eingeführt wird, und die genannte Phosphationenquelle in den genannten Strom distal zu dem genannten festen Substrat eingeführt wird;

Wiederholung des genannten Inkontaktbringen des festen Substrates mit der Beschichtung aus kleinen Kristallen mindestens einmal mit einer Lösung, die eine Quelle löslicher Calciumionen und eine Quelle löslicher Phosphationen umfaßt, bei einer Temperatur im Bereich von 60 bis 90ºC, einem pH im Bereich von ungefähr 5 - 8,5 und Bilden einer Beschichtung über der genannten ersten Beschichtung bei einer zweiten Konzentration, die mindestens zweimal niedriger ist, als die genannte erste Konzentration und für die Bildung großer Kristalle sorgt; und

Entfernen des festen Substrats aus der Lösung.

6. Hydroxylapatit-beschichtetes Substrat mit einer gleichförmigen und haftbeständigen Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Beschichtung eine Whisker- Kristalloberfläche besitzt, worin das beschichtete Substrat eine Oberfläche im Bereich von 1-25 m²/cm² besitzt und mindestens zwei Kristallschichten von aufeinanderfolgend größer werdenden Hydroxylapatit-Kristallen umfaßt.

7. Substrat nach Anspruch 6, worin das genannte Substrat porös ist.

8. Substrat nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, worin das genannte Substrat aus Metall oder gehärtetem Kunststoff besteht.

9. Substrat nach Anspruch 8, worin das genannte Substrat eine Prothesenvorrichtung ist, die aus einer Co-Cr- oder Ti- Legierung besteht.

10. Hydroxylapatit-beschichtetes Substrat, das nach irgend einem der Ansprüche 6 bis 9 hergestellt ist, das eine knochenwachstumsaktivierende Menge eines Wachstumsfaktors für Osteoblasten oder Collagen umfaßt.

11. Substrat nach Anspruch 10, worin das genannte beschichtete Substrat einen Knochenwachstumsfaktor umfaßt.

12. Substrat nach Anspruch 10, worin das genannte beschichtete Substrat Collagen umfaßt.

13. Vorrichtung zur Herstellung eines Hydroxylapatit-beschichteten Substrates, das eine gleichförmige und haftbeständige Beschichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Beschichtung eine Whisker-Kristalloberfläche aufweist, worin das genannte beschichtete Substrat eine Oberfläche von 1-25 m²/cm² aufweist, und mindestens zwei Kristallschichten von aufeinanderfolgend größer werdenden Hydroxylapatit-Kristallen umfaßt, wobei die genannte Vorrichtung umfaßt:

eine Beschichtungswanne;

einen Verteilungstank;

einen Lösungsherstellungstank;

ein Mittel zur Zirkulation des Beschichtungsmediums in kontinuierlicher Weise in einem Kreislauf von der genannten Beschichtungswanne zu dem genannten Verteilungstank zu der genannten Beschichtungswanne;

Mittel zum Erwärmen und zur pH-Steuerung zur Steuerung der Temperatur und des pH des genannten Zirkulationsmediums;

Mittel als Quelle zur Zugabe des Phosphats, der neutralisierenden Base und des Calciums, wobei das Mittel als Calciumquelle in der Nähe des genannten Substrates, verglichen mit dem Mittel als Phosphatquelle und dem Mittel als Neutralisierungsbasenquelle liegt, die Neutralisierungsbasenquelle liegt stromabwärts vom genannten Substrat angeordnet; und

zur Anderung der Position des genannten Substrates in der Richtung des Stromes in der genannten Wanne.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, die weiterhin ein Mittel zum Filtrieren von Stoffteilchen stromabwärts vom genannten Verteilungstank umfaßt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, worin das Veränderungsmittel ein Schwingmittel ist.