DE69527725T2

DE69527725T2 - System zur wiederherstellung einer gelenkoberfläche

Info

Publication number: DE69527725T2
Application number: DE69527725T
Authority: DE
Inventors: C. Felt
Original assignee: Advanced Bio Surfaces Inc
Current assignee: Advanced Bio Surfaces Inc
Priority date: 1994-05-06
Filing date: 1995-05-04
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2015-05-05
Also published as: AU2470195A; CA2189643A1; JP2007111546A; ES2182902T3; DE69527725D1; WO1995030388A1; EP0830114A4; JPH10500038A; EP0830114B1; ATE221759T1; EP0830114A1; US5556429A; US5795353A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verbindung von Materialien und Kits zur Reparatur von Muskel-Skelett-Verletzungen und insbesondere zur Reparatur und Ersatz von Knochen und Knorpel.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Das Muskel-Skelett-System unterliegt Verletzungen, die durch traumatische Ereignisse ebenso wie durch eine Anzahl an Krankheiten verursacht werden, wie etwa Osteoarthritis und Rheumatoidarthritis.
Die Reparatur von Bindegewebe des Muskel-Skelett-Systems wird im allgemeinen unter Verwendung von Materialien durchgeführt, wie etwa natürlichen oder synthetischen Sehnen und Bändern. Die Reparatur und der Ersatz von Gelenken wird typischerweise erreicht unter Verwendung von metallischen und/oder polymeren Implantaten und Vorrichtungen. Solche Vorrichtungen werden typischerweise in existierenden Knochen mittels Knochenplatten, Klebstoffen, Schrauben und ähnlichem fixiert.
Ein totaler Gelenkersatz ist unter Bedingungen angezeigt, bei denen die Knorpeloberfläche zwischen den Knochen, die ein Gelenk bilden, degeneriert ist. Oft ist sie bis zu einem Punkt degeneriert, bei dem es signifikanten Schmerz während der Bewegung sowie während der Translation und Rotation von Gelenkbestandteilen gibt. Diese degenerative Gelenkkrankheit wird üblicherweise mittels einer Technik behandelt, die als Gelenkoberflächenersatz- Arthroplastik bekannt ist, die den Ersatz der ursprünglichen Oberflächen mit künstlichen, die Belastung tragenden Materialien in der Form von Implantaten beinhaltet. Ein Hüftersatz erfordert im allgemeinen das Implantieren eines Oberschenkel-Bestandteils in der Form eines Balls, der auf einem Schaft angebracht ist, zusammen mit einem acetabularen Bestandteil in der Form einer Hülse, in der der Ball sitzt.
Ein totaler Knieersatz ist ein wenig schwieriger als ein Hüftersatz, wegen des komplexen Belastungsmusters des Knies. Der Tibia-Bestandteil eines totalen Knieersatzes wird in dem schwammigen Knochen der Tibia fixiert. Der Oberschenkelbestandteil wird typischerweise an den Rindenknochen des Oberschenkelschaftes unter Verwendung eines geeigneten Zements fixiert.
Der Tibia-Anteil einer Knieprothesenvorrichtung beinhaltet im allgemeinen die Einführung einer breiten Plateauregion, die die Tibia abdeckt, nachdem der Knochen der subchondralen Platte entfernt worden ist. Bei den meisten Designs wird ein zusammengesetztes Material bereitgestellt, das einen Metallträger beinhaltet, der unter einem polymeren oder faserverstärkten polymeren Tablett liegt.
Eine große Vielzahl von Materialien sind zur Verwendung bei der Herstellung von medizinischen Implantaten beschrieben worden. Siehe im allgemeinen Kapitel 1 in Biomaterials, Medical Devices and Tissue Engineering: An Integrated Approach; Frederick H. Silver, ed., Chapman and Hall, 19984. Solche Materialien fallen im allgemeinen in die Kategorien Metalle, Polymere, Keramikwerkstoffe und Verbundmaterialien.
Ein vor kurzem erschienener Artikel mit dem Titel "New Challenges in Biomaterials", Science, 263: 1715-1720 (1994), Peppas et al., stellt einen nützlichen Überblick über den gegenwärtigen Stand des Gebiets der Biomaterialien bereit. Der Artikel beschreibt eine Anzahl von Materialien, die gegenwärtig für orthopäische Anmeldungen, einschließlich Metallen (Eisen, Kobalt und Titan), abbaubaren Polymeren, selbst-verstärkten Zusammensetzungen von Polyglykolsäure, stärkeren Polymeren, wie Polydioxanon, und keramischen Materialien, wie Hydroxylapatit und verschiedenen Gläsern, verwendet werden.
An anderer Stelle, z. B. auf Seite 1719, bezieht sich der Peppas et al.-Artikel auf die potentielle Nützlichkeit von Polymeren, bei denen ausgelöst werden kann, daß sie eine Phasenveränderung durchlaufen. Der Artikel selbst identifiziert nicht derlei Polymere, sondern postuliert stattdessen, daß Materialien, die anfangs flüssig sind, durch eine minimal invasive Operationsvorrichtung verabreicht werden könnten und dann dazu gebracht werden könnten, sich zu verfestigen, um in der Anwesenheit von ultraviolettem Licht, sichtbarem Licht oder einer Jonenveränderung in vivo ein Gel zu bilden. Als ein Beispiel dieses Ansatzes zitiert der Artikel einen Artikel von Hill-West, et al., Obstet. Gynecol. 83(1): 59-64 (1994).
Der Hill-West et al.-Artikel wiederum beschreibt die Verwendung einer nachgiebigen, resorbierbaren Hydrogel-Barriere zur Verhinderung von postoperativen Verklebungen bei Tieren.
Der Artikel beschreibt die Bildung der Hydrogel-Barriere in situ durch Photopolymerisation einer Lösung eines makromolekularen Präpolymers unter Verwendung von UV-Licht. Die Hydrogel-Barriere wird nicht als nützlich bei belastungstragenden orthopädischen Anwendungen beschrieben und wurde in der Tat innerhalb von 7 Tagen nach dem Auftragen vollständig resorbiert.
US 4969888 offenbart ein Verfahren und Vorrichtung zur Fixierung von osteoporotischen Knochen, umfassend das Einführen einer aufblasbaren Vorrichtung in die zu behandelnde Höhlung und Aufblasen der Vorrichtung.
US 4446578 offenbart Polymer-Kissen, die zwischen die Knochen eines Gelenks eingeführt werden und die mit dem Gelenk für wenigstens einen Monat kompatibel sind.
FR 2639823 offenbart einen in-situ-Ersatz einer Bandscheibe mit einem Polyutethan- Polymer.
US 5278201 offenbart ein bio-abbaubares Polymer zur Verwendung beim Bereitstellen von Implantaten für Tiere.
US 4722948 offenbart ein bio-abbaubares Knochenersatz- und -reparaturmaterial.
Es gibt eine Anzahl von Nachteilen, die mit den Biomaterialien und verwandten Verfahren assoziiert sind, die gegenwärtig für orthopädische Anwendungen und insbesondere Gelenkreparatur- und -ersatz verwendet werden. Ein solcher Nachteil ist, daß diese Verfahren im allgemeinen eine invasive Operation beinhalten, d. h. ein Resezieren von Gewebe, um Zugang zur Verletzungsstelle zu bekommen. Eine invasive Operation wiederum beinhaltet typischerweise bis zu 7 bis 10 Tage eines Krankenhausaufenthalts mit den damit assoziierten Kosten.
Ein verwandter Nachteil einer Arthrotomie beinhaltet die Notwendigkeit, durch die Haut Nerven, Gefäße, Muskeln, Bänder, Sehnen und/oder Gelenkkapseln zu schneiden. Bestimmte Prozeduren können ebenso die Verwendung von beiden oder Spinal-Anästhesie erfordern. Sie können ebenso Bluttransfusionen und eine signifikante Erholungszeit erfordern, die von nächoperativem Schmerz und Unwohlsein begleitet ist. Letztendlich wird eine verlängerte physikalische Therapie typischerweise erfordert, um die operativen Gebiete zu stärken und Kontrakturen zu verhindern. Eine solche Therapie kann oft bis zu 6 Wochen oder länger dauern.
Es wäre besonders nützlich, in der Lage zu sein, solche Verletzungen auf eine Weise zu reparieren, die solche invasiven Operationsprozeduren und die damit assoziierten Probleme vermeiden würde.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung überwindet die mit dem Stand der Technik assoziierten Nachteile durch Bereitstellen einer Verwendung eines Biomaterials zur Herstellung eines Medikaments zur Oberflächen-Wiederherstellung der Stelle eines verletzten orthopädischen Gewebes durch minimal invasive Mittel.
Es wird hierin offenbart ein aushärtbares Biomaterial zur Verwendung bei der Reparatur oder der Oberflächen-Wiederherstellung der Stelle von verletztem orthopädischem Gewebe, umfassend die Schritte: Verwendung minimal invasiver Mittel, um
(i) eine Menge des aushärtbaren Biomaterials an die Gewebeverletzungsstelle abzugeben;
(ii) das abgegebene Biomaterial auf eine solche Weise auszuhärten, daß das ausgehärtete Biomaterial permanent in Auflagerung zu der vorbereiteten Stelle gehalten wird; und
(iii) Konturieren des ausgehärteten, gehaltenen Biomaterials, um eine erwünschte Konformation zu erreichen, die sich der von natürlichem Gewebe annähert.
Das hierin offenbarte Biomaterial eignet sich zu einem entsprechenden System, das das aushärtbare Biomaterial umfaßt, in Kombination mit minimal invasiven Mitteln zum Vorbereiten der Gewebestelle; Abgabe des Biomaterials an die vorbereitete Gewebestelle; Aushärten des Biomaterials in situ; und Konturieren des ausgehärteten Biomaterials. Die einzelnen Komponenten eines solchen Systems und insbesondere die Mittel zum Abgeben und Aushärten des Biomaterials auf eine minimal invasive Weise werden ebenso offenbart.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein System bereitgestellt, das umfaßt: (a) ein arthroskopisches Operationsinstrument; und (b) eine Flüssigabgabe-Kanüle, die in der Lage ist, ein fließbares, aushärtbares Biomaterial unter arthroskopischer Sichtbarmachung abzugeben, wobei das Biomaterial ein aushärtbares Polymer und Hydrogel umfaßt.
Das bevorzugte System kann verwendet werden, um ein Verfahren durchzuführen, das die Schritte umfaßt:
(a) Bereitstellen eines fließbaren, aushärtbaren Biomaterials, umfassend ein aushärtbares Polymer und Hydrogel;
(b) Vorbereiten der Gewebeverletzungsstelle durch Betrieb des arthroskopischen Instruments, und unter arthroskopischer Sichtbarmachung;
(c) Vorbereiten einer Gewebezugangsstelle und Einführen und Steuern der Abgabekanüle durch die Gewebezugangsstelle zu der Stelle der Gewebeverletzung;
(d) Abgeben einer Menge des aushärtbaren Biomaterials durch die Kanüle an die vorbereitete Stelle;
(e) Aushärten des abgegebenen Biomaterials durch minimal invasive Mittel und auf eine Weise, daß das ausgehärtete Biomaterial in in Auflagerung zu der vorbereiteten Stelle gehalten wird; und
(f) Konturieren des ausgehärteten Biomaterials, um eine erwünschte Konformation zu errreichen, die sich der von natürlichem Gewebe annähert.
In einer alternativen Ausführungsform kann das ausgehärtete, geformte Biomaterial behandelt oder modifiziert werden, um eine oder mehrere wünschenswerte Eigenschaften zu verbessern, z. B. kann es mit einem permanenten Schnittstellenmaterial beschichtet werden, um die Biokompatibilität oder den Reibungskoeffizienten des endgültigen Implantats zu verbessern.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Wie hierin verwendet, sollen die folgenden Wörter und Begriffe die unten beschriebenen Bedeutungen haben:
"Biomaterial" bezieht sich auf ein Material, das in der Lage ist, an die Stelle einer orthopädischen Gewebeverletzung durch minimal invasive Mittel eingeführt und dort ausgehärtet oder sonst modifiziert zu werden, um zu bewirken, daß es in einer erwünschten Position und Konfiguration gehalten wird. Im allgemeinen sind solche Biomaterialien in ihrer nicht- ausgehärteten Form fließbar, was bedeutet, daß sie eine hinreichende Viskosität haben, um ihre Abgabe durch eine Kanüle der Größenordnung von ungefähr 2 mm bis ungefähr 6 mm innerem Durchmesser und bevorzugt von ungefähr 3 mm bis ungefähr 5 mm innerem Durchmesser zu ermöglichen. Solche Biomaterialien sind ebenso aushärtbar, was bedeutet, daß sie ausgehärtet oder anderweitig in situ an der Gewebestelle modifiziert werden können, um eine Phasen- oder chemische Veränderung zu durchlaufen, die ausreicht, um eine gewünschte Position und Konfiguration beizubehalten.
"Minimal invasive Mittel" bezieht sich auf Operationsmittel, wie etwa arthroskopische Operationsmittel, die ohne die Notwendigkeit eingesetzt werden können, Gewebe zu resezieren, um Zugang zur Stelle einer orthopädischen Verletzung zu erhalten.
"Arthroskopisches Operationsinstrument" soll sich auf die Regler und assoziierte Hardware und Software beziehen, die für die Durchführung herkömmlicher arthroskopischer Operation notwendig sind;
"Abgabekanüle" soll eine Kanüle bedeuten, die in der Lage ist, auf eine minimal invasive Weise unter arthoskopischer Sichtbarmachung betrieben zu werden, zusammen mit assoziierten Verbindungsschläuchen und Behältern für die betriebsfähige und flüssige Verbindung der Kanüle an eine Quelle des Biomaterials zur Lagerung, Abgabe und Wiedergewinnung von Biomaterialien der vorliegenden Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Flüssigphasen-Polymer-Hydrogel- Verbundmaterial durch eine Kanüle unter arthroskopischer Sichtbarmachung aufgetragen. Das Verbundmaterial wird ausgehärtet und in situ konturiert, um die Oberfläche eines beschädigten Gelenks effektiv wiederherzustellen. Das ausgehärtete Polymer-Hydrogel- Verbundü-iaterial weist physikalische/chemische Eigenschaften auf, die analog denjenigen von menschlichem Knorpel sind, und zeigt eine optimale Kombination von solchen Eigenschaften, wie Belastbarkeit, Scherspannungsresistenz, Absorption von Stößen und Abnutzungseigenschaften. Die Oberfläche des ausgehärteten Verbundmaterials kann fakultativ nach dem Aushärten und Konturieren modifiziert werden, z. B. um seinen Reibungskoeffizient zu reduzieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das hierin offenbarte Verfahren den Schritt des Bereitstellens eines aushärtbaren Biomaterials, umfassend eine aushärtbare Polymer und -Hydrogel-Kombination. Biomaterialien, die zur Verwendung geeignet sind, schließen diejenigen Materialien ein, die in der Lage sind, mittels einer Kanüle, wie hierin beschrieben, abgegeben und in situ ausgehärtet zu werden, um ein Ersatzmaterial für Knochen oder Knorpel zu bilden.
Natürlicher Knorpel ist eine Struktur ohne Gefäße, die in verschiedenen Teilen des Körpers gefunden wird, und insbesondere Gelenkknorpel, der als eine feingranuläre Matrix existiert und eine dünne Verkrustung auf den Gelenkoberflächen bildet. Seine natürliche Elastizität ermöglicht es ihm, die Kraft von Erschütterungen zu brechen, während seine Glattheit für Bewegungsleichtigkeit und -freiheit sorgt. Hinsichtlich der Dicke nimmt Knorpel die Form der Gelenkoberfläche an, auf der er liegt. Wo diese konvex ist, ist der Knorpel im Zentrum am dicksten, wo der größte Druck aufgenommen wird. Das Umgekehrte trifft im allgemeinen zu im Falle von konkaven Gelenkoberflächen.
Bevorzugte Biomaterialien sollten viele der physikalisch-chemischen Eigenschaften von natürlichem Knorpel imitieren. Bevorzugte Biomaterialien sind Verbundmaterialien von zwei oder mehreren Einzelmaterialien und insbesondere diejenigen, die Zweiphasensysteme, gebildet aus einer polymeren Matrix und einem Hydrogel-Füllstoff gebildet sind, umfassen.
Häufige polymere Materialien zur Verwendung bei medizinischen Vorrichtungen schließen z. B. Polyvinylchloride, Polyethylene, Styrolharze, Polypropylen, thermoplastische Polyester, thermoplastische Elastomere, Polycarbonate, Acrylnitril-Butadien-Styrol ("ABS")-Harze, Acrylverbindungen, Polyurethane, Nylons, Styrol-Acrylnitrile und Zelluloseverbindungen ein. Siehe z. B. "Guide to Medical Plastics", Seiten 41-78 in Medical Device & Diagnostic Industry, April 1994, dessen Offenbarung hierin durch Bezugnahme miteinbezogen wird.
Geeignete Matrixmaterialien zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung sind diejenigen polymeren Materialien, die für ein optimale Kombination von Eigenschaften sorgen, die sich auf ihre Herstellung, Anwendung und in-vivo-Verwendung beziehen. In dem nicht- ausgehärteten Zustand schließen solche Eigenschaften die Verarbeitbarkeit und die Fähigkeit ein, stabil sterilisiert und gelagert zu werden. Im Verlauf des Auftragens von solchen Materialien schließen solche Eigenschaften Hydrogel-Kompatibilität und -Kapazität, Fließbarkeit und in-vivo-Aushärtbarkeit ein. Im ausgehärteten Zustand schließen solche Eigenschaften Formbarkeit, ausgehärtete Festigkeit (z. B. Zug- und Druckfestigkeit), Elongation bis zum Zerreißen und Biokompatabilität ein. Beispiele von geeigneten Matrixmaterialien schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf Silikon-Polymere und Polyurethan-Polymere.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Matrix aus einem Silikon-Polymer gebildet, d. h. einem Polymer, das eine sich wiederholende Silizium-Sauerstoff-Kette zusammen mit organischen R-Gruppen enthält, die an einen signifikanten Teil der Siliziumatome mittels Silizium-Kohlenstoff-Bindungen angehängt sind. Siehe im allgemeinen "Silicones", Seiten 1048-1059 in Concise Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Eds. mark et al., Wiley and Sons, 1990, dessen Offenbarung hierin durch Bezugnahme eingezogen wird.
Silikon-Polymere sind kommerziell in wenigstens drei allgemeinen Klassen erhältlich, nämlich als Homopolymere, statistische Silikon-Polymere und Silikon-organische-(Block)- Kopolymere. Homopolymere in der Form von Polydimethylsiloxanen werden bevorzugt und machen den größten Teil an heutzutage produzierten Homopolymeren aus.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform wird die Matrix aus einem Polyurethan- Polymer gebildet. Polurethane, z. B. die thermoplastische Polyurethane ("TPU") werden typischerweise unter Verwendung von drei Reaktanten hergestellt: einem Isocyanat, einem langkettigen Makrodiol und einem kurzkettigen Diol-Extender. Das Isocyanat und langkettige Diol bilden ein "weiches" Segment, während das Isocyanat und kurzkettiges Diol ein "hartes" Segment bilden. Es ist die Wechselwirkung von weichen und harten Segmenten, die bestimmend ist und das Polymer mit gummiartigen Eigenschaften versieht.
Während der Schmelzverarbeitung sind die Polyurethanketten linear und nehmen die Konfiguration an, in die sie gebildet werden, wie etwa durch Spritzguß, oder im Fall der vorliegenden Erfindung, durch arthroskopisches Auftragen. Beim Abkühlen bilden die harten Segmente geordnete Domänen, die durch Wasserstoffbrückenbildung zusammengehalten werden. Diese Domänen fungieren als Quervernetzungsverbindungen mit den linearen Ketten, was das Material ähnlich einem quervernetzten Gummi macht.
Fachleute auf dem Gebiet werden im Hinblick auf die vorliegende Erfindung die Art und Weise erkennen, in der die Auswahl des Isocyanats, Makrodiols und Kettenextender variiert werden kann, um eine breite Vielfalt an Eigenschaften zu erzielen. Bevorzugte TPUs zur medizinischen Verwendung beruhen gegenwärtig auf der Verwendung eines Diisocyanats, wie etwa Diphenylmethandiisocyanat ("MDI"), einem Glykol, wie etwa Polytetramethylenetherglykol und einem Diol, wie etwa 1,4-Butandiol.
Hydrogele, die zur Verwendung bei Verbundmaterialien der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind Wasser-enthaltende Gele, d. h. Polymere, die durch Hydrophilie und Unlöslichkeit in Wasser charakterisiert sind. Siehe z. B. "Hydrogels", Seiten 458-459 in Concise Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Eds. Mark et al., Wiley and Sons, 1990. Obwohl ihre Verwendung bei der vorliegenden Erfindung fakultativ ist, wird der Einschluß von Hydrogelen stark bevorzugt, da sie dazu tendieren, eine Anzahl von wünschenswerten Eigenschaften beizutragen. Aufgrund ihrer hydrophilen, Wasser-enthaltenden Natur helfen die Hydrogele dem ausgehärteten Verbundmaterial mit tragfähigen Eigenschaften des ausgehärteten Verbundmaterials. Sie tendieren ebenso dazu, Reibungskräfte auf dem Verbundstoff zu verringern und thermische Elastizität zuzufügen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Hydrogel ein feines pulvriges synthetisches Hydrogel. Geeignete Hydrogele weisen eine optimale Kombination solcher Eigenschaften, wie Kompatibilität mit dem ausgewählten Matrixpolymer und Biokompatibilität auf.
Geeignete Hydrogele schwellen zu einem Gleichgewichtsvolumen in Wasser an, behalten aber ihre Form. Synthetische Hydrogele, die zur Verwendung beim Bilden eines Verbundstoffes der vorliegenden Erfindung geeignet sind, schließen diejenigen auf der Grundlage von Methacrylsäure- und Acrylsäureestern, (Meth)acrylamid-Hydrogelen, und diejenigen auf der Grundlage von N-Vinyl-2-pyrrolidinon, ein.
Bevorzugte Hydrogele schließen diejenigen ein, die aus monomeren Hydroxyalkylacrylaten und Methacrylaten gebildet sind, ein, kopolymerisiert mit einem geeigneten Quervernetzer wie etwa Ethylendimethacrylat ("EDMA").
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Matrixpolymer ein Siloxan (d. h. Silikonpolymer) und bevorzugt eines, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus alpha, omega-dihydroxy-poly(dimethylsiloxan) und Poly(dimethylsiloxan) mit 0,2 mol% Vinylmethyl- Siloxan-Einheiten. Dispergiert als der Hydrogelbestandteil in dem bevorzugten Polymer sind 15% bis 30% (bezogen auf das Gewicht, auf der Grundlage des Gewichts des nicht- ausgehärteten Verbundmaterials) eines leicht quervernetzten Hydrogel-Aggregats. Ein bevorzugtes Hydrogel-Aggregat wird gebildet von 2-Hydroxyethyl-methacrylat (HEMA), quervernetzt durch Ethylendimethacrylat (EDMA) in einer Konzentration von 2%-5%, bezogen auf das Gewicht, auf der Grundlage des Gewichts des Hydrogels.
Fachleute auf dem Gebiet werden die Weise erkennen, in der die Hydrogel/Matrixkombinationen und -konzentrationen aufgrund ihrer beabsichtigten Anwendung verändert werden können. Zum Beispiel wäre ein steiferes Verbundmaterial mit einer niedrigen Hydrogelkonzentration, z. B. ~10%, auf der Grundlage des Endgewichts des Verbundmaterials, zum Bandscheibenersatz geeignet.
Abhängig z. B. von ihrer beabsichtigten Anwendung werden die Biomaterialien bevorzugt eine Hydrogel-Phase in einer Konzentration von zwischen ungefähr 15 und 50 Gew.-% und bevorzugt zwischen ungefähr 10 und ungefähr 50 Gew.-% und bevorzugt zwischen ungefähr 15 und ungefähr 30 Gew.-% enthalten, auf der Grundlage des Gewichts der Kombination aus Matrix und Hydrogel.
Die hierin offenbarten Verbundmaterialien können ebenso andere fakultative Adjuvantien und Zusatzstoffe enthalten, wie etwa Stabilisatoren, Füllstoffe, Antioxidantien, Katalysatoren, Weichmacher, Pigmente und Schmiermittel, in dem Ausmaß, daß derlei fakultativen Inhaltsstoffe nicht die Nützlichkeit der Zusammensetzung für ihren beabsichtigten Zweck verringern.
Ausgehärtete Polymer-Hydrogel-Verbundmaterialien zeigen eine optimale Kombination von physikalischen/chemischen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich ihrer Konformationsstabilität, Auflösungsstabilität, Biokompatibilität und physikalischen Leistung, z. B. physikalischen Eigenschaften wie Dichte, Dicke und Oberflächenrauhheit, und mechanischen Eigenschaften wie Tragkraft (load bearing strength), Zugfestigkeit, statische Scherungsfestigkeit, Ermüdung der Ankerpunkte, Stoßabsorption, Abnutzungseigenschaften und Oberflächenverschleiß. Eine solche Leistung kann unter Verwendung von Prozeduren bewertet werden, die allgemein für die Bewertung von natürlichem Gewebe und Gelenken sowie die Bewertung von Biomaterialien akzeptiert sind.
Insbesondere weisen bevorzugte Verbundmaterialien in ihrer ausgehärteten Form mechanische Eigenschaften auf, die sich denjenigen von natürlichem Gewebe annähern, das sie ersetzen sollen. Zum Beispiel weisen bevorzugte ausgehärtete Verbundmaterialien eine Tragkraft von zwischen ungefähr 35 · 10&sup6; gm&supmin;² und ungefähr 141 · 10&sup6; gm&supmin;² (ungefähr 50 und ungefähr 200 psi (Pfund pro Quadratinch)), und bevorzugt zwischen ungefähr 70 · 10&sup6; gm&supmin;² und ungefähr 105 · 10&sup6; gm&supmin;² (ungefähr 100 und ungefähr 150 psi) auf. Solche Verbundmaterialien weisen ebenso eine Scherspannung von zwischen ungefähr 7 · 10&sup6; gm&supmin;² und 70 · 10&sup6; gm&supmin;² (ungefähr 10 und 100 psi) auf, und bevorzugt zwischen ungefähr 21 · 10&sup6; gm&supmin;² und 35 · 10&sup6; gm&supmin;² (ungefähr 30 und 50 psi), wie solche Einheiten typischerweise bei der Bewertung von natürlichem Gewebe und Gelenken bestimmt werden.
Bevorzugte Biomaterialien sind ebenso unter Bedingungen stabil, die zur Sterilisierung verwendet werden, und sind zusätzlich stabil bei der Lagerung und im Verlauf der Abgabe. Sie sind ebenso in der Lage, durch eine Abgabekanüle an einen in-vivo-Ort zu fließen und in situ ausgehärtet zu werden, durch Aussetzen gegenüber einer Energiequelle, wie etwa ultraviolettem Licht oder durch chemische Reaktion. Danach ist das ausgehärtete Biomaterial in geeigneter Weise einer Formung und Konturierung zugänglich, durch die Verwendung von herkömmlichen oder speziell angefertigten arthroskopischen Werkzeugen oder Instrumenten. Im Verlauf ihrer Verwendung im Körper weist das ausgehärtete, konturierte Biomaterial physikalisch-chemische Eigenschaften auf, die zur Verwendung bei ausgedehnten in-vivo- Anwendungen geeignet sind.
Als ein weiterer Schritt des hierin offenbarten Verfahrens wird die Gewebeverletzungsstelle zur Aufnahme des Biomaterials vorbereitet. Fachleute werden die Weise erkennen, in der eine Computeranalyse der subchondralen Knochenmasse es dem Betreiber ermöglichen kann, die mechanischen Eigenschaften des Polymer-Hydrogel-Verbundmaterials dahingehend anzupassen, daß sie mit dem angrenzenden subchondralen Knochen zusammenpassen. Dies kann durch Einstellen der Größe der Hydrogel-Aggregate und durch Veränderung des prozentualen Anteils des Hydrogels in dem Polymer-Verbundmaterial erreicht werden.
In einem bevorzugten Verfahren wird der Patient zuerst vorbereitet und abgedeckt wie bei einer routinemäßigen arthroskopischen Prozedur. Das erste Gebiet, dessen Oberfläche wiederhergestellt werden soll, wird dann horizontal und mit der Oberfläche nach oben positioniert. Wenn der gegenüberliegende Knochen ein Wiederherstellen der Oberfläche erfordert, kann das Gelenk umpositioniert werden, nachdem die anfängliche Auftragung ausgehärtet ist. Dies wird es ermöglichen, daß die Schwerkraft beim Füllen der Ankerpunkte und Verteilen des flüssigen Verbundmaterials gleichmäßig über die abzudeckende Oberfläche hilft. Auf der Grundlage der vorliegenden Beschreibung werden alle notwendigen Schritte typischerweise unter der Verwendung von zwei oder drei Zugangsportalen durchgeführt.
Die zu verbindende Oberfläche wird zuerst von entzündlicher Synovia und abgeriebenem oder beschädigtem Knorpel unter Verwendung eines Laser-Messers und/oder anderer Instrumente, wie etwa einem arthroskopischen Rasierer, gereinigt. Die Oberfläche wird dann vorbereitet, um ihre Fähigkeit zu verbessern, Biomaterial aufzunehmen und zu halten. Zum Beispiel wird der subchondrale Knochen mittels eines Bohrers aufgerauht und jegliche Osteophyten entfernt, ebenso unter Verwendung eines Bohrers. Der Knochen wird dann gespült, um Trümmer zu entfernen, und die Stelle wird trockengesaugt. Der Knochen kann ebenso abgerieben werden, um seine Oberfläche aufzurauhen, oder er kann mit einem geeigneten Zement oder einem anderen Schnittstellenmaterial beschichtet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden Ankerpunkte in dem tragenden Gelenkgewebe erzeugt. Zum Beispiel können umgedrehte T-förmige ( ) Ankerpunkte in den subchondralen Knochen unter Verwendung von speziell gefertigten arthroskopischen Bohrerteilen oder mittels Laser geschnitten werden.
Wenn nur ein kleiner Abschnitt benötigt wird, können ein oder zwei Ankerpunkte ausreichen, vorausgesetzt, die Anzahl und Anordnung der Punkte reicht aus, um Rotations- oder Translationsbewegungen des ausgehärteten Biomaterials zu verhindern.
Wenn eine größere Fläche an Knorpel ersetzt wird, können sechs bis neun Ankerpunkte notwendig sein. Die Anzahl, Größe und Lage der Stellen kann fallbezogen bestimmt werden, indem das Bedürfnis, das ausgehärtete Biomaterial in permanentem Eingriff mit dem natürlichen Gewebe zu halten, mit dem Bedarf abgewogen wird, übermäßiges Trauma oder Beschädigung der strukturellen Integrität des natürlichen Gewebes selbst zu vermeiden. Zusätzliche oder andere Mittel, z. B. die Verwendung von Zementen, können ebenso verwendet werden, um den permanenten Eingriff des ausgehärteten Biomaterials in das natürliche Gelenkgewebe zu verbessern.
Zum Beispiel kann die vorbereitete Knochenoberfläche, einschließlich der Ankerstellen, mit hochmolekulargewichtiger Hyaluronsäure behandelt werden. Dies wird das Anhaften des Polymer verbessern und dahingehend wirken, daß eine Entzündung und lokale Osteoporose verhindert wird. Es wurde auch gezeigt, daß das hochmolekulargewichtige Hyaluronsäure ein effektiver Stimulator von Osteophyten (d. h. knochenbildenden Zellen) ebenso wie ein Inhibitor von Interleukin-1 (II-1) ist. Als ein IL-1-Inhibitor wird die Säure dazu tendieren, die Entzündungsantwort in dem Gebiet um das neue Implantat herum zu verringern.
Als ein weiterer Schritt wird eine erwünschte Menge des aushärtbaren Biomaterials mittels minimal invasiver Mittel an die vorbereitete Stelle abgegeben. Nicht-ausgehärtetes Biomaterial entweder in der Masse oder in Form von separaten reaktiven Bestandteilen, kann in geeigneten Lagerungsbehältern gelagert werden, z. B. sterilen Teflon-ausgekleideten Metallkanistern. Das Biomaterial kann mittels einer Pumpe aus einem Lagerungskanister an die Abgabekanüle bei Bedarf abgegeben werden. Das Biomaterial kann in der Form einer einzelnen Zusammensetzung, z. B. einschließlich von sowohl der Polymermatrix als auch des Hydrogels, abgegeben werden oder kann in der Form einer Vielzahl von Bestandteilen oder Inhaltsstoffen abgegeben werden. Zum Beispiel kann die Polymermatrix und das Hydrogel separat gelagert und in geeigneter Weise gemischt oder kombiniert werden, entweder im Verlauf der Abgabe oder an der Vernetzungsstelle selbst.
Als ein Beispiel eines Abgabesystems, das als ein Modell für die Abgabe von nicht- ausgehärteten Biomaterialien dienen kann, wird eines gegenwärtig von Dyonics, Inc. als "InteliJET Fluid Management System" verkauft. Dieses System beinhaltet die Abgabe einer Salzlösung unter niedrigem Druck mit hoher Durchflußrate an eine Stelle und kombiniert die Abgabe mit einem Sog. der automatisch an bestimmte Arten von Skalpell-Schneiden angepaßt ist.
Hinsichtlich seiner Bestandteile wird ein bevorzugtes Abgabesystem der vorliegenden Erfindung typischerweise eine Motorantriebseinheit mit Fernbedienung, assoziierte Schläuche, eine Zuflußabgabekanüle ohne Sichtvorrichtung (nonscope inflow delivery cannula), mit unabhängigen Mitteln zum Einstellen des Flüssigkeitsdynamikdrucks und der Durchflußrate, eine Energiequelle zum Aushärten, und Verbindungen für den Spül-, Vakuum- und Abfallkanister sowie Überflußgefäßen.
Die Auftragekanüle wird dann in das Gelenk eingeführt und unter Sichtbarmachung von der faseroptischen Sichtvorrichtung wird das Polymerverbundmaterial auf den subchondralen Knochen aufgetragen werden. Der Durchfluß des flüssigphasigen Polymerverbundmaterials wird vom Betreiber über ein Fußpedal kontrolliert werden, das an den Pumpmechanismus am Polymerkanister angeschlossen ist. Das flüssigphasige Polymerverbundmaterial wird von der Spitze des Auftrag-Katheters fließen, um die Ankerpunkte zu füllen und darauffolgend den subchondralen Knochen abzudecken.
Als ein weiterer Schritt wird das abgegebene Biomaterial durch minimal invasive Mittel und auf eine solche Weise ausgehärtet, daß das ausgehärtete Biomaterial in Auflagerung zu der vorbereiteten Stelle gehalten wird. Wie hierin beschrieben, kann das Biomaterial mit jedem geeigneten Mittel ausgehärtet werden, entweder in einem einzelnen Schritt oder in Stufen, während es abgegeben wird. Bevorzugte Biomaterialien sind durch das Anwenden von ultraviolettem Licht aushärtbar, was sie besonders für ein System zugänglich macht, das solches Licht durch minimal invasive Mittel abgibt.
Wenn eine hinreichende Menge an nicht-ausgehärtetem Biopolymer abgegeben worden ist, kann die Polymerisierung durch jedes geeignete Mittel initiiert werden, z. B. durch die Verwendung einer ultravioletten Lichtquelle an der Spitze der Auftragkanüle. Nachdem das Verbundmaterial ausgehärtet ist (polymerisiert), können der Oberfläche nach Bedarf mit anderen arthroskopischen Instrumenten Konturen verliehen werden. Das Gelenk wird dann gespült, und die Instrumente aus den Portalen entfernt.
Unter Verwendung der bevorzugten Verbundmaterialien, die hierin beschrieben sind, wird vorausgesehen, daß es eine natürliche Migration des Hydrogel-Bestandteils an die Verbundmaterialoberfläche im Verlauf des Aushärtens geben wird. Diese Migration wird dazu tendieren, eine netto-positive Ladung über die Oberfläche des Verbundmaterials zu erzeugen. Diese positive Ladung wiederum wird dazu tendieren, negativ geladene Hyaluronsäure zu binden, die eine Verbindung ist, die in dem Gelenk natürlich vorkommt (hergestellt durch Synoviocyten vom Typ A). Obwohl nicht beabsichtigt ist, durch eine Theorie gebunden zu sein, scheint es, daß das Resultat einer solchen Bindung einen schmierenden Effekt für die Oberfläche des Verbundmaterials erzeugen wird. Da die Hyaluronsäure ein normales Produkt der synovialauskleidenden Zelle ist, wird sie kontinuierlich aufgefüllt. Eine synthetisch hydrophile Doppelschicht kann alternativ aufgetragen werden, um den Reibungskoeffizienten weiter zu reduzieren.
Die Schritte der Herstellung der Gelenkoberfläche und des Konturierens des ausgehärteten Biomaterials, wie hierin beschrieben, kann unter Verwendung von herkömmlichen arthroskopischen Instrumenten und Werkzeugen erreicht werden. Stryker, Inc., Zimmer, Inc. und Dyonics, Inc. produzieren z. B. eine große Anzahl an arthroskopischen Operationsskalpellen und -nstrumenten. Typische Produkte werden in Dyonics' US-Patenten Nr. 4,274,414, 4,203,444, 4,705,038, 4,842,578, 4,834,729 und 4,983,179 beschrieben.
In noch einem weiteren Schritt wird das ausgehärtete gehaltene Biomaterial konturiert, um eine erwünschte Konformation zu bekommen, die sich derjenigen von natürlichem Gewebe annähert.
Das bevorzugte Verbundmaterial ist unter Hitze formbar, was es ermöglicht, daß es mit einer Sonde modelliert werden kann, die durch ein arthroskopisches Portal eingeführt werden kann. Eine solche Sonde wird typischerweise ein zurückziehbares flaches Ende in Form eines Spatels haben. Die Spitze des Spatels kann auf ungefähr 100ºC erhitzt werden, eine Temperatur, bei der die Oberfläche des Verbundmaterials auf die gewünschte Kontur modelliert werden kann. Während das Verbundmaterial abkühlt, wird es genügend Speicher haben, um die Form beizubehalten, die ihm gegeben wurde.
Wenn eine ungewöhnliche Abnutzung auf einer gegebenen Fläche stattfindet, kann das Implantat später remodelliert werden, um die abgenutzte Fläche abzudecken ohne das Bedürfnis, den gesamten oben beschriebenen Prozeß zu wiederholen. Stattdessen kann die Wärmesonde einfach wieder eingeführt werden unter arthroskopischen Sichtbarmachung und das Implantat umgeformt werden, um eine adäquate Größe oder Eigenschaften in der erforderlichen Fläche bereitzustellen.
Die hierin beschriebenen Schritte können durchgeführt oder auf jede geeignete Weise kombiniert werden. Z. B. wird erwogen, daß die Abgabe, das Aushärten und das Konturieren des Biomaterials zeitgleich und in einem einzelnen Schritt erreicht werden kann, z. B. durch die Verwendung einer Form, die ein Biomaterial in einer gewünschten Form hält, während es abgegeben und ausgehärtet wird.
Fakultativ und bevorzugt kann das endgültige Biomaterial weiteren physikalischen/chemischen Modifizierungen unterzogen werden, z. B. um seine Leistung, Biokompatibilität und ähnliches zu verbessern. Zum Beispiel können Calcitonin und entzündungshemmende Moleküle, wie etwa Interleukin-I-Inhibitoren der Knochenverbundmaterialoberfläche angehängt werden, um lokale Osteoporose und eine lokale Entzündungsantwort zu verhindern, die eine Lockerung verursachen. In ähnlicher Weise kann die Oberfläche des ausgehärteten Verbundmaterials fakultativ modifiziert werden, um den Reibungskoeffizienten zu reduzieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Computerprogramm verwendet werden, das auf existierenden und idealen Gelenkwinkeln beruht. Das Programm kann dem Betreiber beim Erzeugen eines Bestandteils mit einer optimalen Kombination aus physikalischen Eigenschaften, z. B. Kontur und Dicke, helfen, um eine optimale Ausrichtung des beteiligten Gelenks zu ermöglichen.
Auf ähnliche Weise kann ein holographisches Bild durch das Arthroskop erzeugt werden, um dem Betreiber beim Erzeugen der optimalen Dicke und Kontur des Polymer- Verbundmaterials zu helfen. Kleine Gelenkanwendungen, z. B. für Handgelenke und Knöchel, sowie für Mittelhand-Finger-Gelenke, Fingergrundglied-Zwischengelenke, Mittelfußknochengelenke und erste Handwurzel-Mittelhand-Gelenke können ebenso entwickelt werden.

Claims

1. Verwendung eines aushärtbaren Biomaterials zur Herstellung eines Medikaments zur Oberflächen-Wiederherstellung der Stelle eines verletzten orthopädischen Gewebes in einem Kniegelenk, umfassend die Schritte: Verwendung minimal invasiver Mittel, um

(i) einen oder mehrere Ankerpunkte auf einer Oberfläche des Kniegelenks bereitzustellen;

(ii) eine Menge des aushärtbaren Biomaterials an die Gewebeverletzungsstelle auf eine Weise abzugeben, die die Ankerpunkte füllt und die Oberfläche abdeckt;

(iii) das abgegebene Biomaterial auf eine solche Weise auszuhärten, daß das ausgehärtete Biomaterial permanent in Auflagerung zu der vorbereiteten Stelle gehalten wird und eine neue Gelenkoberfläche für das Knie bereitstellt; und

(iv) dem ausgehärteten, gehaltenen Biomaterial eine Konturierung zu verleihen, um eine erwünschte Konformation zu erreichen, die sich der von natürlichem Gewebe annähert.

2. Verwendung nach Anspruch 1, wobei besagte Oberflächen-Wiederherstellung der Stelle eines verletzten orthopädischen Gewebes weiterhin den Schritt umfaßt: Verwendung minimal invasiver Mittel, um die Gewebeverletzungsstelle zur Aufnahme des Biomaterials vorzubereiten, vor dem Abgeben des Biomaterials an die Gewebeverletzungsstelle.

3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Biomaterial in situ ausgehärtet wird.

4. Verwendung nach einem vorangehenden Anspruch, wobei das Biomaterial dazu angepaßt ist, über eine Kanüle an die vorbereitete Stelle abgegeben zu werden.

5. Verwendung nach einem vorangehenden Anspruch, wobei das ausgehärtete Biomaterial in direkter Auflagerung auf die Gelenkoberfläche verwendet wird.

6. Verwendung nach einem vorangehenden Anspruch, wobei das Biomaterial eine Kombination aus Polymermatrix und Hydrogel umfaßt.

7. Verwendung nach Anspruch 6, wobei die Polymermatrix ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Silikonpolymeren und Polyurethanpolymeren.

8. Verwendung nach Anspruch 7, wobei das Polyurethan ein Diisocyanat, ein Glycol und ein Diol umfaßt.

9. Verwendung nach Anspruch 8, wobei das Diisocyanat Diphenylmethandiisocyanat ist.

10. Verwendung nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Glycol Polytetramethylenetherglycol ist.

11. Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Diol 1,4-Butandiol ist.

12. Verwendung nach einem vorangehenden Anspruch, wobei jedes der minimal invasiven Mittel durchgeführt wird unter Verwendung eines arthroskopischen Instruments.

13. Verwendung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Abgabeschritt mit arthroskopischer Sichtbarmachung unter Verwendung einer Kanüle durchgeführt wird, die geeignet dimensioniert ist, um ein fließbares Verbundmaterial abzugeben.

14. Verwendung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oberflächen- Wiederherstellung der Stelle des verletzten orthopädischen Gewebes den weiteren Schritt umfaßt: Beschichten oder Modifizieren der Oberfläche des konturierten Materials mit einem permanenten Grenzflächenmaterial, um die Biokompatibilität oder den Reibungskoeffizient des endgültigen Implantats zu verbessern.

15. Ein Kit zur Verwendung bei der Oberflächen-Wiederherstellung der Stelle eines verletzten orthopädischen Gewebes in einem Kniegelenk, umfassend die Schritte: Verwenden minimal invasiver Mittel, um

(i) einen oder mehrere Ankerpunkte auf einer Oberfläche des Kniegelenks zur Verfügung zu stellen;

(ii) eine Menge eines aushärtbaren fließbaren Biomaterials an die Gewebeverletzungsstelle auf eine Weise abzugeben, die die Ankerpunkte füllt und die Oberfläche abdeckt;

(iv) dem ausgehärteten, gehaltenen Biomaterial eine Konturierung zu verleihen, um eine erwünschte Konformation zu erreichen, die sich der von natürlichem Gewebe annähert,

wobei der Kit das aushärtbare Biomaterial in Kombination mit einer Abgabevorrichtung, die dazu angepaßt ist, das fließbare Biomaterial an die Gewebestelle abzugeben, minimal invasive Mittel zum Vorbereiten der Gewebestelle, Mittel zum Aushärten des Biomaterials in situ, und Mittel zum Konturieren des ausgehärteten Biomaterials umfaßt.

16. Kit nach Anspruch 15, wobei das aushärtbare Biomaterial eine Vielzahl von Komponenten umfaßt und die Abgabevorrichtung dazu angepaßt ist, das Biomaterial zur Gebrauchszeit zu mischen.

17. Kit nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Abgabevorrichtung eine Flüssigabgabe-Kanüle ist und das Kit weiterhin ein arthroskopisches chirurgisches Instrument umfaßt.

18. Kit nach Anspruch 17, wobei die Kanüle einen inneren Durchmesser von 2 mm bis 6 mm hat.

19. Kit nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Kanüle auf eine minimal invasive Weise mit arthroskopischer Sichtbarmachung betrieben werden kann und die Abgabevorrichtung weiterhin assoziierte Verbindungsschläuche und Behälter für die betriebsfähige und flüssige Verbindung der Kanüle an eine Quelle besagten Biomaterials zur Lagerung, Abgabe und Wiedergewinnung besagten Biomaterials umfaßt.