DE69613217T2 - Bioverträgliches prothesenmaterial, hergestellte prothesen aus diesem material und verfahren zu seiner herstellung durch eine doppelte ionenimplantation von kalzium und phosphor - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein neues bioverträgliches Prothesenmaterial, Prothesen oder Prothesensysteme, die aus diesem Material bestehen, und ihr Herstellungsverfahren durch doppelte Ionenimplantation von Calcium und Phosphor.
• Die in der Chirurgie verwendeten Prothesen oder Prothesensysteme müssen einer doppelten, einerseits mechanischen und andererseits biologischen Anforderung entsprechen. Prothesen, die Teile des Skeletts ersetzen, treten an deren Stelle, indem sie versuchen, die mechanischen Eigenschaften dieser ersetzten Teile, insbesondere ihre mechanische Festigkeit, zu imitieren. Die im allgemeinen für Prothesen oder Prothesensysteme verwendeten Materialien sind deshalb vorzugsweise Metalle oder Metalllegierungen, die insbesondere aus Titan und seinen Legierungen bestehen.
• Diese Materialien müssen jedoch auch bioverträglich sein, um Abstoßungs- und Reizungserscheinungen zu vermeiden, die die Verbindung zwischen der Prothese und dem Knochengewebe, in das sie implantiert sind, beeinträchtigen würden. Besser strebt man danach, die Implantation von Prothesen durch Materialien zu begünstigen, die ihre Verankerung in dem Knochen begünstigen, in den sie integriert werden.
• Im Stand der Technik werden verschiedene Lösungen vorgeschlagen, bei denen man auf der Oberfläche des Prothesenmaterials eine Schicht bildet, die dazu bestimmt ist, die Verankerung der Prothese im Knochengewebe zu gewährleisten.
• Im allgemeinen handelt es sich dabei um aus Hydroxyapatit erhaltene Phosphorcalciumschichten, die auf die Oberfläche des Prothesenmaterials durch Kalzinieren und/oder mit Hilfe eines Plasmabrenners aufgebracht werden (EP-A-0 130 916, EP-A-0 264 354, EP-A-0 237 053, EP-A-0 264 353, EP-A-0 310 574, FR-A-2 601 699 oder FR-A-2 688 139).
• Die auf diese Weise erhaltenen Prothesen bestehen also aus einem die mechanische Festigkeit gewährleistenden Prothesenelement aus Metall oder einer Metalllegierung, das ganz oder teilweise mit einer Schicht aus einem Phosphorcalciummaterial bedeckt ist, das die Bioverträglichkeit einschließlich der Verankerung der Prothese im Knochengewebe gewährleistet. Da diese Prothesen jedoch aus zwei verschiedenen Materialien bestehen, ist es erforderlich, dass die Phosphorcalciumschicht neben ihrer Bioverträglichkeit auch eine gute Kohäsion mit dem Metallelement gewährleistet, da dieses sonst seine Funktion der mechanischen Festigkeit nicht ausreichend erfüllen kann. Von der Festigkeit dieser Kohäsion, d. h. von ihrer Ablösungsfestigkeit, hängt die Wirksamkeit und die Lebensdauer der implantierten Prothese ab.
• Die Erfindung betrifft deshalb ein neues verbessertes Prothesenmaterial, das nicht mit einer bioverträglich machenden Schicht bedeckt zu werden braucht und infolgedessen keine Probleme der Ablösung der Schicht aufweist.
• Das erfindungsgemäße Prothesenmaterial besteht aus einem gebräuchlichen Prothesenmaterial, dessen Oberfläche durch eine doppelte Ionenimplantation von Calcium und Phosphor in ausreichenden Mengen und Verhältnissen, um seine Bioverträglichkeit zu gewährleisten, behandelt wurde.
• Die Technik der Oberflächenbehandlung von Werkstoffen durch Ionenimplantation ist sein 1954 bekannt, als vorgeschlagen wurde, Halbleiter zu dotieren. Das Prinzip dieser Technik besteht darin, dass positive Ionen auf ein auf ein negatives Potential gebrachtes Ziel zu beschleunigt werden. Die Ionen, die eine ausreichende kinetische Energie erworben haben, treffen auf das Ziel auf und dringen in dieses ein, d. h. integrieren sich in das Atomnetz seiner Oberfläche.
• Die Verwendung der Stickstoffimplantation wurde für die Behandlung der Oberfläche von medizinischen Prothesen beschrieben (I. Tousset, L'Implantation ionique, Traitement Thermique, 231, 1989, 11-16). Hierbei geht es um die Implantation von Stickstoff, Edelgasen, Titan, Kohlenstoff, Silicium, Tantal oder auch Bor auf der Oberfläche von Prothesen, um ihre Festigkeit gegen Verschleiß, Korrosion und Reibungen zu verbessern. Die Implantation von Stickstoff auf der Oberfläche von Hüftprothesen aus Titanlegierung gestattet auf diese Weise eine Verbesserung ihrer Festigkeit gegenüber korrosivem Verschleiß, aber hat keine Auswirkung auf ihre Bioverträglichkeit, so dass die oben angeführten gebräuchlichen Lösungen des Stands der Technik erforderlich sind.
• Unter ausreichenden Mengen, um die Bioverträglichkeit zu gewährleisten, versteht man einen ausreichenden Calcium- und Phosphorgehalt an der Oberfläche des erfindungsgemäßen Materials, um eine gute Verankerung in der Prothese zu gewährleisten, ohne dadurch die physikalischen Eigenschaften des gebräuchlichen Prothesenmaterials zu beeinträchtigen.
• Man hat festgestellt, dass die Calciumionen auf Grund ihrer Größe am schwersten auf der Oberfläche der gebräuchlichen Materialien zu implantieren sind. Deshalb sucht man vorzugsweise, die Oberfläche des Materials mit Calcium zu sättigen.
• Dann stellt man den Phosphorgehalt so ein, dass man ein geeignetes Verhältnis Ca/P erhält, um die Bioverträglichkeit des erfindungsgemäßen Prothesematerials zu gewährleisten.
• Das Atomverhältnis Ca/P liegt vorteilhafterweise zwischen 5/5 und 5/2 und vorzugsweise nahe bei 5/3.
• Das Verhältnis Ca/P von 5/3 findet man auch im Knochengewebe und in dem im Stand der Technik verwendeten Hydroxyapatit vor, und man strebt danach, vorzugsweise 5 Calciumionen auf 3 Phosphorionen zu implantieren.
• Die Flexibilität der verwendeten Technik und ihre Wirksamkeit gestattet es jedoch, dieses Verhältnis Ca/P in Abhängigkeit vom Typ der Prothese und von dem Knochengewebe, in das sie implantiert wird, optimal einzustellen.
• Unter gebräuchlichem Prothesenmaterial versteht man jedes Material, das zur Herstellung von Knochen- und/oder Zahnprothesen, wie orthopädischen Prothesen, Gelenkprothesen oder Zahnimplantaten, dient.
• Insbesondere handelt es sich um Keramiken und metallische Materialien wie Titan und seine Legierungen, Chrom-Kobalt- Legierungen oder auch rostfreien Stahl. Angesichts ihrer Art der Herstellung durch Ionenimplantation können die verwendeten Materialien elektrisch leitend sein oder nicht.
• Der Werkstoff, der gegenwärtig am meisten für die Herstellung von orthopädischen Prothesen verwendet wird, ist eine TA6V genannte Titanlegierung.
• Man hat festgestellt, dass der maximale Grad der Implantation von Calciumionen an der Oberfläche einer Titanleglerung etwa 20% der Fläche beträgt.
• Der Wert dieses Grads der Ionenimplantation (der Sättigung) mit Calcium hängt natürlich von der Natur des behandelten Materials ab. Im allgemeinen beträgt er 20 bis 25%.
• Der Fachmann kann jedoch diesen Gehalt in Abhängigkeit von dem Typ der Prothese, dem gebräuchlichen Material und der Implantation einstellen und nötigenfalls nicht ausschließlich eine Sättigung mit Calcium, sondern auch jeden Gehalt zwischen der zum Erreichen der Bioverträglichkeit des Materials Erforderlichen Mindestmenge und seinem durch den verwendeten Materialtyp begrenzten Höchstgehalt anstreben. Die Erfindung betrifft auch die Prothesen oder Prothesensysteme, die ganz oder teilweise aus dem erfindungsgemäßen bioverträglichen Material bestehen.
• So besteht bei einem aus mehreren Elementen bestehenden Prothesensystem, beispielsweise einem Zahnimplantationssystem, nur der Teil, der mit dem Knochengewebe, in das das System implantiert wird, in Kontakt ist, aus einem erfindungsgemäßen bioverträglichen Material.
• Die Prothesen oder Prothesensysteme, deren gesamte Oberfläche mit dem Knochengewebe in Kontakt ist, bestehen vollständig aus dem erfindungsgemäßen bioverträglichen Material.
• Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Prothesenmaterials durch Ionenimplantation, bei dem man zunächst die Implantation von Calcium so vornimmt, dass man den gewünschten Calciumgehalt erhält, und dann die Implantation des Phosphors vornimmt, indem man das gewünschte Atomverhältnis Ca/P einstellt.
• Die Implantation wird in einer für Ionenimplantation geeigneten Vorrichtung mit einer Energie von vorzugsweise 300 keV vorgenommen.
• Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Prothesen und/oder Prothesensysteme nimmt man zunächst die Formung des zu behandelnden gebräuchlichen Prothesenmaterials vor und führt dann eine doppelte Ionenimplantation wie oben beschrieben aus, und verbindet ggf. das auf diese Weise erhaltene Material mit anderen Prothesenelementen oder Prothesensystemen.
• Derartige zusätzliche Elemente können beispielsweise Zahnprothesenelemente, die mit dem in den Knochen implantierten Material zusammenwirken, oder eine Vorrichtung sein, die die Reibung verschiedener Elemente in einem Gelenkprothesensystem erleichtert.
• Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Materials und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den nachstehenden Beispielen.
1. IONENIMPLANTATION AUF EINEM MATERIAL AUS LEGIERUNG TA6V
• Ein Teil aus Titanlegierung TA6V wurde an der Oberfläche zunächst einer Calcium- und dann einer Phosphorimplantation unterzogen, indem die entsprechenden Ionen durch eine Energie von 300 KeV beschleunigt wurden.
• Diese Implantation findet so statt, dass das Verhältnis Ca/P gleich 1,667 (5 Ca-Ionen auf 3 P-Ionen) ist, und zwar auf 25% der Gesamtoberfläche des Teils aus Legierung.
2. TEST DER BIOVERTRÄGLICHKEIT Geräte und Methoden
• Die oben erhaltenen der Implantation unterzogenen Scheiben von Legierungen wurden in Kulturschalen NUNC, 4 Mulden, Durchmesser 2 cm, in einem Raum Type P2 gesetzt. Bezugsmaterial ist das Polystyrol (PS) des Bodens der Kulturmulden. Dieses Bezugsmaterial gestattet eine optimale Vermehrung der Osteoblasten.
• Die Schalen wurden mit menschlichen Osteoblasten beimpft. Die Zellen in Suspension in einem Medium IMDM (Iscoves Modified Dubbelco Medium), ergänzt durch 20% SVF (Kalbsfötalserum) und 100 U/ml Streptomycin und Penicillin sowie 100 mg/ml Fungizon, wurden mit 3000 Zellen/cm² Material beeimpft. Die Schalen wurden dann in feuchter Atmosphäre mit 5% CO&sub2; inkubiert. Das Kulturmedium wurde jeden zweiten Tag bis zur Konfluenz gewechselt.
• Nach Ablösung mit einer Mischung Trypsin/EDTA (0,01% Trypsin und 0,02% EDTA) wurden die Zellen nach Resuspendierung in einer Malassez-Zelle gezählt.
Austausch des Mediums
• Das am ersten Tag eingeführte Medium gestattet es, den Zellen die für ihr Wachstum und ihre Vermehrung erforderlichen Nährelemente zu geben. So verwenden sie diese Elemente, die nun aus der Lösung verschwinden. Dieses Medium wird deshalb jeden zweiten Tag ausgetauscht.
• Der Milieuaustausch muss unter steriler Atmosphäre stattfinden, und zwar nach dem folgenden experimentellen Protokoll:
• - das alte Medium wurde abgesaugt,
• - das neue komplette Medium wurde in einer Menge von 500 ul pro Mulde eingeführt.
Zellenzählung
• Die Entwicklung der Vermehrung wurde auf den verschiedenen Materialien verfolgt. Hierzu werden die auf jedem Probentyp vorhandenen Osteoblasten gezählt. Hier wurde die Zählung an drei verschiedenen Proben vorgenommen. Dabei ging man nach dem folgenden experimentellen Protokoll vor:
• - Absaugen des Mediums,
• - Spülen des Mediums,
• - dreimal zehn Minuten Spülen mit PBS (Phosphate Buffered Saline),
• - Ablösen des Zellenteppichs mit 300 u1 einer Mischung Trypsin-EDTA. Die Mischung wird mit den Zellen 3 min bei 37ºC zur Inkubation gebracht. Die Aufgabe dieser Mischung ist es, die Matrix zu verdauen.
• - es wurden 200 ul komplettes Medium beigegeben, um auf 500 ul zu ergänzen,
• - nach Homogenisierung wurde eine kleine Menge der Lösung mit einer Pasteur-Pipette abgesaugt und in eine Malassez- Zelle eingebracht.
Ergebnisse
• Dieser Versuch gestattete den Test der Cytoverträglichkeit von TA6V, das einer doppelten Ionenimplantation von Calcium und Phosphor unterzogen worden war (I). Dies wurde mit Osteoblasten durchgeführt. Ein erstes negatives Bezugsmaterial aus TA6V ohne Implantation (T) wurde verwendet, sowie das gebräuchliche negative Bezugsmaterial, nämlich das Polystyrol (PS) des Bodens der Kulturmulden.
• Die Beimpfung wurde mit 3000 Zellen/cm² vorgenommen.
• Die Osteoblastenvermehrung auf TA6V mit Implantation (I) und auf den Bezugsmaterialien (T und PS) ist in der beiliegenden Fig. 1 dargestellt. Eine Verzögerung der Vermehrung der Zellen wurde bei dem Bezugsmaterial TA6V ohne Behandlung (T) im Vergleich zur Probe TA6V mit Implantation (I) festge stellt. Dagegen stimmt bei TA6V mit Implantation (I) die Zellenvermehrung mit der des Bezugsmaterials Polystyrol (PS)(Bezugsfläche für die Zellen) in allen Phasen der Zählung überein (Schritt der statistisch signifikanten Differenz p < 0,05). Eine Abflachung in der Vermehrung konnte vom neunten Tag des Wachstums an bei allen Proben festgestellt werden. Ein exponentielles Wachstum der Zellen bis zum neunten Tag konnte bei dem Bezugsmaterial PS und bei TA6V mit Implantation (I) festgestellt werden. In diesem Fall kann man sehen, dass die Ionenimplantation von Calcium und Phosphor eine Verbesserung der Bioverträglichkeit von TA6V gestattet hat, da die Zellenvermehrung auf TA6V mit Implantation (I) mit der auf dem Bezugsmaterial PS identisch ist.
• Trotz der Tatsache, dass nur auf 25% der Gesamtfläche der Legierung TA6V Calcium und Phosphor implantiert sind, erhält man also dieselbe Vermehrung wie bei Polystyrol, dem gebräuchlichen negativen Bezugsmaterial des Bodens der Kulturmulden.

Claims (9)

1. Bioverträgliches Prothesenmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem gebräuchlichen Prothesennaterial besteht, dessen Oberfläche durch eine doppelte Ionenimplantation von Calcium und Phosphor in ausreichenden Mengen und Verhältnissen, um seine Bioverträglichkeit zu gewährleisten, behandelt wurde.

2. Prothesenmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des gebräuchlichen Prothesenmaterials mit Calcium gesättigt ist.

3. Prothesenmaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Calciumgehalt an der Oberfläche des gebräuchlichen Prothesenmaterials 20 bis 25% der Oberfläche beträgt.

4. Prothesenmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Atomverhältnis Ca/P zwischen 5/5 und 5/2 und vorzugsweise nahe bei 5/3 liegt.

5. Prothesenmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gebräuchliche Prothesenmaterial aus Keramiken, Metallen und Metalllegierungen, vorzugsweise Titan und seinen Legierungen ausgewählt ist.

6. Prothesen oder Prothesensysteme, dadurch gekennzeichnet, dass sie ganz oder teilweise aus dem Prothesenmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5 bestehen.

7. Verfahren zur Herstellung des Prothesenmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man zunächst die Implantation von Calcium so vornimmt, dass man den gewünschten Calciumgehalt erhält, und dann die Implantation des Phosphors vornimmt, indem man das gewünschte Verhältnis Ca/P einstellt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man die Ionenimplantation in einer geeigneten Vorrichtung mit einer Energie von 300 KeV vornimmt.

9. Verfahren zur Herstellung einer Prothese oder eines Prothesensystems nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man zunächst eine doppelte Ionenimplantation nach einem der Ansprüche 7 oder 8 vornimmt und gegebenenfalls das auf diese Weise erhaltene Material mit anderen Protheseelementen oder Prothesesystemen verbindet.